降低VVER核电机组核级树脂固体废物量的研究

胡 海,苏 凯，蒋春华，郑庆云

(江苏核电有限公司，江苏 连云港 222000)

核电厂每年产生的最终放射性固体废物量在一定程度上反映了核电厂的安全运行以及维修管理水平，同时，放射性固体废物处理成本高昂，对环境也有一定影响，核电厂放射性固体废物量最小化控制是当前核电技术的一个重要研究方向。核电厂中一回路核级树脂由于在使用过程中累积了较高的放射性，失效之后不进行再生而直接更换，是核电厂放射性固体废物的主要来源之一。

某核电厂是国内首次引进的VVER型压水堆机组，一回路有KBE、KBB、KBF、FAL等多个净化系统装填核级树脂，原设计KBB、KBF、KBE系统树脂更换频度为每年一次，FAL系统树脂更换频度为每两年一次。在实际运行过程中发现，如按设计要求的频度对核级树脂进行更换，虽然能充分保证净化系统对一回路水质有效控制，但也存在较多的问题：

1)核级树脂在更换之前仍剩余较大交换容量没有被充分利用，使用上存在浪费，增加采购成本；

2)更换树脂频次较高，增加操作工时，导致核电厂集体剂量上升，尤其是如果按设计要求操作，部分净化系统只能在机组大修期间进行树脂更换，影响正常生产期间使用以及大修主线进度；

3)产生较多放射性固体废物，增加放射性固体废物处理费用，使核电厂运营成本攀升。

为解决上述问题，通过研究优化核级树脂更换方法和一回路净化系统运行模式，以进一步提高核级树脂的利用效率，降低核级树脂放射性固体废物量。

1 一回路净化系统简介

一回路净化系统主要包括反应堆冷却剂净化系统(KBE)、冷却剂贮存系统离子交换器(KBB)、乏燃料水池及硼箱水净化系统(FAL)和一回路冷却剂处理系统(KBF)。

KBE系统由KBE10和KBE50两个系列组成，其中KBE10由一个阳床和一个阴床串联组成，每个床装有1.3 m3的核级树脂，氨钾饱和后投入运行，主要是去除冷却剂中的离子态杂质和放射性物质，保证一回路水质和降低一回路管道设备的的辐射剂量率。KBE50由一个混床组成，装填0.9 m3的核级阳树脂和0.4 m3的核级阴树脂，用于去除一回路碱金属离子和停机过程中净化一回路放射性腐蚀产物。

KBB系统由一个阳床和一个阴床组成，分别装填2.4 m3的核级阳树脂和核级阴树脂。阳床的主要作用是去除一回路冷却剂中的碱金属离子，而阴床则用于寿期末去除冷却剂中的硼酸。

KBE和KBB系统流程图见图1。

图1 KBE和KBB系统流程图Fig.1 Flow chat of KBE and KBB JAA—反应堆压力容器；JEB—主泵；JEA—蒸汽发生器；JEW—主泵轴封水;JEF—稳压器；JEG—泄压箱；KBC3—辅助厂房蒸汽供应系统；KPL10—氢气燃烧系统；KBE10A￣T001/002—主回路净化系统阳床/阴床；KBE50AT001—主回路净化系统混床；KBA10BB001—除气器；KBB10AT001/002—冷却剂储存系统阳床/阴床

FAL系统由两个并联机械床(阳床)、一个阳床和一个阴床组成，各装填2.4 m3的核级树脂。FAL用于净化乏燃料水池，降低放射性并保证其水质满足要求，也可用于净化硼酸贮存系统。FAL系统流程图见图2。

图2 FAL系统流程图Fig.2 Flow chat of FAL FAK—乏燃料水池；JNK10/40BB001—含硼酸水储存系统; FAL30AT001(002)/003/004—乏燃料水池和含硼水箱净化系统机械床/阳床/阴床

