核电厂一回路水化学辐射优化管控探讨

陈灯

(福建福清核电有限公司 福建福清 350300)

压水堆核电厂是我国核电事业发展中最主要的一类电站堆型，也是我国核电事业中的重要支柱。一回路水化学是压水堆核电厂中关键构成内容之一，确保其效用良好，能够减少工作人员所受辐射，延长放射性屏障运行时间，从而实现压水堆核电厂安全运行。目前核电厂一回路水化学管控质量提升中，工作重点主要集中在反应堆冷却剂水质控制以及溶解氧腐蚀问题的处理上，实现更有针对性的质量管控模式，以充分发挥一回路水化学的应用价值。

1 核电厂一回路水化学基本概述

压水堆核电厂中的水化学反应比较复杂，不过具体可以从反应堆放射现象及水辐射两点简要讨论。放射现象主要与反应堆中各类放射物质的存在有关，由其构成反应堆中各类射线的分布与穿透，同时这一过程中还存在着如电离作用、核转变作用以及射线激发与衰变作用等物质之间的相互作用，对水化学反应产生很多间接影响；水辐射基于冷却剂中大量氢氧自由基变换组合，因高温或电流作用而发生不稳定性化学变化，并在射线对水分子的轰击中借助辐射作用造成大量辐射自由基产物密布在冷却剂中，而且这些产物很不稳定，也无法准确测量反应[1]。这些一回路水化学的系列反应把握是实现其质量控制的基础，据此我们看出这些反应会造成很多问题，如水含氧量增加造成各类结构材料以及燃料包壳上的腐蚀或结垢问题等，甚至可能在控制不当下出现裂变产物的泄漏，造成严重危害；所以水化学反应的控制更加重要也更加复杂，不仅要解决过氧问题，还要注意所用冷却剂中的高纯性，减少各类等离子的干扰，才能保证核反应的安全进行。

2 核电厂一回路水化学优化管控策略

2.1 水化学控制一般措施

在压水堆核电厂一回路水化学控制的一般应用措施中，主要以冷却剂硼浓度调节和pH值控制为主要内容，通过这两种方法实现水化学反应的正常展开。冷却剂硼浓度调节在操作上相对复杂，需要水化学系统中控制与补给两个子系统的支持，从而完成在冷却剂中的加硼（硼化）与减硼（稀释）措施，其属于一种反应堆化学补偿式的控制模式；该调节需要是基于压水堆燃料利用中不同节点对冷却剂中硼浓度有不同要求的基本点而提出的，在水化学反应初期，随着反应堆燃耗硼浓度逐渐降低，换料或停运检修期间需对反应堆进行硼化，控制硼浓度在2100～2300或2300～2500mg/L（根据核燃料铀浓度决定），而在运行后期要结束时，需使用除硼床除硼。在pH值控制管理中，要明确其具体应用价值，即保证结构材料的耐腐蚀性，通过添加氢氧化锂进行硼-锂协调，并监测冷却剂中锂浓度的含量，根据硼-锂协调曲线，确保锂浓度处于期望值内，当锂浓度超出硼-锂协调曲线期望值时，需进行加锂和除锂操作，确保反应堆冷却剂pH处于最优状态，以此确保水化学反应中材料具备良好的耐腐蚀性，从而避免出现燃料包壳腐蚀状况，其也应作为压水堆核电厂一回路水化学管控工作中核心要点之一。

2.2 溶解氧腐蚀问题的控制

作为一种比较强烈的腐蚀性元素，氧能通过与金属反应而造成金属腐蚀，而在核电厂反应堆中，其不但腐蚀金属，还能催化其他元素对金属的腐蚀速率，而溶解氧在其中更会造成反应堆堆芯的严重损害。压水堆核电厂对于溶解氧的腐蚀问题主要采用化学平台除氧和辐射分解抑制法。化学平台除氧主要应用联氨，在反应堆中冷却剂温度到达80℃时即可在其中加入适量联氨，使之与冷却剂中的氧反应，形成氨气、氧气和水，这些反应物对于水化学系统没有危害，从而避免结构材料腐蚀问题；不过这一方法在使用时需要注意联氨的浓度，既要满足溶解氧反应需要，同时也不能使反应后最终剩余量及氨气反应产物超过1mg/kg。辐射分解抑制法主要是在主系统中添加氢而降低溶解氧的辐射反应，γ射线为主的混合射线在一回路水化学反应中的辐照会造成反应堆冷却剂中的水出现可逆辐射分解，通过在水中加氢，能够抑制该反应的发生，从而逐渐消除水中的游离氧，降低冷却剂的腐蚀性，以保证反应堆中结构材料的安全性[2]。

图1 混床离子交换器

2.3 冷却剂中的杂质控制

反应堆冷却剂中杂质，如各类悬浮颗粒物、裂变气体产物以及腐蚀产物等都会影响水化学反应的正常展开，必须要采取合理措施实现水质的有效提升。具体可以从如下三个部分探究控制措施。其一，过滤：过滤是用于去除水中悬浮颗粒物的常见方法，不过这方面的处理上，一回路水本身就已经完成如多层纤维、过滤器、交换树脂床等多次超纯过滤环节，所以主要以过滤质量的严格控制为主，并在除盐床出口处同样安装过滤器，以实现冷却剂中水质提升。其二，除离子：循环净化系统是冷却剂处理的必要环节，压水堆核电厂在其中主要使用的是混床离子交换器，如图1所以，将阳离子与阴离子两种离子交换树脂充分混合在同一个离子交换器中，能够同时进行阳、阴离子的交换，从而保证冷却剂水质更好维持，以避免燃料包壳腐蚀问题；该交换器在具体使用中要留意核燃料不同反应阶段中的过剩反应问题，再加上混合离子交换器在除硼效果上并不甚好，还要在换料末期及时应用除硼床。其三，冷却剂除脱气：冷却剂脱气也要作为水质控制的关键点之一，主要可以从化学脱气法和物理脱气法两种来看；化学脱气法主要用于特殊气体处理，在压水堆一回路应用中主要是上文所说的加联氨抑制氧分解；物理脱气法以热力和真空作为应用思路，多适用于惰性气体的脱气处理，相对局限较大[3]。上述三种方法多需联合应用，才能有效保证反应堆冷却剂中杂质的有效清除，使一回路水化学顺利展开。

3 结语

总之，压水堆核电厂一回路水化学辐射的优化管控中务必要从反应堆冷却液杂质处理及水化学一般控制入手，加强对水化学反应整体过程的管理与控制，此外，具体应用中还可参考一些新的控制方法，比如冷却剂中添加氮元素等降低材料腐蚀率，也能保证pH值更稳定控制，以减少对水化学反应干扰等，以工艺的不断优化为核电厂工作提供更多助力。