三門1號機組熱態(tài)功能試驗期間加鋅技術(shù)應用

姜磊 孟憲波

三門核電有限公司 浙江臺州 317112

三門核電一期工程采用美國西屋公司設計的AP1000機組，根據(jù)設計方要求，在熱態(tài)功能試驗期間（以下簡稱HFT）就開始向一回路加鋅，目的是降低運行期間堆芯外輻射場[1]。三門核電1號機組作為國內(nèi)首臺在熱態(tài)功能試驗期間加鋅的電站，從加鋅速率控制、鋅溶液配制、鋅濃度范圍控制、取樣監(jiān)督要求、瞬態(tài)及異常響應等都無經(jīng)驗可循。本文介紹了三門1號機組HFT期間加鋅策略的制定、加鋅過程實施控制、效果評價等，并結(jié)合運行經(jīng)驗，對熱態(tài)功能試驗期間的加鋅策略進行優(yōu)化，為后續(xù)新機組加鋅控制提供借鑒。

1 加鋅速率的確定

加鋅技術(shù)目前在國內(nèi)尚無應用經(jīng)驗，在國際上絕大多數(shù)加鋅電站都是在經(jīng)歷過幾個或十幾個循環(huán)壽期后才開始加鋅，目前世界上唯一一臺在HFT期間加鋅的電站是日本的Tomari3機組，但其鋅濃度控制范圍為1-5μg/L，和AP1000機組20-100μg/L的控制范圍相差甚遠，因此可以說AP1000機組在HFT期間對加鋅速率的控制并無經(jīng)驗可循。

對于首次加鋅的電站而言，如何確定加鋅速率至關(guān)重要。當鋅達到目標濃度后，最佳鋅添加速率主要由兩個因素決定：下泄凈化回路對鋅的去除率以及系統(tǒng)表面氧化膜對鋅的吸附率。凈化對鋅的去除量可以根據(jù)凈化流量和除鹽床的效率計算，但系統(tǒng)表面的吸附量比較復雜，其吸收率取決于冷卻劑中鋅濃度、材料表面積、材料特性和表面狀態(tài)等因素，很難通過理論計算。

根據(jù)加鋅電站運行經(jīng)驗，在首次加鋅時加鋅速率維持在15-20g/天[2]，需要20天左右才能檢測到冷卻劑中的鋅含量。說明首次加鋅材料對鋅的吸收速率很快。隨著系統(tǒng)表面上鋅的不斷吸收，冷卻劑和金屬表面的鋅濃度差變小，鋅的吸收速率也會變小，此時加鋅速度大于鋅吸收速率，冷卻劑中的鋅濃度逐漸升高，并最終達到目標濃度。因此為了簡化計算，同時保守決策，假設開始加鋅時即達到目標濃度，加鋅流量計算簡化公式如下：

對上式進行轉(zhuǎn)化：

其中：

F：鋅添加速率，g/天；

C0：一回路目標鋅濃度，μg/L；

Vp：凈化流量，m3/h；

24：時間單位轉(zhuǎn)換，h；

β：鋅吸收率，%；

10-3：單位轉(zhuǎn)換。

已運行的電站，首次加鋅時，在5-20μg/L目標鋅濃度控制范圍下，鋅的吸收率為80%-90%。AP1000機組HFT期間鋅濃度范圍為20-100μg/L，目標濃度60μg/L，鋅濃度差更大，理論上對鋅的吸收速率應＞90%。因此保守決策，根據(jù)AP1000機組HFT期間鋅濃度控制范圍，假設吸收率為90%，同時機組凈化流量為22.4m3/h，加鋅速率計算如下：

加鋅流速（F）（最小值）＝20×22.4×24×10-3÷（1-90%）=107g/天

加鋅流速（F）（最大值）＝100×22.4×24×10-3÷（1-90%）=537g/天

所以理論上按最小值添加可以維持一回路的鋅濃度不小于20μg/L，以最大值添加可以控制鋅濃度不超過100μg/L。

由于三門核電1號機組是首次在熱態(tài)功能試驗期間維持高鋅濃度，沒有運行經(jīng)驗，保守決策，按照理論計算的最小值添加，預計從177℃升溫至正常溫度/壓力（以下簡稱NOT/NOP）平臺約4-5天時間，設定的加鋅速率為：177℃溫度平臺100g/天，232℃溫度平臺200g/天，292℃溫度平臺若仍沒有達到目標值，按照400g/天的速率添加，添加過程中根據(jù)分析結(jié)果動態(tài)調(diào)整加鋅速率。