KBF系统由一个阳床和一个阴床组成，各装填1.2 m3的核级阳树脂和核级阴树脂。两个床串联运行对蒸馏回收的硼酸进行净化。当硼酸贮存系统水质恶化时，也可用于净化该系统。系统流程图见图3。

图3 KBF系统流程图Fig.3 Flow chat of KBF KBF50BB001—硼酸溶液储存水箱；JNK10/40BB001/2—含硼酸水储存系统；KBF50AT001/002—反应堆冷却剂处理系统阳床/阴床

2 树脂更换方法优化

在确保一回路相关系统水质不偏离，不影响机组安全运行的前提下，优化一回路净化系统核级树脂的更换方法，提高核级树脂的使用效率。

2.1 核级树脂原设计利用率

一回路各净化系统装填的核级阳树脂体积交换容量为2.10 mol/L，核级阴树脂体积交换容量为1.20 mol/L。在实际运行过程中，除KBB10AT002外，其他净化系统阴床均需硼饱和之后再投入运行。根据俄方的研究结果，核级阴树脂硼饱和之后对氯离子的吸附能力为理论交换容量的2%。U2C5寿期结束后KBB、KBF、FAL等系统树脂利用率统计见表1。

表1 KBB、KBF、FAL树脂利用率

注：未统计2FAL30AT002数据，因系统优化后该机械床改为空床，未装填核级阳树脂。

KBB、KBF、FAL等净化系统核级树脂的使用率均较低，即使考虑到设计要求每两年更换一次的FAL系统，更换时其核级阳树脂使用率在40%，核级阴树脂的使用率也只有75%。核级树脂在更换时仍剩余较多的交换容量，利用率较低。

设计要求的核级树脂更换方案，以固定周期对一个系统内核级树脂进行全部更换，未考虑核级树脂更换前的失效程度，造成核级树脂的利用效率不高，增加了核级树脂的消耗量，产生了更多的放射性固体废物。结合运行经验，将核级树脂更换方案总体优化为失效之后即出口检出相应的阴阳离子后再进行更换。

FAL30AT001、FAL30AT002、FAL30AT003等阳床核级阳树脂装填量大，使用周期较长，用于其主要用于净化乏燃料水池等含有高放射性、强氧化性水质，运行期间出现虽然树脂床未失效，但是由于树脂老化磺酸基团降解脱落严重污染净化水质的情况，根据实际运行状态需要提前更换。

KBF50AT002阴床使用前需要进行硼饱和，KBF50AT001阳床总交换容量远高于KBF50A￣T002阴床理论交换容量。在实际运行中，KBF阴床失效时阳床往往并未失效，如果阴床失效时将核级阳树脂也更换，导致阳床利用效率较低。因此，优化更换方案改为仅对失效的核级树脂进行更换，未失效的阴床或者阳床则继续使用直至失效。

由于离子的扩散效应，同一水平面上的核级树脂失效程度并不一致。在使用过程中，从净化系统出口检出杂质离子到完全失效，还能继续较长一段时间。在此期间，未失效的核级树脂能被进一步利用。以KBB10AT001、FAL30AT004为例，当系统出口检出杂质离子到最后系统停运更换核级阳树脂，可以继续运行一周，床出入口数据及提高利用率见表2、表3。

表2 KBB10AT001运行数据

表3 FAL30AT004运行数据

在核级树脂更换之前，床入口离子浓度要大于出口，核级树脂在更换之前仍有一定的交换容量没被利用，将核级树脂更换标准更改为系统出入口离子浓度摩尔量一致，即核级树脂完全达到失效终点，可以进一步延长其使用寿命。核级树脂更换方案可进一步优化为：在不影响相关系统水质的前提下，净化系统出入口离子量完全一致彻底丧失净化能力时，再对已失效的核级树脂进行更换，净化系统未失效的核级树脂继续运行。

