一回路腐蝕產(chǎn)物在靈活性燃料管理模式下的沉積行為及源項(xiàng)水平分析

邱 斌，毛玉龍，馮英杰，胡藝嵩，蒙舒祺

一回路腐蝕產(chǎn)物在靈活性燃料管理模式下的沉積行為及源項(xiàng)水平分析

邱 斌，毛玉龍*，馮英杰，胡藝嵩，蒙舒祺

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

壓水堆一回路腐蝕產(chǎn)物的沉積和遷移，不僅會(huì)降低燃料包殼傳熱效率，增加源項(xiàng)水平，還可能導(dǎo)致軸向功率異常偏移等現(xiàn)象，影響反應(yīng)堆安全穩(wěn)定運(yùn)行。為適應(yīng)電網(wǎng)需求變化和提高經(jīng)濟(jì)性，越來(lái)越多的反應(yīng)堆采用更加先進(jìn)且靈活的燃料管理策略。為研究不同換料策略下一回路腐蝕產(chǎn)物的沉積行為及源項(xiàng)水平，本文針對(duì)某百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆分別采用18個(gè)月?lián)Q料、16/20個(gè)月交替換料和24個(gè)月?lián)Q料模式開展了分析，并從控制一回路腐蝕產(chǎn)物沉積和放射性的角度給出了最優(yōu)的燃料管理策略。研究結(jié)果表明，24個(gè)月?lián)Q料模式的堆芯污垢（Chalk Rivers Unidentified Deposit，CRUD）總量最少、冷卻劑源項(xiàng)水平最低，16/20個(gè)月交替換料模式的CRUD總量最多、冷卻劑源項(xiàng)水平最高。綜合考慮腐蝕控制和輻射防護(hù)，24個(gè)月?lián)Q料模式具有一定的優(yōu)越性。

燃料管理；壓水堆；腐蝕產(chǎn)物；沉積；放射性源項(xiàng)

壓水堆核電站運(yùn)行期間，一回路中的鋯合金、不銹鋼和鎳合金等材料長(zhǎng)期在高溫高壓和腐蝕性水環(huán)境服役中，加上輻照、振動(dòng)、疲勞、磨損、沖刷等作用，很容易發(fā)生腐蝕。腐蝕產(chǎn)物隨著冷卻劑在一回路中遷移，將在一回路結(jié)構(gòu)材料和燃料元件表面發(fā)生沉積。沉積的腐蝕產(chǎn)物不僅會(huì)降低燃料包殼傳熱效率，增加堆芯流動(dòng)阻力，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致流道局部阻塞[1]；一回路的腐蝕產(chǎn)物流經(jīng)堆芯時(shí)會(huì)活化產(chǎn)生58Co和60Co等放射性同位素，增大一回路源項(xiàng)水平，進(jìn)而影響反應(yīng)堆維修和檢修人員的輻射劑量率[2-4]；燃料表面污垢（Chalk Rivers Unidentified Deposit，CRUD）還會(huì)吸附冷卻劑中的硼元素，嚴(yán)重時(shí)造成堆芯軸向功率異常偏移[5,6]。

隨著可再生能源的大量投產(chǎn)及電力市場(chǎng)的改革，部分核電站減負(fù)荷調(diào)峰現(xiàn)象也越發(fā)頻繁，為追求更高的經(jīng)濟(jì)效益，越來(lái)越多先進(jìn)且靈活的燃料管理策略被提出。高立剛[7]等人分析研究了嶺澳核電站分別采用年度1/4換料、18個(gè)月?lián)Q料和24個(gè)月?lián)Q料的優(yōu)缺點(diǎn)，論證了嶺澳核電站采用年度1/4換料的可行性；王丹[8]和位金鋒[9]則對(duì)核電站采用24個(gè)月長(zhǎng)周期燃料管理進(jìn)行了研究；劉嬋云[10]等人對(duì)兩環(huán)路大型壓水堆開展了12個(gè)月、18個(gè)月、16/20個(gè)月交替以及24個(gè)月?lián)Q料的分析研究，完成了多種靈活性燃料管理策略的安全性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估；許星星[11]等人也對(duì)新形勢(shì)下的燃料管理優(yōu)化進(jìn)行了研究。換料策略對(duì)不同的核電站的安全性和經(jīng)濟(jì)型的優(yōu)勢(shì)并不一樣，同時(shí)其對(duì)燃料設(shè)計(jì)、堆芯設(shè)計(jì)和熱工水力設(shè)計(jì)等方面的影響也不盡相同。一回路腐蝕產(chǎn)物的遷移與沉積作為核電運(yùn)行中重要的現(xiàn)象之一，在變更換料策略時(shí)有必要進(jìn)行評(píng)估。

