降低VVER核電機組核級樹脂固體廢物量的研究

胡 海,蘇 凱，蔣春華，鄭慶云

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000)

核電廠每年產(chǎn)生的最終放射性固體廢物量在一定程度上反映了核電廠的安全運行以及維修管理水平，同時，放射性固體廢物處理成本高昂，對環(huán)境也有一定影響，核電廠放射性固體廢物量最小化控制是當前核電技術(shù)的一個重要研究方向。核電廠中一回路核級樹脂由于在使用過程中累積了較高的放射性，失效之后不進行再生而直接更換，是核電廠放射性固體廢物的主要來源之一。

某核電廠是國內(nèi)首次引進的VVER型壓水堆機組，一回路有KBE、KBB、KBF、FAL等多個凈化系統(tǒng)裝填核級樹脂，原設(shè)計KBB、KBF、KBE系統(tǒng)樹脂更換頻度為每年一次，F(xiàn)AL系統(tǒng)樹脂更換頻度為每兩年一次。在實際運行過程中發(fā)現(xiàn)，如按設(shè)計要求的頻度對核級樹脂進行更換，雖然能充分保證凈化系統(tǒng)對一回路水質(zhì)有效控制，但也存在較多的問題：

1)核級樹脂在更換之前仍剩余較大交換容量沒有被充分利用，使用上存在浪費，增加采購成本；

2)更換樹脂頻次較高，增加操作工時，導致核電廠集體劑量上升，尤其是如果按設(shè)計要求操作，部分凈化系統(tǒng)只能在機組大修期間進行樹脂更換，影響正常生產(chǎn)期間使用以及大修主線進度；

3)產(chǎn)生較多放射性固體廢物，增加放射性固體廢物處理費用，使核電廠運營成本攀升。

為解決上述問題，通過研究優(yōu)化核級樹脂更換方法和一回路凈化系統(tǒng)運行模式，以進一步提高核級樹脂的利用效率，降低核級樹脂放射性固體廢物量。

1 一回路凈化系統(tǒng)簡介

一回路凈化系統(tǒng)主要包括反應堆冷卻劑凈化系統(tǒng)(KBE)、冷卻劑貯存系統(tǒng)離子交換器(KBB)、乏燃料水池及硼箱水凈化系統(tǒng)(FAL)和一回路冷卻劑處理系統(tǒng)(KBF)。

KBE系統(tǒng)由KBE10和KBE50兩個系列組成，其中KBE10由一個陽床和一個陰床串聯(lián)組成，每個床裝有1.3 m3的核級樹脂，氨鉀飽和后投入運行，主要是去除冷卻劑中的離子態(tài)雜質(zhì)和放射性物質(zhì)，保證一回路水質(zhì)和降低一回路管道設(shè)備的的輻射劑量率。KBE50由一個混床組成，裝填0.9 m3的核級陽樹脂和0.4 m3的核級陰樹脂，用于去除一回路堿金屬離子和停機過程中凈化一回路放射性腐蝕產(chǎn)物。

KBB系統(tǒng)由一個陽床和一個陰床組成，分別裝填2.4 m3的核級陽樹脂和核級陰樹脂。陽床的主要作用是去除一回路冷卻劑中的堿金屬離子，而陰床則用于壽期末去除冷卻劑中的硼酸。

KBE和KBB系統(tǒng)流程圖見圖1。

圖1 KBE和KBB系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chat of KBE and KBB JAA—反應堆壓力容器；JEB—主泵；JEA—蒸汽發(fā)生器；JEW—主泵軸封水;JEF—穩(wěn)壓器；JEG—泄壓箱；KBC3—輔助廠房蒸汽供應系統(tǒng)；KPL10—氫氣燃燒系統(tǒng)；KBE10A￣T001/002—主回路凈化系統(tǒng)陽床/陰床；KBE50AT001—主回路凈化系統(tǒng)混床；KBA10BB001—除氣器；KBB10AT001/002—冷卻劑儲存系統(tǒng)陽床/陰床

FAL系統(tǒng)由兩個并聯(lián)機械床(陽床)、一個陽床和一個陰床組成，各裝填2.4 m3的核級樹脂。FAL用于凈化乏燃料水池，降低放射性并保證其水質(zhì)滿足要求，也可用于凈化硼酸貯存系統(tǒng)。FAL系統(tǒng)流程圖見圖2。

圖2 FAL系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chat of FAL FAK—乏燃料水池；JNK10/40BB001—含硼酸水儲存系統(tǒng); FAL30AT001(002)/003/004—乏燃料水池和含硼水箱凈化系統(tǒng)機械床/陽床/陰床