为避免主回路水质控制风险，KBE10/50系列净化床树脂更换频度仍维持一年一次。

2.2 优化方案风险分析

在净化系统投运期间，根据监督要求每班一次(1次/8 h)对净化系统出口水质进行监测，可以及时发现核级树脂失效。

当发现核级树脂失效后，如果准备更换树脂，进行的工作以及所需时间如下：

1)从库房领取树脂并运送到厂房4 h;

2)水力卸载树脂10 h；

3)打开人孔装填树脂16 h；

4)冲洗树脂8 h。

以上步骤共需40 h，不超过2 d时间。

优化核级树脂更换方案，必须考虑到功率运行期间净化系统停运期间相关系统水质是否会出现偏离。经对KBB、KBF、FAL等系统运行情况排查，在更换树脂的时间内不会对水质工况控制有影响。

2.3 树脂更换方案

优化后核级树脂更换方案见表4。

表4 树脂优化更换方案

3 净化系统运行模式优化

3.1 FAL系统变更及运行优化

FAL系统主要作用是净化乏燃料水池水质，设计运行模式为1机械床+1阳床+1阴床，功率运行期间持续净化乏燃料水池水质，采用这种运行模式净化乏燃料水池，出现了阴床未失效，乏燃料水池硫酸根不降反升的现象(见图4)。

图4 运行期间硫酸根含量变化趋势Fig.4 Trend of sulfate during operation

研究证明造成这种现象的原因是由于FAL系统核级阳树脂磺酸基团被氧化降解脱落，进入乏燃料水池中进一步氧化生成了硫酸根。

乏燃料水池的机械杂质含量一直维持在极低水平(透光率在95%以上)，且侵蚀性阳离子Fe长期低于10 ug/L，运行过程中机械床作用并不大，且阳床FAL30AT003也可兼具机械床的功能。为减少核级树脂使用和减少核级阳树脂老化降解变成硫酸根生成的来源，将机械床FAL30￣AT002掏空，不装填核级阳树脂，两台机组共减少了4.8 m3核级阳树脂的使用。

为进一步解决硫酸根问题，优化核级树脂的使用，开发了单阴床净化去除系统中阴离子的运行模式。相较于俄方设计的运行模式，单阴床模式运行有以下两方面优势：

减少阳床的使用数量和使用频率，避免了核级阳树脂在运行过程中发生降解脱落的几率，从而解决了过去数次大修中出现的硫酸根突然上涨问题，优化了水质控制。同时，避免了核级阳树脂因磺酸基团降解脱落而损失交换容量，造成阳床利用效率降低的情况。

减轻阴床的工作负担，提高了核级阴树脂的使用效率。在原设计运行模式下运行，核级阳树脂磺酸基团降解脱落最后转化生成硫酸根，增加了阴床的工作负担，造成核级阴树脂使用寿命的缩短约1/3，引起放射性固体废物量增多。

3.2 降低除碱床使用损耗

机组功率运行期间，一回路冷却剂中的硼酸和总碱金属离子要保证在二者协调曲线的A区域内(见图5)。

图5 主回路硼酸-总碱金属协调曲线Fig.5 Total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium) in the primary coolant depending on current concentration of boric acid

机组功率运行期间，由于核反应10B(n，α)7Li引起7Li离子在主回路中累积，同时由于加氨维持溶氢，KBE10AT001中的钾离子不断被洗脱出来，导致总碱金属离子逐渐向协调曲线的A区上限移动。为避免总碱金属的偏离，需要投运除碱系统KBE50AT001或KBB10AT￣001进行控制。

减少除碱系统KBB10AT001和KBE50AT￣001的使用损耗，延长使用寿命，目前主要采取以下3方面的措施：

(1)寿期初氨钾饱和时减少KOH的加入量

氨钾饱和时加入的KOH，大部分被KBE￣10AT001阳床吸附，在机组功率运行期间又被洗脱出来进入系统。因此，减少氨钾饱和时KOH的加入量，可以从源头上降低除碱系统的使用频率。根据多年来的运行经验和分析计算结果，启机初期由于主回路溶氢的限制氨浓度最高只能控制在10 mg/L左右，相应加入的KOH需要77 kg，将KOH的加入量实现最优化。