本文介紹了壓水堆一回路腐蝕產(chǎn)物的沉積原理，并對(duì)某壓水堆不同燃料管理策略下的腐蝕產(chǎn)物沉積及源項(xiàng)水平進(jìn)行了計(jì)算分析。

1　理論模型

1.1　腐蝕模型

國(guó)內(nèi)外均制定了評(píng)估金屬材料腐蝕行為的標(biāo)準(zhǔn)。以圖1給出的示意圖為例，橫軸為材料服役總時(shí)間、縱軸為材料腐蝕總量。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)[12]以時(shí)刻腐蝕總量曲線的切線斜率作為此時(shí)的腐蝕速率，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)[13]則以0時(shí)刻和時(shí)刻連線的正切值作為時(shí)刻的腐蝕速率。腐蝕曲線通常根據(jù)各種材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合、或反應(yīng)堆運(yùn)行期間的測(cè)量數(shù)據(jù)反推，經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)。從腐蝕曲線可以看出，不論采用何種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，隨著服役時(shí)間增加，腐蝕速率都呈逐漸下降趨勢(shì)。

圖1 腐蝕行為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)示意圖

1.2　沉積和活化模型

金屬材料在服役環(huán)境下形成的腐蝕產(chǎn)物主要以鐵基鎳酸鹽的形式沉積并形成一層輸送的腐蝕薄膜。經(jīng)過(guò)溶解、沉積的動(dòng)態(tài)平衡，遷移到堆芯時(shí)，其中的Ni和Co等元素會(huì)被中子活化生成58Co和60Co，一回路冷卻劑中主要腐蝕活化產(chǎn)物還有58Ni、59Fe、51Cr等，其來(lái)源見(jiàn)表1[14]。為計(jì)算冷卻劑中腐蝕產(chǎn)物含量及結(jié)構(gòu)材料表面腐蝕產(chǎn)物沉積量，將一回路系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域劃分，考慮腐蝕產(chǎn)物在一回路系統(tǒng)中的侵蝕、沉淀、溶解、熱擴(kuò)散和沉積等現(xiàn)象，單位面積上沉積元素的質(zhì)量可表述為[15]；

其中：——壁面腐蝕產(chǎn)物質(zhì)量，kg；

——顆粒態(tài)腐蝕產(chǎn)物濃度，kg/m3；

p——顆粒態(tài)腐蝕產(chǎn)物沉積系數(shù)，m/s；

——離子態(tài)腐蝕產(chǎn)物沉淀速率，m/s；

——離子態(tài)腐蝕產(chǎn)物飽和溶解度，kg/m3；

——離子態(tài)腐蝕產(chǎn)物濃度，kg/m3；

——面積，m2；

——節(jié)點(diǎn)間的傳質(zhì)系數(shù)；

——時(shí)間，s。

表1　壓水堆一回路冷卻劑中主要腐蝕活化產(chǎn)物的來(lái)源

活化腐蝕產(chǎn)物主要有兩種形式：主冷卻劑中的溶解和非溶解態(tài)的活化腐蝕產(chǎn)物以及沉積在系統(tǒng)和管道上的活化腐蝕產(chǎn)物。根據(jù)國(guó)內(nèi)外核電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，58Co和60Co兩種核素在停堆時(shí)貢獻(xiàn)了輻射劑量率的85%以上[16]。關(guān)于一回路冷卻劑中放射性核素的活度濃度可表示為[17]：

