長燃料循環(huán)一回路水質(zhì)跟蹤與探討

李洪亮 雷水雄 蒲代偉

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

國內(nèi)大部分壓水堆核電廠都已實施或即將實施18個月?lián)Q料的長周期換料模式。

本文圍繞核電廠長燃料循環(huán)管理后，一回路水化學(xué)中硼、鋰等參數(shù)的改變，引起的冷卻劑水化學(xué)環(huán)境變化對電廠運(yùn)行產(chǎn)生的不利影響及該如何采用化學(xué)手段消除影響展開分析。通過大量樣品數(shù)據(jù)的比對、分析，為長燃料循環(huán)后核電廠一回路水化學(xué)研究、優(yōu)化提供評價及參考。

1 長燃料循環(huán)后一回路水化學(xué)環(huán)境

一回路水化學(xué)指標(biāo)不僅是維持電廠可靠運(yùn)行的重要參數(shù)之一，也是衡量壓水堆運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)。因核電廠燃料循環(huán)周期延長，為控制反應(yīng)性，要求電廠在運(yùn)行初期階段有更高的硼濃度，而高硼濃度會導(dǎo)致冷卻劑偏酸性，會引發(fā)一回路結(jié)構(gòu)材料的腐蝕。也會使得冷卻劑內(nèi)活化腐蝕產(chǎn)物遷移，導(dǎo)致一回路輻射場增強(qiáng)。

長燃料循環(huán)后堆芯冷卻劑水化學(xué)參數(shù)的改變，會對機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生什么影響，如何通過化學(xué)干預(yù)手段消除不利因素，發(fā)揮核電廠一回路水化學(xué)控制作用？將通過以下兩個方面延伸、探討：提升硼濃度；提高鋰濃度。

2 硼濃度提升

至今為止，采用硼酸進(jìn)行化學(xué)補(bǔ)償控制，仍然是壓水堆反應(yīng)性控制的一個重要手段。由于長循環(huán)燃料富集度提高、燃耗加深，為滿足反應(yīng)性控制的需求，所以在長燃料周期期初需要提升硼酸濃度。

2.1 硼酸控制反應(yīng)性

堆芯內(nèi)硼有兩種穩(wěn)定同位素，即10B和11B，天然豐度分別為19.8%和80.2%。由于10B的中子吸收截面（3837靶）遠(yuǎn)高于11B的中子吸收截面（0.005靶），因此反應(yīng)堆的反應(yīng)性控制以10B為主。

在冷卻劑中10B因吸收中子發(fā)生反應(yīng)而不斷地被消耗。10B作為反應(yīng)性控制的主要手段，隨著機(jī)組運(yùn)行冷卻劑中的10B豐度逐漸降低。經(jīng)過對秦山基地某運(yùn)行機(jī)組一個長燃料循環(huán)周期內(nèi)冷卻劑中10B的監(jiān)測，首次得到了長燃料循環(huán)冷卻劑中10B豐度變化趨勢，也為機(jī)組燃料可靠性的計算提供了數(shù)據(jù)支持。

2.2 影響10B豐度的主要因素

通過一個長燃料循環(huán)周期10B豐度數(shù)據(jù)的整理、分析，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行功況變化，總結(jié)出10B豐度變化的規(guī)律，并歸納出影響10B豐度的主要因素。

2.2.1 堆芯燃耗

堆芯燃耗是10B豐度減小的主要因素。在機(jī)組運(yùn)行過程中，10B作為中子吸收劑，與中子發(fā)生 反應(yīng)，保持堆芯處于穩(wěn)定的功率運(yùn)行狀態(tài)。而隨著堆芯燃耗的加深，冷卻劑中10B豐度逐漸減小[1]。

2.2.2 硼回收

壓水堆核電站的硼大部分是回收的，所以隨著反應(yīng)堆運(yùn)行年限的增加，系統(tǒng)中10B的消耗會不斷積累，導(dǎo)致各種硼酸箱及一回路中的10B實際豐度低于天然豐度。因此使用回收硼也是導(dǎo)致機(jī)組長燃料循環(huán)運(yùn)行期間，一回路10B豐度逐漸降低的一個因素。

