漳州能源富集10B應(yīng)用的可行性分析

費(fèi)羅杰

(中核國(guó)電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

調(diào)硼是核電廠一回路反應(yīng)性控制的重要方式之一，其中10B起關(guān)鍵性作用，在整個(gè)壓水堆壽期中，通過(guò)消耗硼對(duì)堆的剩余反應(yīng)性進(jìn)行控制,本文通過(guò)查找文獻(xiàn)，對(duì)比分析，對(duì)漳州能源富集10B應(yīng)用的可行性進(jìn)行分析，提出可行性方式方案，從而對(duì)最終實(shí)施提供必要的倫理依據(jù)。

1 10B介紹

天然硼元素有兩種穩(wěn)定的同位素，即10B和11B，豐度分別為19.78%和80.22%。其中10B對(duì)中子有很強(qiáng)的吸收特性，10B對(duì)熱中子的吸收截面為3837巴，自然豐度的硼對(duì)熱中子的吸收截面接近于750巴，而11B僅為0.005巴，因此10B對(duì)熱中子的吸收截面是自然豐度硼的5倍還多，是石墨的20多倍，是傳統(tǒng)防護(hù)材料混凝土的500多倍。硼是一種非常好的中子吸收材料，而其中起決定作用的10B。

2 10B工業(yè)生產(chǎn)狀況

10B的富集在國(guó)際上已不是難題，19世紀(jì)50年代就已經(jīng)開(kāi)始工業(yè)生產(chǎn)，主要方式方法有三種。

2.1 三氟化硼—乙醚絡(luò)合物化學(xué)交換精餾法制作10B

英國(guó)在1957 年以前采用該方法, 其裝置的參數(shù):塔高5 m, 直徑25～38 mm, 填料為狄克松。塔板的當(dāng)量高度為1 cm, 分離因子α=1.026, 溫度限制在75 ℃, 塔高的真空度:柱底6.7 kPa, 柱頂2.7 kPa, 流量100 ml/h, 塔釜干燥, 全部汽化, 塔釜供熱穩(wěn)定, 用水冷凝器, 材質(zhì)為銅質(zhì)蛇管, 移走過(guò)程中分解的產(chǎn)物, 分解率0.5%/h, 系統(tǒng)中的含水上限為0.01%。產(chǎn)量(10B 豐度98%)300 g/a[1]。

2.2 三氟化硼—甲醚絡(luò)合物化學(xué)交換精餾法

三氟化硼—甲醚絡(luò)合物的分離, 塔直徑102 mm, 規(guī)模是公斤級(jí)產(chǎn)量,10B 豐度為95%;美國(guó)的中試裝置的數(shù)據(jù):塔直徑76.2 mm, 高9.14 m, 填料為Stedman。生產(chǎn)裝置:塔直徑457 mm, 總高107 m, 材質(zhì)為蒙乃爾, 填料為6.4 mm Cannon, 理論塔板數(shù)380 塊, 回流比700∶1,10B 95%生產(chǎn)能力3 t/a;系統(tǒng)中含水的上限0.01%,絡(luò)合物的分解率(127 ℃)為0.6%/d;用隔膜泵輸送, 材質(zhì)為不銹鋼、蒙乃爾、聚三氟氯乙烯。1964年, 蘇聯(lián)格魯吉亞科學(xué)院報(bào)道的參數(shù)[1]:真空度20 kPa, 柱高14.9 m,10B生產(chǎn)能力10 g/d;1967年, 蘇聯(lián)采取二級(jí)精餾[2], 1號(hào)塔:D1=128 mm,H1=20.78 m;2號(hào)塔:D2=70 mm,H2=22.12 m, 在壓力為20～27 kPa、溫度為100 ℃時(shí),10B 生產(chǎn)能力20 kg/a[1]。

2.3 三氟化硼—苯甲醚化學(xué)交換精餾法

1961年,美國(guó)將該方法投入中試,由于常壓、常溫操作,有較高的分離因子,25 ℃時(shí)為1.032,20 ℃時(shí)為1.013,當(dāng)時(shí)他們認(rèn)為,如果絡(luò)合物的分解能成功地得到控制,本項(xiàng)技術(shù)是很有吸引力的。1970年,蘇聯(lián)莫斯科門(mén)捷列夫化工學(xué)院報(bào)道了在分離硼同位素時(shí)苯甲醚或苯乙醚中雜質(zhì)的最大允許濃度。1975年日本公開(kāi)特許介紹了硼同位素分離裝置,解決了苯甲醚絡(luò)合物分解的雜質(zhì)的分離。1991年,俄羅斯莫斯科門(mén)捷列夫化工學(xué)院發(fā)表的“多管質(zhì)量交換柱中三氟化硼與三氟化硼—苯甲醚絡(luò)合物的化學(xué)同位素交換法分離同位素硼”一文,用了三根直徑為78 mm、高度為46.5 m、內(nèi)填有3.5 mm×3.5 mm×0.2 mm的填料柱子進(jìn)行。1997年,莫斯科門(mén)捷列夫化工學(xué)院卡塔里科夫教授來(lái)華講學(xué),闡明三氟化硼—苯甲醚化學(xué)交換精餾法是當(dāng)今分離10B的實(shí)用方法。經(jīng)過(guò)幾十年的工業(yè)發(fā)展，10B的產(chǎn)量已經(jīng)完全滿足工業(yè)化的需求[1]。