——化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的凈化流量，m3/h；

——凈化時(shí)間，h；

——一回路水體積，m3；

DF——凈化系統(tǒng)對(duì)一回路冷卻劑中腐蝕產(chǎn)物的去除因子。

2　分析方法

本文針對(duì)某百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電站分別采用18個(gè)月?lián)Q料、16/20個(gè)月交替換料（以下簡(jiǎn)稱“交替換料”）和24個(gè)月?lián)Q料模式下的一回路腐蝕產(chǎn)物沉積及源項(xiàng)水平進(jìn)行計(jì)算分析。分析時(shí)從首循環(huán)開始，歷經(jīng)第2循環(huán)和第3循環(huán)兩個(gè)過(guò)渡循環(huán)，從第4循環(huán)開始進(jìn)入平衡循環(huán)。計(jì)算步驟如下：

（1）通過(guò)三維核設(shè)計(jì)程序COCO[18]計(jì)算得到堆芯軸向和徑向功率分布；

（2）再由堆芯熱工水力子通道程序LINDEN[19]計(jì)算堆芯內(nèi)局部熱工水力參數(shù)；

（3）最后采用污垢分析軟件CAMPSIS[20]計(jì)算CRUD沉積和一回路源項(xiàng)水平。

本文分析的壓水堆共有157組燃料組件，首循環(huán)采用低泄漏的堆芯布置方式，后續(xù)基于首循環(huán)堆芯設(shè)計(jì)開展三種長(zhǎng)周期換料策略。18個(gè)月?lián)Q料策略的平衡循環(huán)中換料組件數(shù)為64盒，按富集度分兩批，分別為36組4.55%富集度組件和28組4.95%富集度組件；16/20個(gè)月交替換料策略中，16個(gè)月?lián)Q料的平衡循環(huán)中采用33組4.30%富集度組件和24組4.75%富集度組件，共計(jì)57組新組件；20個(gè)月?lián)Q料的平衡循環(huán)中采用36組4.70%富集度組件和36組4.95%富集度組件，共計(jì)57組新組件；24個(gè)月?lián)Q料策略的平衡循環(huán)中采用92組燃料組件，平均富集度為4.95%[21]。

3　計(jì)算結(jié)果及討論

表2和圖2分別給出了不同換料策略下的CRUD總量和主管道沉積源項(xiàng)水平，圖3～圖6分別給出了不同換料策略下冷卻劑中58Co、60Co和51Cr放射性源項(xiàng)活度，計(jì)算結(jié)果表明：

（1） 16/20個(gè)月交替換料產(chǎn)生的CRUD總量較18個(gè)月?lián)Q料和24個(gè)月?lián)Q料偏大，24個(gè)月?lián)Q料產(chǎn)生在前幾個(gè)循環(huán)的CRUD總量與18個(gè)月?lián)Q料相當(dāng)，后幾個(gè)循環(huán)產(chǎn)生的CRUD總量最??；

（2） 24個(gè)月?lián)Q料的主管道沉積源項(xiàng)水平最高，16/20個(gè)月交替換料策略的主管道沉積源項(xiàng)水平與18個(gè)月?lián)Q料相當(dāng)；

（3）24個(gè)月?lián)Q料產(chǎn)生的一回路冷卻劑中58Co和51Cr放射性活度最小，一回路冷卻劑中60Co放射性活度最大。

表2　不同換料策略下的CRUD總量

圖2　不同換料策略下的主管道沉積源項(xiàng)水平

圖3　不同換料策略下的冷卻劑58Co活度

圖4　不同換料策略下的冷卻劑60Co活度

圖5　不同換料策略下的冷卻劑51Cr活度

注：A、B、C分別表示18個(gè)月?lián)Q料、16/24個(gè)月交替換料和24個(gè)月?lián)Q料。

結(jié)合圖6對(duì)上述趨勢(shì)進(jìn)行分析，可知：

（1）腐蝕產(chǎn)物的沉積速率是影響CRUD總量的重要因素，換料周期時(shí)間越短，腐蝕沉積速率越大，16/20個(gè)月交替換料策略下的平均腐蝕沉積速率相對(duì)較大，導(dǎo)致產(chǎn)生的CRUD總量最大；