2.2.3 硼化操作

假設(shè)機(jī)組降功率調(diào)門試驗、停機(jī)小修啟停等工況中對一回路硼化操作，所有注入一回路硼的豐度都按自然硼的豐度進(jìn)行計算，那所有的硼化操作都會使一回路10B的豐度升高。但通過硼化操作變化相同的硼濃度，壽期末比壽期初的10B豐度變化大得多。主要是因為壽期末冷卻劑中的10B豐度比壽期初的低，影響更大。

綜上所述，通過數(shù)據(jù)的積累，掌握了冷卻劑中10B豐度的變化規(guī)律和干預(yù)10B豐度的化學(xué)控制手段，消除了長燃料循環(huán)對于機(jī)組安全的不利影響。若壽期運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)冷卻劑中10B豐度變化趨勢，將會影響到反應(yīng)性控制，則可以在一回路冷卻劑稀釋液中，使用天然豐度的硼酸修正冷卻劑中的10B豐度，以保證堆芯反應(yīng)性控制的需求，確保機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

3 鋰濃度提升

硼、鋰協(xié)調(diào)是化學(xué)控制堆芯冷卻劑pH值的主要手段，長燃料循環(huán)初期階段高硼濃度會導(dǎo)致冷卻劑偏酸性。由于堆芯構(gòu)件等設(shè)備的防腐和控制腐蝕產(chǎn)物活化需求，在長燃料周期初就要提升堿化劑氫氧化鋰的濃度，以維持冷卻劑合理的pH值，從而減緩堆芯結(jié)構(gòu)材料的腐蝕、減少腐蝕產(chǎn)物的活化和遷移，并降低一回路放射性環(huán)境強(qiáng)度。

3.1 冷卻劑p H值控制

機(jī)組功率運(yùn)行情況下，堆芯冷卻劑的pH300℃值，主要取決于反應(yīng)堆冷卻劑內(nèi)的硼酸和氫氧化鋰相對濃度。進(jìn)入長循環(huán)燃料管理后，由于壽期初反應(yīng)堆冷卻劑中的硼濃度高，降低了原設(shè)計中反應(yīng)堆冷卻劑的pH300℃值。

長燃料循環(huán)壽期初將硼濃度提高到1 900 mg/kg，仍按照原有的B-Li協(xié)調(diào)控制，控制鋰濃度為3.0mg/kg，不能到達(dá)國際上使用的推薦值——pH300℃值在6.90~7.20[2]。

長燃料循環(huán)后，為了提高冷卻劑的pH300℃值，同時考慮高鋰濃度運(yùn)行對燃料包殼鋯合金的腐蝕風(fēng)險，須適當(dāng)提高一回路堿化劑氫氧化鋰濃度。將壽期初的鋰濃度提高至3.5 mg/kg，并采用分段式硼-鋰協(xié)調(diào)曲線協(xié)調(diào)控制冷卻劑pH300℃值。優(yōu)化后的B-Li協(xié)調(diào)控制曲線，如圖1所示：

（1）壽期初的鋰濃度維持在3.5 mg/kg，直到pH300℃達(dá)到7.0。

（2）通過減少鋰濃度維持pH300℃＝7.0。

（3）鋰濃度維持在2.2 mg/kg直到pH300℃達(dá)到最佳值7.2。

（4）通過減少鋰濃度維持pH300℃＝7.2。

這樣的分段式控制方式既可以保證機(jī)組在臨界后，又可以達(dá)到防腐最優(yōu)pH300℃值范圍。

當(dāng)主系統(tǒng)Li濃度低于協(xié)調(diào)曲線下限時，通過REA006BA向冷卻劑中添加氫氧化鋰；若主系統(tǒng)鋰濃度超出協(xié)調(diào)曲線上限，投RCV003DE，除去過量的Li，使主系統(tǒng)Li濃度滿足B-Li協(xié)調(diào)曲線要求（見圖1），從而實現(xiàn)冷卻劑pH300℃值的精準(zhǔn)控制，降低系統(tǒng)設(shè)備腐蝕風(fēng)險，減少結(jié)構(gòu)材料的腐蝕及腐蝕產(chǎn)物遷移和沉積。