2.4 我國(guó)10B工業(yè)生產(chǎn)狀況

2009年,大連伯恩科技有限公司通過(guò)化學(xué)交換法，成功分離出了10B，并在大連建成了300 kg/a的10B粉生產(chǎn)線，填補(bǔ)了我國(guó)工業(yè)化生產(chǎn)的空白，富集及豐度達(dá)到了96.5%，技術(shù)和質(zhì)量水平都達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，完全能夠滿足核電廠富集硼的需求。

富集10B的工業(yè)化生產(chǎn)為核電應(yīng)用富集10B提供了充足的原材料，為富集10B在核電廠的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

3 核電廠硼相關(guān)系統(tǒng)

化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(RCV)是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCP)的一個(gè)主要的輔助系統(tǒng)。它在反應(yīng)堆的啟動(dòng)、停運(yùn)及正常運(yùn)行過(guò)程中都起著十分重要的作用，它為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的水容積控制、化學(xué)控制和反應(yīng)性控制提供了手段。化學(xué)控制原理如圖1所示。

圖1 RCV控制原理圖Fig.1 RCV Control schematic diagram

利用RCV系統(tǒng)進(jìn)行反應(yīng)性控制，加硼——在上充泵吸入口注入預(yù)先規(guī)定數(shù)量的硼，即可進(jìn)行反應(yīng)性控制。

反應(yīng)堆硼和水補(bǔ)給系統(tǒng)(RBM)是化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(RCV)的支持系統(tǒng)，為化學(xué)和容積控制系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)起輔助作用，只要通過(guò)設(shè)定值，系統(tǒng)可配置各種濃度的硼溶液，為化容系統(tǒng)提供充足的負(fù)反應(yīng)性。硼化時(shí)，發(fā)出“硼化”的指令，打開(kāi)閥門(mén)，流量計(jì)計(jì)算硼酸注入量，閥門(mén)和流量計(jì)都是可控，且可微量控制硼酸注入量，這為富集硼的使用提供了系統(tǒng)設(shè)備支持，在不改變電廠設(shè)備情況下，可以完全實(shí)現(xiàn)富集硼的使用，通過(guò)閥門(mén)控制，富集硼注入量可以得到精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，從而對(duì)膨化稀釋達(dá)到完美控制。

4 10B在電廠應(yīng)用的益處

4.1 優(yōu)化pH

研究表明pH在6.9以上有助于反應(yīng)堆運(yùn)行，為了維持反應(yīng)堆pH，必須添加一定的氫氧化鋰，但高鋰狀態(tài)下對(duì)電廠運(yùn)行存在危險(xiǎn)，對(duì)燃料包殼有一定的腐蝕作用，通過(guò)提高硼富集度，可以降低硼酸使用量，從而可以減少鋰用量，保持pH在更安全狀態(tài)下運(yùn)行。功率運(yùn)行期間的優(yōu)化硼-鋰協(xié)調(diào)曲線如圖2所示。

圖2 功率運(yùn)行期間的優(yōu)化硼-鋰協(xié)調(diào)曲線[2]Fig.2 Optimization of B- Li coordination curve during power operation[2]

由于漳州能源1、2號(hào)機(jī)為長(zhǎng)循環(huán)運(yùn)行工況，水質(zhì)要求將嚴(yán)酷。圖3為實(shí)施長(zhǎng)循環(huán)后的硼-鋰協(xié)調(diào)曲線。

圖3 實(shí)施長(zhǎng)循環(huán)后的硼-鋰協(xié)調(diào)曲線[2]Fig.3 Boron lithium coordination curve after long cycle[2]

為了保持堆芯足夠的剩余反應(yīng)性，需要壽期初較高的反應(yīng)性，需添加更多的硼酸，導(dǎo)致pH過(guò)低，為了保持pH，就需要提供更多的氫氧化鋰，可能會(huì)增加燃料包殼腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)計(jì)算，壽期初硼濃度減少100 mg/kg，pH可增加0.03。

圖4 LiOH恒定時(shí)pH(冷卻劑300 ℃)和硼濃度的關(guān)系曲線[3]Fig.4 Relationship curves of pH (coolant 300) and boron concentration at constant LiOH[3]

