非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)換熱水箱水質(zhì)研究

馬惠昀，李麗娟，于沛，郭澤華

1. 中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840

2. 哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

3. 黑龍江省核動(dòng)力裝置性能與設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001

“華龍一號(hào)”非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)（passive containment heat removal system，PCS）[1-4]和二次側(cè)非能動(dòng)余熱排除系統(tǒng)（passive residual heat removal system，PRS）共用一個(gè)換熱水箱。由于PCS 和PRS 都是用于應(yīng)對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的措施，換熱水箱在系統(tǒng)備用期間基本處于靜置狀態(tài)。長(zhǎng)期靜置會(huì)導(dǎo)致水箱中出現(xiàn)微生物滋生、空氣中鹽分溶解[5]和水蒸發(fā)現(xiàn)象，從而使得水箱中水的鈉離子、氯離子、氟離子和硫酸鹽等雜質(zhì)含量逐漸增加，造成換熱水箱中設(shè)備和管道結(jié)垢腐蝕[6]，進(jìn)而致使設(shè)備換熱能力下降或設(shè)備損壞，最終導(dǎo)致PCS 和PRS 失效。

由于長(zhǎng)期靜置換熱水箱的水質(zhì)管理在核電廠及類似工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用屬于創(chuàng)新性的工藝[7-8]，國(guó)內(nèi)外核電同行相關(guān)的研究及實(shí)驗(yàn)報(bào)告較少，對(duì)長(zhǎng)期靜置換熱水箱的水質(zhì)[9-11]變化狀況和管理措施的研究成為長(zhǎng)期靜置換熱水箱工藝設(shè)計(jì)迫切需要解決的問(wèn)題。

1 研究方法

為了研究PCS 水箱長(zhǎng)期靜置后的水質(zhì)變化狀況，并提供有效的水質(zhì)管理措施，根據(jù)“華龍一號(hào)”PCS 水箱設(shè)計(jì)了水箱實(shí)驗(yàn)體，開(kāi)展長(zhǎng)期靜置水質(zhì)研究及水質(zhì)管理研究實(shí)驗(yàn)。通過(guò)定期取樣分析水中的離子含量、電導(dǎo)率以及pH 值等參數(shù)，確定水質(zhì)管理措施。

1.1 研究裝置

如圖1 所示，水箱實(shí)驗(yàn)體上設(shè)有U 形管，U 形管的尺寸采用與工程設(shè)計(jì)相同的設(shè)計(jì)參數(shù)，即U 形管位于外部的豎直部分，采用直徑600 mm的不銹鋼管，其上覆蓋防風(fēng)防雨蓋板。水箱本體和U 形管之間用直徑60 mm 的不銹鋼管連通，不銹鋼接管連接處設(shè)置孔板（孔板上設(shè)置3 個(gè)3 mm直徑的小孔），模擬工程上U 型水封與水箱本體的連通，這樣的設(shè)置保證U 形管與空氣的接觸，接觸面積與工程設(shè)計(jì)近似。以上設(shè)置都盡可能地模擬和體現(xiàn)外部環(huán)境對(duì)水質(zhì)的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)水箱結(jié)構(gòu)示意

U 形管及其上覆蓋防風(fēng)防雨蓋，外部覆蓋并包裹細(xì)絲密網(wǎng)，以減少飛蟲(chóng)、樹(shù)葉、爬蟲(chóng)進(jìn)入等外部環(huán)境對(duì)水體的影響。立方體水箱上部操作口設(shè)置硅膠密封，以保證立方體水箱模擬工程設(shè)計(jì)的近似度。

1.2 研究?jī)?nèi)容

2 臺(tái)水箱實(shí)驗(yàn)體放置于“華龍一號(hào)”核電站附近，以保證與“華龍一號(hào)”PCS 水箱外部環(huán)境一致。2 臺(tái)水箱實(shí)驗(yàn)體首次充水后進(jìn)行定期取樣，2#水箱不加藥，用于長(zhǎng)期靜置水質(zhì)研究，同時(shí)作為1#加藥水箱的對(duì)照組；1#水箱進(jìn)行加藥（H2O2）實(shí)驗(yàn)，維持水箱內(nèi)H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50±20×10-6，用于水質(zhì)管理研究。

2 PCS 水箱長(zhǎng)期靜置水質(zhì)研究

對(duì)2#水箱U 型管和水箱本體中水進(jìn)行定期取樣檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行具體分析。

2.1 2#實(shí)驗(yàn)水箱水中部分離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)分析

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了2#實(shí)驗(yàn)水箱U 型管水中及水箱本體水中的鈉、氯、氟、硫酸根離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，變化趨勢(shì)如圖2 所示。