KBF系統(tǒng)由一個陽床和一個陰床組成，各裝填1.2 m3的核級陽樹脂和核級陰樹脂。兩個床串聯(lián)運行對蒸餾回收的硼酸進行凈化。當硼酸貯存系統(tǒng)水質(zhì)惡化時，也可用于凈化該系統(tǒng)。系統(tǒng)流程圖見圖3。

圖3 KBF系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chat of KBF KBF50BB001—硼酸溶液儲存水箱；JNK10/40BB001/2—含硼酸水儲存系統(tǒng)；KBF50AT001/002—反應堆冷卻劑處理系統(tǒng)陽床/陰床

2 樹脂更換方法優(yōu)化

在確保一回路相關(guān)系統(tǒng)水質(zhì)不偏離，不影響機組安全運行的前提下，優(yōu)化一回路凈化系統(tǒng)核級樹脂的更換方法，提高核級樹脂的使用效率。

2.1 核級樹脂原設(shè)計利用率

一回路各凈化系統(tǒng)裝填的核級陽樹脂體積交換容量為2.10 mol/L，核級陰樹脂體積交換容量為1.20 mol/L。在實際運行過程中，除KBB10AT002外，其他凈化系統(tǒng)陰床均需硼飽和之后再投入運行。根據(jù)俄方的研究結(jié)果，核級陰樹脂硼飽和之后對氯離子的吸附能力為理論交換容量的2%。U2C5壽期結(jié)束后KBB、KBF、FAL等系統(tǒng)樹脂利用率統(tǒng)計見表1。

表1 KBB、KBF、FAL樹脂利用率

注：未統(tǒng)計2FAL30AT002數(shù)據(jù)，因系統(tǒng)優(yōu)化后該機械床改為空床，未裝填核級陽樹脂。

KBB、KBF、FAL等凈化系統(tǒng)核級樹脂的使用率均較低，即使考慮到設(shè)計要求每兩年更換一次的FAL系統(tǒng)，更換時其核級陽樹脂使用率在40%，核級陰樹脂的使用率也只有75%。核級樹脂在更換時仍剩余較多的交換容量，利用率較低。

設(shè)計要求的核級樹脂更換方案，以固定周期對一個系統(tǒng)內(nèi)核級樹脂進行全部更換，未考慮核級樹脂更換前的失效程度，造成核級樹脂的利用效率不高，增加了核級樹脂的消耗量，產(chǎn)生了更多的放射性固體廢物。結(jié)合運行經(jīng)驗，將核級樹脂更換方案總體優(yōu)化為失效之后即出口檢出相應的陰陽離子后再進行更換。

FAL30AT001、FAL30AT002、FAL30AT003等陽床核級陽樹脂裝填量大，使用周期較長，用于其主要用于凈化乏燃料水池等含有高放射性、強氧化性水質(zhì)，運行期間出現(xiàn)雖然樹脂床未失效，但是由于樹脂老化磺酸基團降解脫落嚴重污染凈化水質(zhì)的情況，根據(jù)實際運行狀態(tài)需要提前更換。

KBF50AT002陰床使用前需要進行硼飽和，KBF50AT001陽床總交換容量遠高于KBF50A￣T002陰床理論交換容量。在實際運行中，KBF陰床失效時陽床往往并未失效，如果陰床失效時將核級陽樹脂也更換，導致陽床利用效率較低。因此，優(yōu)化更換方案改為僅對失效的核級樹脂進行更換，未失效的陰床或者陽床則繼續(xù)使用直至失效。

由于離子的擴散效應，同一水平面上的核級樹脂失效程度并不一致。在使用過程中，從凈化系統(tǒng)出口檢出雜質(zhì)離子到完全失效，還能繼續(xù)較長一段時間。在此期間，未失效的核級樹脂能被進一步利用。以KBB10AT001、FAL30AT004為例，當系統(tǒng)出口檢出雜質(zhì)離子到最后系統(tǒng)停運更換核級陽樹脂，可以繼續(xù)運行一周，床出入口數(shù)據(jù)及提高利用率見表2、表3。

表2 KBB10AT001運行數(shù)據(jù)

表3 FAL30AT004運行數(shù)據(jù)

在核級樹脂更換之前，床入口離子濃度要大于出口，核級樹脂在更換之前仍有一定的交換容量沒被利用，將核級樹脂更換標準更改為系統(tǒng)出入口離子濃度摩爾量一致，即核級樹脂完全達到失效終點，可以進一步延長其使用壽命。核級樹脂更換方案可進一步優(yōu)化為：在不影響相關(guān)系統(tǒng)水質(zhì)的前提下，凈化系統(tǒng)出入口離子量完全一致徹底喪失凈化能力時，再對已失效的核級樹脂進行更換，凈化系統(tǒng)未失效的核級樹脂繼續(xù)運行。

