核电厂大修期间一回路冷却剂中放射性指标监测与控制

卢 盖1，高 倩

(1.海南核电有限公司，海南 昌江，572733；2.南昌凯利核技术工程开发服务有限公司海口分公司，海南 海口，572733)

核电厂正常功率运行期间，一回路温度、压力稳定，其冷却剂中裂变产物、活化腐蚀产物通常处于稳定状态。但从机组降功率至卸料结束，一回路管道设备和乏燃料元件所处的温度、压力及水化学环境都发生一系列改变，一回路及相关辅助系统冷却剂中裂变产物、活化腐蚀产物比活度也随之变化。图1为机组从降功率至卸料结束所经历主要节点。由于燃料包壳完整性需通过一回路冷却剂中裂变产物比活度监测，而活化腐蚀产物比活度决定了大修各节点能否顺利进行。因此，掌握大修各阶段一回路及相关辅助系统冷却剂中裂变产物、活化腐蚀产物比活度变化规律，对于监督燃料元件安全和确保大修工作的顺利进行至关重要。

1 存在小缺陷燃料元件的氙和碘时释放规律

一回路冷却剂中放射性氙和碘是监督燃料元件完整性的关键指标。燃料元件无异常时，无论机组处于稳定功率运行或升、降功率状态，一回路冷却剂中氙和碘都处于较低水平，通常为133Xe<370 MBq/t、131I<37 MBq/t、133I<37 MBq/t[1]。

燃料元件存在缺陷时，可通过氙和碘在机组升降功率期间的变化规律，推断出燃料元件缺陷情况。海南核电2号机组首循环中有燃料元件存在小缺陷，201大修机组降功率至冷停堆过程中，133Xe、131I和133I比活度变化趋势见如图2所示。由图可见，从降功率开始至双相中间停堆(一回路压力15.5 MPa→2.5 MPa)，一回路冷却剂中133Xe比活度呈明显下降趋势；而131I和133I比活度略有降低。当一回路冷却剂压力低于2.5 MPa，冷却剂中133Xe比活度略有上涨后便逐渐降低，而131I和133I比活度出现大幅上涨。

由此推测，功率运行期间，燃料元件内133Xe向冷却剂中的迁移速率高于131I和133I，因此冷却剂中而133Xe比活度比131I和133I高，但131I和133I在缺陷燃料元件内积累量大于133Xe。降功率期间，燃料元件内氙和碘的产生量逐渐减少，氙和碘向一回路冷却剂中迁移量也逐渐降低。当冷却剂压力低于2.5 MPa时，燃料元件内部压力低于一回路，冷却剂从缺陷处进入燃料包壳内，将燃料包壳内积累的碘和氙溶解带出，由于存在缺陷的燃料元件内碘和氙的积累量不同，因此冷却剂中131I和133I比活度大幅上涨，而133Xe上涨幅度较小。

2 一回路中活化腐蚀产物的释放

核电厂一回路结构材料腐蚀产物经堆芯活化后，形成的活化产物主要包括58Co、60Co、59Fe、51Cr、54Mn等。功率运行期间，一回路冷却剂的pH、氧化还原环境和净化流量稳定，结构材料的腐蚀、释放、活化、净化过程形成动态平衡，冷却剂中活化腐蚀产物比活度较稳定。

机组从降功率至氧化运行，通过降低一回路冷却剂的pH和将冷却剂的还原性环境转换为氧化性环境两种方式，促使活化腐蚀产物在大修前集中释放，并通过大流量净化去除，以降低大修期间的环境剂量水平。以海南核电201大修为例，一回路冷却剂中活化腐蚀产物58Co、54Mn比活度随冷却剂pH和氧化还原环境的变化趋势见图3。

2.1 一回路冷却剂pH值降低

降功率期间，通过如下两种方式可使一回路冷却剂pH降低。

1)从降功率至冷停堆，一回路冷却剂经过4次硼化，硼浓度升高使冷却剂pH值降低、活化腐蚀产物释放速率增加。如图3可见，硼浓度每次升高都导致冷却剂中58Co、54Mn比活度增加。

2)一回路冷却剂每次硼化都使pH调节剂(氢氧化锂)浓度降低。另外，当机组达热停堆状态时，投用化学和容积控制系统(RCV)除锂床持续除锂。锂浓度降低使一回路冷却剂pH进一步降低。

2.2 一回路冷却剂由还原性向氧化性环境改变

功率运行期间，通过RCV002BA(容控箱)对一回路冷却剂进行氢气覆盖，使溶解氢浓度控制在30～50 mL/kg(STP)，溶解氢存在使冷却剂处于还原性环境。大修期间，通过如下两种方式使一回路冷却剂向氧化性环境转变。