圖2 2#實(shí)驗(yàn)水箱水中部分離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況

從圖2 可以看出，水箱U 型管中水的鈉、氯、氟、硫酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水箱本體中水的各離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)初期近似，隨著靜置時(shí)間的增加，U 型管中水的離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸高于水箱本體水中的。這是由于水箱U 型管與大氣連通，且沿海地區(qū)空氣中鈉、氯、氟、硫化物含量較高，導(dǎo)致水箱U 型管中水的鈉、氯、氟、硫酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間分別提升965%、624%、80%、1 325%。

水箱本體中水的各離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水箱U 型管，鈉、氯、氟、硫酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提升121%、64%、12%、202%。這是由于水箱U 型管水中的各離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加后從孔板中擴(kuò)散至水箱本體水中，導(dǎo)致水箱本體水中硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有增加。說(shuō)明U 型管與水箱本體之間的孔板起到了良好的隔離作用，降低了空氣中離子對(duì)水箱內(nèi)水質(zhì)的影響。

2.2 2#實(shí)驗(yàn)水箱中水的電導(dǎo)率變化趨勢(shì)分析

電導(dǎo)率是用來(lái)描述物質(zhì)中電荷流動(dòng)難易程度的參數(shù)，可以反映出水中離子總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。圖3 為實(shí)驗(yàn)水箱U 型管和水箱本體中水的電導(dǎo)率變化趨勢(shì)。

圖3 2#實(shí)驗(yàn)水箱中水的電導(dǎo)率變化情況

從圖3 中可以看出水箱U 型管中水的電導(dǎo)率與水箱本體中水的電導(dǎo)率初期近似，隨著靜置時(shí)間的增加，U 型管中水的電導(dǎo)率逐漸高于水箱本體，這與水箱中離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)一致。同樣說(shuō)明U 型管內(nèi)離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于水箱本體的離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，也能表明U 型管與水箱之間的孔板起到了良好的隔離作用。

2.3 2#實(shí)驗(yàn)水箱中水的pH 值變化趨勢(shì)分析

pH 值表示的是水溶液的酸堿性強(qiáng)弱程度，pH 值過(guò)低可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備腐蝕，同時(shí)pH 值也可以側(cè)面反映空氣中雜質(zhì)（硫化物、氮氧化物、CO2）對(duì)水質(zhì)的影響。圖4 為25 ℃時(shí)實(shí)驗(yàn)水箱U 型管和水箱本體中水的pH 值變化趨勢(shì)。

圖4 2#實(shí)驗(yàn)水箱中水的pH 值變化情況

從圖4 中可以看出，實(shí)驗(yàn)水箱U 型管和水箱本體中水的pH 值整體變化不大且pH 值近似。說(shuō)明海邊空氣含鹽量雖高，但基本不會(huì)影響靜置水箱中水的pH 值。

2.4 2#實(shí)驗(yàn)水箱中水濁度變化趨勢(shì)分析

濁度是指溶液對(duì)光線通過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的阻礙程度，體現(xiàn)了溶液的渾濁程度，濁度單位為NTU，表明儀器在與入射光成90°角的方向上測(cè)量到的散射光強(qiáng)度。圖5 為實(shí)驗(yàn)水箱U 型管和水箱本體中水的濁度變化趨勢(shì)。從圖5 中可以看出，水箱U 型管中水的濁度與水箱本體水中的初期近似，隨著靜置時(shí)間的增加，U 型管中水的濁度略高于水箱本體，但總體來(lái)看濁度的數(shù)值變化不大。這是由于U 形管及其上覆蓋的防風(fēng)防雨蓋和外部包裹的細(xì)絲密網(wǎng)阻擋了大部分外界的塵土和雜物，保證了水箱內(nèi)的水質(zhì)。而水箱U 型管中水的濁度大于水箱本體中水的濁度表明了U 型管與水箱之間的孔板起到了良好的隔離作用。

圖5 2#實(shí)驗(yàn)水箱中水的濁度變化情況

3 PCS 水箱水質(zhì)管理研究

對(duì)1#水箱U 型管和水箱本體進(jìn)行定期取樣檢測(cè)，并與2#水箱水質(zhì)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 PCS 水箱水中部分離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)分析

實(shí)驗(yàn)分別檢測(cè)了2 個(gè)實(shí)驗(yàn)水箱U 型管和水箱本體中水的鈉、氯、氟、硫酸根離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

從圖6 中可以看出2 個(gè)實(shí)驗(yàn)水箱U 型管中水的鈉、氯、氟、硫酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水箱本體中水的離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)初期近似，隨著靜置時(shí)間的增加，離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加幅度為：2#水箱U 型管＞1#水箱U 型管＞1#水箱本體＞2#水箱本體。這是由于U 型管與大氣連通，空氣中的離子溶于水中導(dǎo)致U 型管水中離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。

圖6 2 個(gè)實(shí)驗(yàn)水箱水中部分離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況