（2）換料周期時(shí)間越長(zhǎng)，腐蝕產(chǎn)物的在主管道中沉積總量就會(huì)越多，沉積源項(xiàng)水平就會(huì)越大，所以24個(gè)月?lián)Q料策略下的主管道沉積源項(xiàng)最高；

（3）長(zhǎng)周期24個(gè)月?lián)Q料下的腐蝕產(chǎn)物總量較小，導(dǎo)致一回路冷卻劑中活化的58Co和51Cr放射性活度也最小，而60Co的半衰期較長(zhǎng)，換料時(shí)間越長(zhǎng)，所以累積的60Co也越多。

4　結(jié)論

本文揭示了壓水堆腐蝕產(chǎn)物沉積機(jī)理，并評(píng)估了某壓水堆在三種不同換料策略下的CRUD總量、主管道和冷卻劑中源項(xiàng)水平，主要結(jié)論如下：

（1） 24個(gè)月?lián)Q料的CRUD總量最少、16/20個(gè)月交替換料的CRUD總量最多；

（2） 24個(gè)月?lián)Q料的冷卻劑源項(xiàng)水平最低、16/20個(gè)月交替換料的冷卻劑總量最高；

（3） 24個(gè)月?lián)Q料的主管道沉積源項(xiàng)水平最高、16/20個(gè)月交替換料和18月?lián)Q料的主管道沉積源項(xiàng)水平相當(dāng)。

綜上所述，24個(gè)月?lián)Q料模式的CRUD總量最少、冷卻劑源項(xiàng)水平最低，從腐蝕控制和輻射防護(hù)角度，24個(gè)月?lián)Q料策略具有一定優(yōu)勢(shì)。

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Analysis of the Primary Corrosion Product Deposition Behavior and Radioactivity Level under Flexible Fuel Management Strategies

QIU Bin，MAO Yulong*，F(xiàn)ENG Yingjie，HU Yisong，MENG Shuqi

（China Nuclear Power Technology Research Institute，Shenzhen of Guangdong Prov. 518000，China）

The deposition of corrosion products in the PWR primary circuit will not only reduce the heat transfer efficiency and increase the radioactivity level, but also lead to abnormal axial power deviation of core, which will seriously affect the safety of nuclear reactors. For better adapting to the change of power grid demand and improving economy, more and more reactors adopt more advanced and flexible fuel management strategies. In order to study the deposition behavior and radioactivity level of corrosion products in the primary circuit under different refueling strategies, this paper analyzes the 18-month refueling mode, 16/20-month alternate refueling mode and 24-month refueling mode respectively for a 1000 MWe PWR, and gives the optimal flexible fuel management strategy from the perspective of controlling deposition and radioactivity. The results show that the total CRUD amount and coolant radioactivity level are the least in 24-month refueling mode, compared to the highest in 16/20-month refueling mode. Considering corrosion controlling and radiation protection, the 24-month refueling mode has advantages.

Fuel management strategies; PWR; Corrosion products; Deposition; Radioactivity

TL364

A

0258-0918（2022）06-1248-05

2022-02-17

國(guó)家自然科學(xué)基金（U20B0211，針對(duì)堆芯氧化腐蝕產(chǎn)物材料-熱工-中子行為的多物理耦合機(jī)理）；國(guó)家自然科學(xué)基金（52171085，模擬壓水堆一回路冷卻劑中燃料包殼管表面污垢沉積行為與機(jī)理研究）

邱 斌（1991—），男，廣東深圳人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆一回路熱工水力和水化學(xué)研究

毛玉龍，E-mail：maoyulong@cgnpc.com.cn