(2)采用了一回路连续加氨方式，并实现了加氨的量化控制

相较于国外VVER机组采取的非连续加氨模式，寿期内一回路总碱金属波动较小，避免了因一回路加氨过多而导致钾离子被洗脱出来频繁投运除碱系统的情况。如图6所示。

图6 加氨量化控制后一回路硼酸-总碱运行曲线Fig.6 Total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium) in the primary coolant to corresponding concentration of boric acid after quantitative control

(3)采用寿期末降低氨浓度的运行方式

机组功率运行期间，冷却剂中的碱金属离子和铵离子存在以下的平衡：

当一回路中氨含量降低时，KBE10AT001将更多的碱金属离子保留在阳床中而不是被洗脱出来进入冷却剂，并最终转移到除碱系统KBB10￣AT001或者KBE50AT001中。

在采取寿期末降低溶氢方式运行之后，主回路氨浓度降低，每个寿期KBB10AT001和KBE50AT001可节省交换容量300 mol以上，延长了除碱系统的使用寿命。

3.3 优化除碱床使用选择

KBE50AT001装填了0.9 m3核级阳树脂，工作交换容量为1 890 mol，为保证主回路水质安全，KBE50AT001的更换周期仍保持为每年一次，为提高KBE50AT001的利用率，将寿期末期需要去除的碱金属离子量，合理分配至KBE50AT001去除，相当于将KBB10AT001的交换容量扩容30%以上，延长KBB10AT001的使用周期，降低其更换频率。

3.4 推迟除硼床投运时间

KBB10AT002系统装填2.4 m3的OH-型阴树脂，交换容量为2 880 mol，用于寿期末去除主回路硼酸控制机组反应性。俄方设计是当主回路硼浓度降至0.3 g/L左右时，投运KBB10AT￣002进行除硼，在一个燃料循环结束后将核级树脂更换。自U1C6寿期起，为优化KBB10AT￣002使用，在主回路硼酸降至0.1 g/L左右时开始投运，剩余交换容量下次燃料循环继续使用， KBB10AT002使用寿命延长两倍。

4 实施效果

实施上述优化方案后，统计2号机净化系统核级树脂利用率和更换频度如图7、图8所示。核核级树脂的使用效率也都达到75%以上，较原设计方案利用率有较大提高；核级树脂的更换周期较设计更换周期也都有不同程度的延长。

图7 核级树脂利用率对比Fig.7 Comparison of utilization ratio of nuclear grade resin

图8 核级树脂使用寿命对比Fig.8 Comparison of service life of nuclear grade resin

2013-2014年相对2011-2012年，两台机组共较少核级阳树脂固体废物6.4 m3，核级阴树脂固体废物3.6 m3；2013-2014年相对2009-2010年，两台机组共节约核级阳树脂固体废物8.6 m3，核级阴树脂固体废物14.8 m3。如表5所示。

表5 树脂消耗量对比

5 结论

本研究根据运行特点，将原设计中FAL、KBB、KBF固定更换周期优化为失效后更换的动态更换周期；将FAL两阳床一阴床的传统单一运行模式优化为根据净化需求可采用一阳床一阴床或单阴床运行的多种运行模式，减少了阳树脂的装填量和运行时间。在水化学控制方面，通过氨钾饱和时优化加钾量和提前合理使用KBE50AT001，降低了除碱床KBB10AT001的负担延长了运行寿命；寿期末除硼时增加换水周期延长了除硼床KBB10AT002投运周期。通过这些优化措施，提高了核级树脂的使用寿命，减少了核电厂放射性固体废物量的生成量。