水箱本體水中離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于U 型管，說(shuō)明U 型管與水箱本體之間的孔板起到了良好的隔離作用，降低了空氣中離子對(duì)水箱本體水質(zhì)的影響。

1#水箱U 型管中水的鈉、氯、氟、硫酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加幅度小于2#水箱U 型管，分別為229%、134%、31%和900%，說(shuō)明加藥后可以抑制U 型管內(nèi)水中離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，加藥效果顯著。而1#水箱本體中水的離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加幅度大于2#水箱本體，分別為176%、82%、25%和641%，是由于1#水箱加藥時(shí)需開(kāi)啟1#水箱本體加藥口，1#水箱本體與空氣接觸，從而導(dǎo)致1#水箱本體水中的離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。

3.2 PCS 水箱中水的電導(dǎo)率變化趨勢(shì)分析

圖7為2 個(gè)實(shí)驗(yàn)水箱的U 型管和水箱本體中水的電導(dǎo)率變化趨勢(shì)。

圖7 2 個(gè)實(shí)驗(yàn)水箱中水的電導(dǎo)率變化情況

從圖7 中可以看出電導(dǎo)率變化趨勢(shì)與離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)近似。同樣說(shuō)明U 型管與水箱之間的孔板起到了良好的隔離作用，也能表明加藥可以抑制離子含量的增加。

3.3 PCS 水箱中水的pH 值變化趨勢(shì)分析

圖8為25 ℃時(shí)2 個(gè)實(shí)驗(yàn)水箱U 型管和水箱本體中水的pH 值變化趨勢(shì)。從圖8 中可以看出，2 個(gè)水箱U 型管和水箱本體中水的pH 值數(shù)據(jù)整體變化不大，2#水箱U 型管及水箱本體中水的pH 值略高于1#水箱U 型管，1#水箱本體pH 值最低。這是由于H2O2為弱酸，加入1#水箱后導(dǎo)致1#水箱本體中水的pH 值降低，而1#水箱U 型管與水箱之間孔板的隔離作用導(dǎo)致了1#水箱U 型管中水的pH 值略高于1#水箱本體。

圖8 2 個(gè)實(shí)驗(yàn)水箱中水的pH 值變化情況

3.4 PCS 水箱中水的濁度變化趨勢(shì)分析

圖9為2 個(gè)實(shí)驗(yàn)水箱U 型管和水箱本體中水的濁度變化趨勢(shì)。從圖9 中可以看出濁度大小順序?yàn)椋?#水箱U 型管＞1#水箱U 型管＞1#水箱本體＞2#水箱本體，且水箱U 型管中水的濁度隨時(shí)間增加而增加，而水箱本體內(nèi)水的濁度略有增加但變化不大。這是由于U 型管與大氣連通，導(dǎo)致空氣中顆粒物和雜質(zhì)進(jìn)入U(xiǎn) 型管內(nèi)，但總體來(lái)說(shuō)濁度的數(shù)值變化不大，這是由于U 形管及其上覆蓋的防風(fēng)防雨帽和外部包裹的細(xì)絲密網(wǎng)阻擋了大部分外界的塵土和雜物，保證了水箱內(nèi)的水質(zhì)。而水箱U 型管水的濁度大于水箱本體水的濁度表明了U 型管與水箱之間的孔板起到了良好的隔離作用。

圖9 2 個(gè)實(shí)驗(yàn)水箱中水的濁度變化情況

4 結(jié)論

PCS 水箱長(zhǎng)期靜置后會(huì)受到空氣中離子的影響，未加藥的水箱U 型管內(nèi)水的鈉、氯、氟、硫酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間分別提升965%、624%、80%、1 325%，未加藥水箱本體內(nèi)水中硫酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水箱U 型管，鈉、氯、氟、硫酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提升121%、64%、12%、202%；而加藥后的水箱U 型管中水的鈉、氯、氟、硫酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加幅度小于未加藥水箱U 型管，分別為229%、134%、31%和900%，說(shuō)明加藥可以抑制U 型管內(nèi)水中離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，效果顯著。水箱設(shè)置的U 型管水封（孔板）能起到良好的隔離作用，降低空氣中離子對(duì)水箱內(nèi)水質(zhì)的影響，保證了水箱本體的水質(zhì)。通過(guò)添加雙氧水，能有效抑制水箱中鈉、氯和硫酸根離子含量的增加。

本文針對(duì)“華龍一號(hào)”PCS 換熱水箱的水質(zhì)變化過(guò)程開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)研究，得到了PCS 水箱長(zhǎng)期靜置后的水質(zhì)變化參數(shù)，并提供有效的水質(zhì)管理措施，對(duì)國(guó)內(nèi)外核電站中長(zhǎng)期靜置水箱的運(yùn)行管理提供了理論支持。