為避免主回路水質(zhì)控制風險，KBE10/50系列凈化床樹脂更換頻度仍維持一年一次。

2.2 優(yōu)化方案風險分析

在凈化系統(tǒng)投運期間，根據(jù)監(jiān)督要求每班一次(1次/8 h)對凈化系統(tǒng)出口水質(zhì)進行監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)核級樹脂失效。

當發(fā)現(xiàn)核級樹脂失效后，如果準備更換樹脂，進行的工作以及所需時間如下：

1)從庫房領(lǐng)取樹脂并運送到廠房4 h;

2)水力卸載樹脂10 h；

3)打開人孔裝填樹脂16 h；

4)沖洗樹脂8 h。

以上步驟共需40 h，不超過2 d時間。

優(yōu)化核級樹脂更換方案，必須考慮到功率運行期間凈化系統(tǒng)停運期間相關(guān)系統(tǒng)水質(zhì)是否會出現(xiàn)偏離。經(jīng)對KBB、KBF、FAL等系統(tǒng)運行情況排查，在更換樹脂的時間內(nèi)不會對水質(zhì)工況控制有影響。

2.3 樹脂更換方案

優(yōu)化后核級樹脂更換方案見表4。

表4 樹脂優(yōu)化更換方案

3 凈化系統(tǒng)運行模式優(yōu)化

3.1 FAL系統(tǒng)變更及運行優(yōu)化

FAL系統(tǒng)主要作用是凈化乏燃料水池水質(zhì)，設(shè)計運行模式為1機械床+1陽床+1陰床，功率運行期間持續(xù)凈化乏燃料水池水質(zhì)，采用這種運行模式凈化乏燃料水池，出現(xiàn)了陰床未失效，乏燃料水池硫酸根不降反升的現(xiàn)象(見圖4)。

圖4 運行期間硫酸根含量變化趨勢Fig.4 Trend of sulfate during operation

研究證明造成這種現(xiàn)象的原因是由于FAL系統(tǒng)核級陽樹脂磺酸基團被氧化降解脫落，進入乏燃料水池中進一步氧化生成了硫酸根。

乏燃料水池的機械雜質(zhì)含量一直維持在極低水平(透光率在95%以上)，且侵蝕性陽離子Fe長期低于10 ug/L，運行過程中機械床作用并不大，且陽床FAL30AT003也可兼具機械床的功能。為減少核級樹脂使用和減少核級陽樹脂老化降解變成硫酸根生成的來源，將機械床FAL30￣AT002掏空，不裝填核級陽樹脂，兩臺機組共減少了4.8 m3核級陽樹脂的使用。

為進一步解決硫酸根問題，優(yōu)化核級樹脂的使用，開發(fā)了單陰床凈化去除系統(tǒng)中陰離子的運行模式。相較于俄方設(shè)計的運行模式，單陰床模式運行有以下兩方面優(yōu)勢：

減少陽床的使用數(shù)量和使用頻率，避免了核級陽樹脂在運行過程中發(fā)生降解脫落的幾率，從而解決了過去數(shù)次大修中出現(xiàn)的硫酸根突然上漲問題，優(yōu)化了水質(zhì)控制。同時，避免了核級陽樹脂因磺酸基團降解脫落而損失交換容量，造成陽床利用效率降低的情況。

減輕陰床的工作負擔，提高了核級陰樹脂的使用效率。在原設(shè)計運行模式下運行，核級陽樹脂磺酸基團降解脫落最后轉(zhuǎn)化生成硫酸根，增加了陰床的工作負擔，造成核級陰樹脂使用壽命的縮短約1/3，引起放射性固體廢物量增多。

3.2 降低除堿床使用損耗

機組功率運行期間，一回路冷卻劑中的硼酸和總堿金屬離子要保證在二者協(xié)調(diào)曲線的A區(qū)域內(nèi)(見圖5)。

圖5 主回路硼酸-總堿金屬協(xié)調(diào)曲線Fig.5 Total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium) in the primary coolant depending on current concentration of boric acid

機組功率運行期間，由于核反應10B(n，α)7Li引起7Li離子在主回路中累積，同時由于加氨維持溶氫，KBE10AT001中的鉀離子不斷被洗脫出來，導致總堿金屬離子逐漸向協(xié)調(diào)曲線的A區(qū)上限移動。為避免總堿金屬的偏離，需要投運除堿系統(tǒng)KBE50AT001或KBB10AT￣001進行控制。