1)降功率前，对RCV002BA(容控箱)进行氮气扫气，使溶解氢浓度逐渐降低。氧化运行前，使溶解氢浓度<3 mL/kg，并将RCV002BA转变为空气覆盖，促使冷却剂逐渐向氧化性环境转变。

2)氧化运行期间，向一回路冷却剂中加入双氧水，使一回路冷却剂溶解氧浓度>1 mg/kg。强氧化作用使沉积在一回路结构材料上的活化腐蚀产物集中释放。通常在一回路加入双氧水1 h内，冷却剂中各活化腐蚀产物和总γ比活度会出现峰值。

图3 201大修58Co、54Mn比活度随pH和氧化还原环境的变化趋势Fig.3 The variation trend of specific activity of 58Co and 54Mnwith pH value and REDOX environment of 201 overhaul

3 一回路冷却剂中活化腐蚀产物的净化

一回路冷却剂中各活化腐蚀产物比活度出现峰值后，主泵运行是活化腐蚀产物除去的关键因素，冷却剂长时间大流量扰动，可确保活化结构材料表面腐蚀产物充分释放。另外，由于活化腐蚀产物只能通过RCV树脂床除去，所以活化腐蚀产物的净化速率由树脂床的净化流量和效率决定。但氧化运行前RCV除盐床通常跟换新树脂，除盐效率大于95%以上。综合考虑，一回路冷却剂中活化腐蚀产物净化效果基本取决于主泵停运指标和RCV净化流量。

3.1 主泵停运指标对净化效果的影响

氧化运行期间，主泵为一回路冷却剂的净化提供压头，主泵流量为2.4×104t/h，其流量大，扰动效果好。主泵停运后，由余热排出泵提供压头，流量为640 t/h，由于其流量远小于主泵流量，溶解在冷却剂中的活化腐蚀会产物会重新沉积至设备表面，导致大修期间环境剂量升高。

海南核电氧化运行期间主泵停运指标见表1，在燃料包壳未出现缺陷情况下，冷却剂中133Xe、131I比活度远低于限值，主泵停运条件基本由58Co和总γ比活度决定。以海南核电101、102、201三次大修为例，三次大修主泵停运指标及主泵停运后核岛主要设备周围环境剂量率见表2。由表2可见，主泵停运时一回路冷却剂58Co和总γ比活度越高，各主要设备周围环境剂量率也越高。因此，若主泵停运是非主线工作，建议主泵运行时间竟可能长，确保58Co和总γ比活度尽可能低。

表1 氧化运行期间主泵停运指标

表2 101、102、201大修主泵停运指标及主要设备周围环境剂量率的关系

3.2 RCV净化流量对净化速率的影响

一回路冷却剂中活化腐蚀产物只能通过RCV系统过滤器和混树脂床除去，当一回路冷却剂中58Co和总γ比活度峰值确定后，RCV净化流量的大小决定了冷却剂满足主泵停运条件的快慢。

以海南核电102和201大修为例，由于两次大修期间，从一回路冷却剂58Co和总γ比活度出现峰值至冷却剂满足主泵停运期望条件期间，RCV净化流量均不稳定，以这段时间RCV净化流量的加权平均值作为等效净化流量。两次大修的冷却剂58Co和总γ比活度、RCV等效净化流量和主泵满足停运期望值所用时间见表3。由表可见，RCV等效净化流量越大，冷却剂中活化腐蚀产物的净化速率越快。

表3 102和201大修RCV等效净化流量对净化速率影响Table 3 The influence of RCV equivalent purificationflow on purification rate of the overhauls 102 and 201

4 稳压器开人孔前后放射性指标反弹现象及原因分析

氧化运行期间一回路冷却剂中活化腐蚀产物峰值出现后，在RCV树脂床的净化作用下，其比活度遵循指数函数下降趋势[2]。但在稳压器开人孔前、后阶段，一回路冷却剂活化腐蚀产物比活度会出现两次明显反弹。以海南核电101、102、201三次大修为例，58Co和总γ反弹后比活度已超出换料水池充水的限值要求(58Co<2000 MBq/t；总γ<4000 MBq/t)，具体数据见图4。因此，查明稳压器开人孔前后放射性指标反弹原因，预测反弹幅度，对于确保换料水池充水等节点顺利进行至关重要。

当双氧水注入一回路后，在主泵大流量扰动下，主管道和压力容器中的活化腐蚀产物通常在1 h内会出现峰值。但稳压器内部冷却剂(约36 m3)只能通过稳压器喷淋阀与主管道内冷却剂进行搅匀，双氧水进入稳压器内耗时较长，其内部冷却剂活化腐蚀产物峰值出现时间较主管道和压力容器也偏晚。这导致后续净化过程中，稳压器中冷却剂的活化腐蚀产物始终比主管道和压力容器偏高。主泵停运后，一回路冷却剂扰动变小，稳压器喷淋流量减小，稳压器内部活化腐蚀产物净化速度进一步减缓。