從圖5可以看出，核電廠若采用富集硼，將現(xiàn)有富集度提高到30%，壽期初的硼濃度(1200 mg/kg)將減少1/3，pH(300 ℃)將增加0.12，隨著富集度的升高，完全能夠保值pH大于6.9，降低燃料包殼腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 不同10B富集度下的B和Li關(guān)系曲線[5]Fig.5 B and Li curves under different enrichment rates of boron-10[5]

4.2 減少腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生的放射性

核電運(yùn)行過(guò)程中，往往會(huì)產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，而水質(zhì)pH對(duì)其影響較大。

從圖6中可以看出，pH優(yōu)化后可以顯著減少腐蝕產(chǎn)物在堆芯的積累，從而降低了一回路放射性。

圖6 不同pH洗鐵-鎳氧化物的溶解性[3]Fig.6 Dissolution of iron nickel oxides at different pH values[3]

4.3 提升機(jī)組經(jīng)濟(jì)性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一座百萬(wàn)千瓦核電廠一年產(chǎn)生的硼酸廢液約為2000 m3，每年產(chǎn)生濃縮廢液為20 m3，硼酸價(jià)格1000美元/m3，瀝青固化費(fèi)用100美元/m3，硼酸廢液處理費(fèi)用2000美元/m3，如果采用富集60%豐度的10B，每年減少約1/3廢液，節(jié)約新鮮硼酸的替換1333美元，節(jié)約硼酸廢液處理費(fèi)用133 000美元，節(jié)約固化費(fèi)用3333美元，節(jié)約地質(zhì)處置費(fèi)用26 667美元，節(jié)約總費(fèi)用164 333美元[4]。漳州能源兩臺(tái)機(jī)組，按核功率2424萬(wàn)kW折合，大約可節(jié)約費(fèi)用約40萬(wàn)美元。

4.4 提高反應(yīng)性計(jì)算精度

百萬(wàn)機(jī)組，每堆每循環(huán)消耗大約5.54 kg10B，循環(huán)壽期初每天大約消耗18 g10B,使硼濃度下降約0.1 mg/kg，循環(huán)壽期末每天大約核消耗2 g10B，壽期末10B豐度大約會(huì)達(dá)到17.7%～18.2%[6]，與壽期初明顯有差距，而在硼化稀釋過(guò)程中，未曾考慮這方面原因，包括核設(shè)計(jì)也未曾考慮該情況，導(dǎo)致反應(yīng)性計(jì)算會(huì)有不準(zhǔn)確性的情況存在，采用富集硼可抵消這方面帶來(lái)的不確定性。

4.5 其他益處

通過(guò)提高硼富集度，可增強(qiáng)反應(yīng)堆的能力，可使用含有高豐度鈾235的燃料，經(jīng)驗(yàn)表明可以增加使用混合氧化物(MOX)燃料的數(shù)量，可以增加燃燒和循環(huán)周期，每個(gè)循環(huán)的燃料消耗將減少，因此，最終所需的燃料費(fèi)用、廢液處理費(fèi)用、中間和最后的儲(chǔ)存費(fèi)用都減小。

使用富集硼，水化學(xué)性質(zhì)將變好，由雜質(zhì)產(chǎn)生的沉淀減少，因此鐵素體，鎳的活性減小，從而降低核電廠中的藥劑加入率，脅強(qiáng)腐蝕(金屬超應(yīng)力引起的腐蝕)引起的蒸汽發(fā)電機(jī)管束破裂減小。使用富集硼也可以降低對(duì)環(huán)境的污染、減小藥劑加入率、減少核反應(yīng)堆操作系統(tǒng)中堆芯內(nèi)燃燒吸收棒的數(shù)目。

5 國(guó)內(nèi)外電廠應(yīng)用情況

世界各地高功率的核電廠已開(kāi)始采用富集硼，換料設(shè)計(jì)優(yōu)化后變成長(zhǎng)循環(huán)的堆也在積極研究采用富集硼，富集硼的使用優(yōu)勢(shì)明顯，表1為采用富集硼的電廠。

在后續(xù)電廠中，我國(guó)也在積極展開(kāi)富集硼運(yùn)用的研究。

6 總結(jié)

漳州能源富集10B的應(yīng)用，可以有效地提高壽期初的pH，減少材料的腐蝕速率，降低輻射劑量，延長(zhǎng)一回路使用壽命，還能提高電廠的經(jīng)濟(jì)性。且同類型電廠中已采用富集10B，效果良好。通過(guò)分析、對(duì)比、調(diào)研、探索，我們發(fā)現(xiàn)，富集10B的使用帶來(lái)的效益遠(yuǎn)不止于此。從設(shè)備、系統(tǒng)角度考慮，使用富集硼完全具備條件。漳州能源使用富集10B十分可行。