圖1 長燃料循環(huán)優(yōu)化后B-Li協(xié)調(diào)控制pH值曲線

3.2 冷卻劑放射性環(huán)境

機(jī)組功率運(yùn)行情況下，對冷卻劑中腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生量進(jìn)行跟蹤，一方面監(jiān)督燃料包殼的完整性；另一方面，其也是評價硼、鋰協(xié)調(diào)控制堆芯防腐水平的重要指標(biāo)。

一回路中主要結(jié)構(gòu)材料為奧氏體不銹鋼、鎳基合金、與冷卻劑接觸的材料、含鈷合金，以及含銻和含銀的各種材料。由于這些構(gòu)件及材料的腐蝕及腐蝕產(chǎn)物的活化，使60Co、58Co和110mAg等成為一回路的主要核素。尤其是傳熱管材料中58Ni活化產(chǎn)生的58Co一直是電站的關(guān)鍵核素，一直備受關(guān)注。

為掌握長燃料循環(huán)B-Li協(xié)調(diào)pH300℃值曲線優(yōu)化，對一回路放射性環(huán)境產(chǎn)生的影響，化學(xué)人員對冷卻劑的放射性參數(shù)進(jìn)行了有目的性的、長時間的跟蹤與分析。參比運(yùn)行機(jī)組不同燃料循環(huán)中58Co數(shù)據(jù)，從而為判斷長燃料循環(huán)后冷卻劑放射性環(huán)境變化提供數(shù)據(jù)支持。

根據(jù)不同燃料循環(huán)，從冷卻劑中58Co的監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢（見圖2）可以看出，從混合堆芯過度到長燃料循環(huán)管理，采用優(yōu)化的B-Li協(xié)調(diào)控制后，反應(yīng)堆冷卻劑中腐蝕活化產(chǎn)物58Co的含量沒有增加，而且還有減少的趨勢。這表明，采用優(yōu)化的B-Li協(xié)調(diào)pH300℃控制，可以保證良好的水化學(xué)品質(zhì)，有效地起到抑制結(jié)構(gòu)材料的腐蝕、遷移和沉積，降低冷卻劑輻射強(qiáng)度，并盡可能地降低一回路系統(tǒng)的腐蝕速率。放射性腐蝕產(chǎn)物量的減少，減輕了凈化系統(tǒng)壓力，延長了凈化床的使用周期；減少了放射性樹脂的使用和固化，減輕了放射性廢物處理系統(tǒng)運(yùn)行壓力，并節(jié)省了放廢物質(zhì)處理費(fèi)用。

圖2 不同燃料循環(huán)58Co數(shù)據(jù)趨勢

4 結(jié)論

長燃料循環(huán)后，反應(yīng)堆冷卻劑水化學(xué)參數(shù)的改變對機(jī)組產(chǎn)生的不利影響，通過化學(xué)控制手段得到了很好的解決，同時也提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。

（1）在反應(yīng)堆運(yùn)行中期，若發(fā)現(xiàn)冷卻劑中10B豐度變化趨勢，將會影響到反應(yīng)性控制，則可以在一回路冷卻劑稀釋液中，使用天然豐度的硼酸修正冷卻劑中的10B豐度，以保證堆芯反應(yīng)性控制的需求，確保機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）長燃料循環(huán)后，通過冷卻劑硼、鋰協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，減少了堆芯及一回路材料的腐蝕，降低了一回路放射性環(huán)境強(qiáng)度，使得大修人員計量率水平降低。另一方面，腐蝕產(chǎn)物量的減少，節(jié)省了大量的放射性廢物處理費(fèi)用，保護(hù)環(huán)境的同時，也提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。