2 加鋅實施過程

當一回路溫度首次達到177℃時，由于注鋅泵故障，無法加鋅，直到232℃才開始加鋅?？紤]達到NOT/NOT平臺時間縮短，因此將加鋅速率設定為200g/天。開始加鋅的4天時間內(nèi)，冷卻劑中檢測的平均鋅濃度1.5μg/L左右。為盡量達到目標鋅濃度，提高加鋅速率至350g/天，2天后鋅濃度達到60μg/L目標濃度，停止加鋅。隨后鋅濃度開始呈下降趨勢。重新以50g/天的速率開始加鋅，維持鋅濃度在60-100μg/L之間。臨近NOT/NOP平臺末期，再次提高加鋅速率至100-150g/天，直至降溫前一天，停止加鋅。加鋅速率與鋅濃度變化趨勢如下圖1：

圖1 加鋅速率與一回路冷卻劑系統(tǒng)鋅濃度變化趨勢Fig.1trend of injection zinc rate and zinc concentration in RCS surface

通過上圖分析，HFT期間首次加鋅時，鋅濃度變化趨勢分三個階段：

2.1 鋅快速吸收階段

這一階段，一回路系統(tǒng)表面對鋅的吸收速度非常快，加入的鋅幾乎都被系統(tǒng)表面吸收，導致一回路的鋅濃度維持在較低水平波動，沒有明顯變化。

三門核電1號機組從開始按照200g/天的速度加鋅，到鋅濃度從2pbb 左右突然升高至16.7μg/L，累計加鋅時間超過4天。鋅的吸收率為99%。在此期間，基本維持加鋅速率恒定。

2.2 鋅濃度快速升高階段

當一回路溫度至292℃，為了盡快到達目標鋅濃度，加鋅速度提高至350g/天。加鋅速率提高后2天，鋅濃度升高至65μg/L，吸收率為99%-94%。

2.3 鋅濃度穩(wěn)定階段

當達到目標鋅濃度后，加鋅速率調(diào)整為50g/天，基本可以維持60μg/L的目標鋅濃度。這段時間會一直持續(xù)到鈍化結(jié)束，吸收率為77%。

3 加鋅效果評價

為了驗證HFT期間一回路結(jié)構(gòu)材料表面鈍化效果，試驗前在壓力容器中放入10個試塊，其中5個690TT合金材料，5個304H不銹鋼材料。試驗結(jié)束后，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對試塊晶體結(jié)構(gòu)進行分析，304H不銹鋼氧化膜晶粒大小在100-500nm之間，690TT合金氧化膜晶粒大小在10-100nm之間。和未加鋅的電站HFT期間試塊分析結(jié)果相比，304H和690TT合金氧化膜晶粒大小都明顯偏小，晶粒間結(jié)合更緊密，說明在加鋅條件下，結(jié)構(gòu)材料形成的氧化膜保護性更強[3]。

4 優(yōu)化及改進建議

4.1 加鋅速率的確定

三門核電1號機組在HFT期間首次加鋅數(shù)據(jù)表明，材料表面對鋅的吸收率是加鋅量和加鋅時間的函數(shù)關(guān)系，因為加鋅量和持續(xù)時間會改變鋅在材料表面的擴散速度。初次加鋅時，材料表面未結(jié)合鋅，因此鋅的擴散速度和吸收速率很高，導致冷卻劑中的鋅濃度很低，甚至無法檢測到。隨著材料表面對鋅的不斷吸收，溶液和材料表面的鋅濃度差變小，鋅的擴散速度和吸收速度變小，當加鋅速率大于吸收速率時，冷卻劑中鋅濃度開始升高，并最終接近目標濃度。建立鋅動態(tài)平衡后，如果降低加鋅量，由于材料中鋅的返出，系統(tǒng)中鋅濃度不會立刻降低，而是繼續(xù)維持平衡或逐漸降低，直至與調(diào)整后的加鋅流量重新建立平衡。

HFT期間，如果冷卻劑中鋅濃度能夠盡快達到目標值，那么就可以使鋅暴露在NOT/NOP平臺的時間盡可能長，從而促進氧化膜對鋅的吸收，使形成的氧化膜保護性更強。為實現(xiàn)這一目標，在加鋅初期，應盡可能的提高鋅添加速率。根據(jù)三門核電1號機組加鋅經(jīng)驗看，當加鋅速率達到350g/天，仍然需要2天才能達到目標濃度，而按照200g/天的速率添加，4天后才能檢測到鋅。由于三門核電是首臺HFT加鋅的AP1000機組，在制定加鋅速率相對保守。根據(jù)1號機組經(jīng)驗，對于后續(xù)在HFT期間首次執(zhí)行加鋅的電站，初始鋅添加速率可以控制在350g/天，在有限的時間內(nèi)盡快達到鋅的目標濃度，盡量促進材料表面對鋅的吸收，提高氧化膜的鈍化效果。建立目標濃度后，可根據(jù)鋅濃度變化，在0-200g/天范圍內(nèi)調(diào)整加鋅速度，維持其目標濃度。