稳压器开人孔前、后阶段，一回路进行两次排水：1)稳压器开人孔前，一回路液位由+24.9 m排至+22.1 m，稳压器内约8.4 m3冷却剂注入主管道和压力容器中；2)开人孔后，一回路液位继续排至+12.8 m，稳压器内约28 m3冷却剂注入主管道和压力容器中。稳压器内高放射性冷却剂两次向主管道和压力容器注入，使稳压器开人孔前、后阶段，主管道冷却剂出现两次放射性指标反弹。

结合表2中三次大修主泵停运时58Co和总γ比活度和图3中稳压器开人孔放射性指标反弹幅度，可看出主泵停运时58Co和总γ比活度越，稳压器开人孔放射性指标反弹幅度也越大。因此，主泵停运指标的选择也决定了稳压器开人孔前、后阶段一回冷却剂放射性指标的反弹幅度。

5 卸料后乏池放射性反弹原因分析

大修前，乏池处于封闭自循环状态，其冷却剂经系统树脂床的长期净化，58Co和总γ比活度基本小于5 MBq/t。准备换料前，一回路、反应堆水池、堆内构件贮存池、燃料转运舱供水和乏池冷却剂互通，压力容器中乏燃料被完全转移至乏池后，乏池恢复封闭自循环状态。此后阶段乏池冷却剂58Co和总γ比活度会出现明显增长，并超出乏池冷却剂期望值。以海南核电201大修为例，卸料前后乏池冷却剂58Co和总γ比活度及增长趋势见图5。由于乏池冷却剂放射性指标上涨可能导致对乏燃料状态存在误判，查明放射性指标上涨原因对于监督乏燃料安全状态至关重要。

5.1 一回路冷却剂的影响

卸料前一回路冷却剂总γ和58Co比活度高于乏池，卸料期间一回路与乏池连通，导致乏池总γ和58Co比活度升高。以海南核电201大修为例，结合一回路与乏池连通前各自冷却剂体积及冷却剂总γ和58Co比活度，一回路冷却剂导致乏池总γ和58Co比活度上涨幅度的理论计算值和实际测量值见表4。考虑卸料期间RCV系统对冷却剂的持续净化，两数值基本吻合。但结合图5乏池冷却剂最大反弹幅度可看出，一回路冷却剂的影响并非导致乏池冷却剂总γ和58Co比活度大幅上涨的主要原因。

5.2 乏燃料元件表面释放活化腐蚀产物

乏燃料被完全转移至乏池后，乏池处于封闭自循环状态。与卸料前相比，乏池除新转入的乏燃料外，乏池的水化学环境、物理扰动、净化流量均为发生改变，因此不会导致乏池相关系统设备表面活化腐蚀产物的释放。由此，可推断乏池总γ和58Co比活度上涨是由乏燃料表面释放活化腐蚀产物导致。

功率运行期间，一回路冷却剂中的活化腐蚀产物倾向于在温度较高的燃料元件表面沉积。氧化运行后，乏燃料元件表面活化腐蚀产物仍有持续轻微释放。压力容器未开大盖前，乏燃料所处一回路冷却剂容积在200 m3左右，RCV净化流量在20～27 m3/h。乏燃料被转移至乏池中，乏池水容积为1 260 m3左右，净化流量约为60 m3/h，乏池冷却剂的净化速率明显小于一回路冷却剂。另外，卸料阶段乏燃料在一回路和乏池中所处的水化学环境相同，短期内可认为其表面活化腐蚀产物释放速率基本不变，在净化流量变小情况下，乏池冷却剂活化腐蚀产物比活度会呈明显上长趋势。

对海南核电101、102和201三次大修乏池冷却剂总γ进行比较，数据见表5。可见201大修乏池冷却剂总γ的反弹幅度明显大于其他两次大修。这是因为201大修期间，乏燃料转移至乏池后，对乏燃料进行了超声检查，而101和102大修未进行此操作。超声检查加剧乏燃料表面活化腐蚀产物的溶解与释放，因此反弹也最为严重，这也进一步验证了乏池冷却剂放射性指标大幅反弹是由乏燃料表面释放活化腐蚀产物导致。

6 总 结

综合海南核电三次大修经验，有如下几点可供以后大修着重借鉴：1)降功率期间，着重关注一回路冷却剂中放射性氙和碘的变化，可判断燃料元件是否存在缺陷及缺陷类型；2)氧化运行期间，延长主泵运行时间，选择合适的主泵停运指标，即可降低大修期间核岛厂房的环境剂量率，又可降低稳压器开人孔阶段冷却剂放射性指标反弹幅度；3)增大RCV净化流量，可缩短一回路冷却剂净化至期望值所用时间；4)乏燃料转移至乏池后，需跟踪乏池放射性指标反弹情况，确保乏池处于持续净化状态。