REA水箱氧含量升高原因分析

□王 勇 曹红梅 谢征宇

一、REA系统概述

(一)功能。反应堆硼和水补给系统是重要的核辅助系统之一，它的设计和配置是保证化学和容积控制系统(RCV)完成反应堆反应性控制、化学控制和容积控制的功能，在反应堆冷却剂系统(RCP)的小泄漏或管道的小破口事件中为其提供所需的含硼水，以保证燃料元件的运行条件在允许的范围内，以及在所有预计运行事件中反应堆处于安全停堆并维持反应堆次临界状态。

(二)系统组成。REA系统按照功能可分为四个回路，即补水回路、硼补充回路、硼酸配制回路及化学添加剂配制回路。其主要设备有供两个机组共用两个除盐除氧水贮存箱(9REA001/002BA)、每个机组两台除盐除盐除氧水输送泵(1-2REA001/002PO)、每个机组分别使用的一个硼酸溶液贮存液和两机组共用的一个硼酸溶液贮存液、两个机组共用一个硼酸溶液配置箱、每个机组两台硼酸溶液输送泵。

二、氧气对核电厂运行安全的影响分析

正常运行期间，核电厂一回路处于高温高压状态下，一回路中溶解的氧气超出其规定值时，会加剧一回路材料的氧化腐蚀，而产生的腐蚀产物经过反应堆堆芯经堆芯辐照后会形成活化的腐蚀产物，活化的腐蚀产物在高温高压的反应堆冷却剂中溶解、沉淀、运动，增加了反应堆放射性，也增加了反应堆停堆换料期间人员整体剂量。

核电厂主回路承压边界上的主要材料有不锈钢、锆合金、镍基合金以及碳钢等。根据相关研究显示，在高温水环境中，镍基合金产生应力腐蚀开裂的时间随着水中溶解氧的含量增加而急剧缩短。反应堆冷却剂正常运行温度下(约290℃)，不锈钢发生应力腐蚀开裂所需的氯离子浓度也是急剧下降的，特别是在冷却剂中溶解氧低于1ppm时，氯离子含量即便是很小，不锈钢也会发生应力腐蚀。由此可以看出，冷却剂中的溶解氧是核电厂主回路承压边界上的主要材料应力腐蚀开裂的敏感物质。因此，控制反应堆冷却剂系统的溶解氧含量是至关重要的。

三、除盐除氧水贮存箱氧含量升高原因分析及解决方法

(一)除盐除氧水贮存箱工作原理。9REA001/002BA是一个带浮顶的水箱，随着水位的升降，浮顶也跟着升降，浮顶与箱体通过胶囊连接，胶囊外部充有背压水，以保证胶囊能自由的升降。在浮顶上还有一个连通大气的弯管，也就是平常所说的鹅头管，鹅头管的作用是防止水箱内部产生真空，其下部浸没水中15cm。

(二)氧含量升高原因分析及解决方法。某核电厂在每次对9REA001/002BA进行充水操作后，水箱水氧含量均高于原来水箱水或补给水氧含量中高值，以下对水箱水氧含量高的原因进行简单分析。9REA001/002BA在没有充水的情况下，整个水箱内部的温度是与外面的环境温度一致的，约25℃且内部不存在温差，水箱里的水只有水分子在进行扩散运动。由于鹅头管与大气相通的，在其接触面周围空气会溶解进入水中，随着时间的增加以及扩散运动的进行，空气通过鹅头管进入水中溶解得越来越多，水箱上部的水中氧含量高于水箱下部，如时间无限长，在分子扩散运动的作用下，整个水箱里的水氧含量一致。

正常补水工况下，9REA001/002BA补水流量为60m3/h，补水管公称直径d0=114.3mm，管内径近似为d=100mm，经计算可得除盐除氧水的流速约为2.123m/s，35℃水的动力粘度约为0.73×10-3pa.s,代入雷诺数计算公式可知补水管中的雷诺数约为3.32×105，大于2,000，因此补水管中水流为紊流。

由于上述计算中未考虑实际因素对射流的影响，即假设射流空间无限大、流体的温度和密度相同，下面分别考虑假设的影响。罐底对射流的影响，自由射流一般都是紊流。由于射流是紊流流动，流动不但沿圆管轴线方向运动，而且还发生剧烈的横向运动，所以射流与静止的流体不断地相互参混，进行质量和动量交换，从而带动周围原来静止的流体一起向前运动。离喷口愈远，被射流带动的质量愈多，射流呈喇叭形的扩散状。而射流的下部由于流体空间比较小，带动周围静止流体会受到限制，从而使射流下部扩散不充分，使射流下线向上倾斜。由于进入水罐的水是35℃，一般比水箱原来的水温高，所以密度也比原来的水小。所以，水进入罐子时会受到浮力，并向上运动。综上考虑，取样点应该在射流区外，即取样点取到的是水罐原来的水的氧含量。

综上所述，当给9REA001/002BA补水时，除氧水从离开管口到取样点之前横向动能损失殆尽，无法充分搅拌水箱底部，由于补水比原来水箱的温度要高(补水温度35～38℃左右)，所以密度也就比原来水箱的水小，补水进入水箱后在浮力的作用下往上运动，形成对流，迫使上部相对较高氧含量的水往下运动到达水箱底部。结合平时给水箱补水，一般是8m左右开始，当补水到了11.3m时，水箱上部原来相对较高氧含量的水从8m往下运动了6.6m左右，接近水箱的底部。水箱正常的取样回路直接从水箱底部引出。这样取样回路取的是原来在水箱上部的、高氧含量的水。这就导致每次补水后氧含量增高的现象。

基于以上的分析，补水后，如果水箱在线打循环，通过搅拌，取样分析氧含量应该会降下来，为了验证以上结论是否正确，某电厂按规程在线给某一除盐除氧水贮存箱打循环，氧含量将至化学规范值以下。且在水箱初次充入除盐除氧水前应对其进行充分排气，防止水箱中水复氧。