4.2 氧化運行

壓水堆核電站功率運行后停堆期間，通過向一回路添加氧化劑，強迫建立酸性氧化性環(huán)境，促進腐蝕產(chǎn)物釋放，以降低停堆劑量率，該方式稱為氧化運行[4]。為盡可能去除HFT期間形成的腐蝕產(chǎn)物，三門核電在HFT期間也執(zhí)行了氧化運行。

氧化運行前一回路系統(tǒng)鎳含量最大值為263μg/L，氧化運行后鎳濃度峰值694μg/L，腐蝕產(chǎn)物釋放量增加2.5倍左右。說明HFT期間執(zhí)行氧化運行，能有效促進腐蝕產(chǎn)物釋放。另外首次加鋅本身可置換出更多的腐蝕產(chǎn)物，若不盡可能將其釋放和去除，會導致運行期間的活化腐蝕產(chǎn)物量增加。因此對于在HFT期間加鋅的電站，建議其在降溫過程執(zhí)行氧化運行，促進腐蝕產(chǎn)物的釋放和去除，降低裝料后循環(huán)期間的劑量率。

4.3 鋅瞬態(tài)控制

加鋅過程中，引起鋅瞬態(tài)的因素主要包括加鋅流量、凈化去除率和鋅吸收率。如果加鋅速度大于鋅的吸收率和凈化去除率，系統(tǒng)中的鋅濃度會增加，反之，鋅濃度則會降低。凈化去除率主要受凈化流量的影響，鋅吸收率主要受機組工況變化（比如溫度變化）和水化學環(huán)境變化的影響[3]。在硼化和降溫過程，隨著pH值降低，在停止加鋅的情況下，鋅濃度反而升高，最大濃度為283μg/L。因此在HFT期間，當出現(xiàn)鋅瞬態(tài)時，按照如下原則進行響應：

4.4 鋅濃度超過上限值

由于鋅在系統(tǒng)中存在動態(tài)平衡，當鋅濃度達到短期平衡時，加鋅流量短時間發(fā)生變化，對鋅濃度的影響有一定的滯后。另外，鋅的測量結(jié)果受取樣系統(tǒng)的狀態(tài)影響較大，因此在NOT/NOP平臺，當一回路鋅濃度達到短期平衡后突然超過限值，先確認取樣管線狀態(tài)是否發(fā)生變化。排除取樣管線波動的影響后，再確認凈化流量、加鋅泵加鋅流量、醋酸鋅配制溶液濃度是否變化。確定一回路鋅濃度真實超過限值時，通過降低加鋅速度或增加凈化流量來降低一回路的鋅濃度。當NOT/NOP平臺結(jié)束，開始降溫硼化時，為降低鋅的返出量，在降溫前一天停止加鋅。硼化和降溫過程鋅濃度如果超出限值，維持凈化流量最大化持續(xù)凈化，無需采取其他措施。

4.5 鋅濃度低于下限值

在NOT/NOP平臺，當一回路鋅濃度低于下限值時，同樣需確認是否是取樣管線長期隔離所致。排除取樣管線的影響，可以提高加鋅流量，維持鋅目標濃度。另外在首次加鋅初期，系統(tǒng)對鋅的吸收速度最大，剛開始加鋅時鋅濃度無法滿足要求是正?，F(xiàn)象，維持原先的加鋅速度，2-3天后仍未達到目標濃度，可適當提高加鋅速度，盡快建立目標濃度。

5 結(jié)語

三門核電作為全球首臺AP1000機組在HFT期間成功的應用了加鋅技術(shù)，通過對HFT期間的試塊進行分析，說明加鋅在系統(tǒng)中形成的氧化膜保護性能明顯優(yōu)于不加鋅的傳統(tǒng)電站形成的氧化膜。同時通過在實踐中對HFT首次加鋅應用經(jīng)驗進行總結(jié)和優(yōu)化，對后續(xù)新機組在HFT期間應用加鋅技術(shù)起到很好的借鑒意義。