減少除堿系統(tǒng)KBB10AT001和KBE50AT￣001的使用損耗，延長使用壽命，目前主要采取以下3方面的措施：

(1)壽期初氨鉀飽和時減少KOH的加入量

氨鉀飽和時加入的KOH，大部分被KBE￣10AT001陽床吸附，在機組功率運行期間又被洗脫出來進入系統(tǒng)。因此，減少氨鉀飽和時KOH的加入量，可以從源頭上降低除堿系統(tǒng)的使用頻率。根據(jù)多年來的運行經(jīng)驗和分析計算結(jié)果，啟機初期由于主回路溶氫的限制氨濃度最高只能控制在10 mg/L左右，相應加入的KOH需要77 kg，將KOH的加入量實現(xiàn)最優(yōu)化。

(2)采用了一回路連續(xù)加氨方式，并實現(xiàn)了加氨的量化控制

相較于國外VVER機組采取的非連續(xù)加氨模式，壽期內(nèi)一回路總堿金屬波動較小，避免了因一回路加氨過多而導致鉀離子被洗脫出來頻繁投運除堿系統(tǒng)的情況。如圖6所示。

圖6 加氨量化控制后一回路硼酸-總堿運行曲線Fig.6 Total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium) in the primary coolant to corresponding concentration of boric acid after quantitative control

(3)采用壽期末降低氨濃度的運行方式

機組功率運行期間，冷卻劑中的堿金屬離子和銨離子存在以下的平衡：

當一回路中氨含量降低時，KBE10AT001將更多的堿金屬離子保留在陽床中而不是被洗脫出來進入冷卻劑，并最終轉(zhuǎn)移到除堿系統(tǒng)KBB10￣AT001或者KBE50AT001中。

在采取壽期末降低溶氫方式運行之后，主回路氨濃度降低，每個壽期KBB10AT001和KBE50AT001可節(jié)省交換容量300 mol以上，延長了除堿系統(tǒng)的使用壽命。

3.3 優(yōu)化除堿床使用選擇

KBE50AT001裝填了0.9 m3核級陽樹脂，工作交換容量為1 890 mol，為保證主回路水質(zhì)安全，KBE50AT001的更換周期仍保持為每年一次，為提高KBE50AT001的利用率，將壽期末期需要去除的堿金屬離子量，合理分配至KBE50AT001去除，相當于將KBB10AT001的交換容量擴容30%以上，延長KBB10AT001的使用周期，降低其更換頻率。

3.4 推遲除硼床投運時間

KBB10AT002系統(tǒng)裝填2.4 m3的OH-型陰樹脂，交換容量為2 880 mol，用于壽期末去除主回路硼酸控制機組反應性。俄方設(shè)計是當主回路硼濃度降至0.3 g/L左右時，投運KBB10AT￣002進行除硼，在一個燃料循環(huán)結(jié)束后將核級樹脂更換。自U1C6壽期起，為優(yōu)化KBB10AT￣002使用，在主回路硼酸降至0.1 g/L左右時開始投運，剩余交換容量下次燃料循環(huán)繼續(xù)使用， KBB10AT002使用壽命延長兩倍。

4 實施效果

實施上述優(yōu)化方案后，統(tǒng)計2號機凈化系統(tǒng)核級樹脂利用率和更換頻度如圖7、圖8所示。核核級樹脂的使用效率也都達到75%以上，較原設(shè)計方案利用率有較大提高；核級樹脂的更換周期較設(shè)計更換周期也都有不同程度的延長。

圖7 核級樹脂利用率對比Fig.7 Comparison of utilization ratio of nuclear grade resin

圖8 核級樹脂使用壽命對比Fig.8 Comparison of service life of nuclear grade resin

2013-2014年相對2011-2012年，兩臺機組共較少核級陽樹脂固體廢物6.4 m3，核級陰樹脂固體廢物3.6 m3；2013-2014年相對2009-2010年，兩臺機組共節(jié)約核級陽樹脂固體廢物8.6 m3，核級陰樹脂固體廢物14.8 m3。如表5所示。

表5 樹脂消耗量對比

5 結(jié)論

本研究根據(jù)運行特點，將原設(shè)計中FAL、KBB、KBF固定更換周期優(yōu)化為失效后更換的動態(tài)更換周期；將FAL兩陽床一陰床的傳統(tǒng)單一運行模式優(yōu)化為根據(jù)凈化需求可采用一陽床一陰床或單陰床運行的多種運行模式，減少了陽樹脂的裝填量和運行時間。在水化學控制方面，通過氨鉀飽和時優(yōu)化加鉀量和提前合理使用KBE50AT001，降低了除堿床KBB10AT001的負擔延長了運行壽命；壽期末除硼時增加換水周期延長了除硼床KBB10AT002投運周期。通過這些優(yōu)化措施，提高了核級樹脂的使用壽命，減少了核電廠放射性固體廢物量的生成量。