压水堆核电厂新机组蒸汽发生器隐藏盐返回研究

2020-11-30宋利君田朝晖

核科学与工程 2020年5期

邹伟，宋利君，文杰，孙云，田朝晖

(中广核苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215000)

蒸汽发生器(SG)是连接压水堆(PWR)核电厂一、二回路的热交换设备，SG将一回路冷却剂中的热量传给二回路给水，使其产生饱和蒸汽，供给二回路动力装置。同时，SG在一、二回路之间构成第二道放射性防护屏障，防止一回路具有放射性的冷却剂污染二回路设备。因此，SG是压水堆核电站最重要的设备之一。

在机组正常运行期间，杂质离子(Ca2+、SO42-、Cl-、Na+、Mg2+等)会通过给水进入SG。在SG中，高度沸腾会引起局部蒸汽覆盖，进而导致杂质离子的溶解度在局部降低，以沉淀物的形式在传热管表面或缝隙区域浓缩，这种现象被称为“杂质隐藏”。在机组降功率或降温期间，蒸汽覆盖程度减小，部分隐藏的杂质离子重新溶解返回到主体水中，这种现象被称为“隐藏盐返回”。[1-5]尽管通过给水引入到SG中的杂质离子含量水平很低，由于SG主体设备特性及二次侧高温、高压条件，杂质离子在局部区域易发生高倍率浓缩。高倍率浓缩的杂质易形成局部有害环境，增大换热管晶间腐蚀、应力腐蚀风险，加速SG材料腐蚀，影响其寿命，给核电厂的安全、经济运行带来极大挑战。[6-8]若对缝隙区域水化学情况进行了解，并加以控制，可以降低SG材料腐蚀的风险。然而，目前在功率运行期间无法对缝隙化学情况进行直接监测，只能采用间接方法推断SG缝隙环境的化学条件。

美国电力研究院(EPRI)采用摩尔比控制(MRC)作为控制二回路水化学的方法。[9]MRC通过维持排污中阴离子和阳离子的比值恒定，控制SG缝隙环境的pH，在此基础上建立了隐藏盐评估方法。隐藏盐数据评估旨在理解主体水化学和缝隙水化学二者之间的关系，是MRC的关键部分，关系到MRC用于控制缝隙离子平衡的有效性。[10-13]

1 实验方法

根据SG二次侧质量平衡，即机组停机期间SG入口处与出口处的物质总量相等，建立隐藏盐返回模型。隐藏盐返回量(R)用以下等式表示：

R=(MSGCSG)t2-(MSGCSG)t1-WFWCFWΔt+WSCSΔt+WBDCBDΔt

式中：SG——蒸汽发生器；

C——杂质浓度，mg/kg；

M——SG介质质量，kg；

W——流量，kg/h；

FW——给水；

S——蒸汽；

BD——排污水；

t——时间，h。

国内某A、B、C三台同类型新机组核电站在停机期间总共进行了四次隐藏盐试验，分别命名为A1、A2、B1、C1。

2 结果与讨论

2.1 隐藏盐返回情况评估

隐藏盐实验过程分为降功率、热停平台、降温和170 ℃平台四个阶段，如图1所示。四次实验的持续时间均超过40 h，且随各个机组停堆计划的具体安排有所差异。其中，A1、A2两次实验分别进行了46 h和40 h；B1、C1两次实验分别进行了40 h和60 h。四次实验中，降功率时间均约7 h，且都存在170 ℃的平台阶段。A1、A2、B1三次实验的170 ℃平台期较短，C1实验的平台期较长，约为30 h。

图1 三台同类型新机组在4次隐藏盐实验中一回路冷却剂系统(RCP)冷端温度，功率，蒸汽发生器排污系统(APG)流量监测图Fig.1 RCP temperature,Power,APG flux of three PWR nuclear power plants during 4 hideout return experiments

图1 三台同类型新机组在4次隐藏盐实验中一回路冷却剂系统(RCP)冷端温度、功率、蒸汽发生器排污系统(APG)流量监测图(续)Fig.1 RCP temperature、Power、APG flux of three PWR nuclear power plants during 4 hideout return experiments

图2 三台同类型新机组在4次隐藏盐实验中单价离子的返回量随实验时间的变化趋势Fig.2 The return amount of monovalent ions of three PWR nuclear power plants during 4 hideout return experiments

图3 三台同类型新机组在4次隐藏盐实验中多价离子的返回量随实验时间的变化趋势Fig.3 The return amount of multivalent ions of three PWR nuclear power plants during 4 hideout return experiments

2.2 SG局部化学环境酸碱性判断

本研究采用ALC(Free Concentrable Alkalinity)指标表征SG隐藏盐整体所形成的化学环境；用MRI(Molar Ratio Indicator)指标评价缝隙中可溶离子之间关系，进而衡量SG缝隙区域的化学环境，为后续燃料循环建立新的摩尔比、优化MRC控制程序提供依据。其中，ALC计算方式为：ALC=∑阳离子—∑阴离子，单位为：g钠/SG；MRI计算方式为：MRI=([Na]+[K])/([Cl]+[Excess SO4])，其中[Excess SO4]是硫酸根离子与钙离子返回量之差。MRIcrevice是缝隙MRI值，由缝隙处K+、Cl-、Na+、Excess SO42-返回量计算，无单位。MRIOverall max由K+、Cl-、Na+、Excess SO42-最大返回量计算，无单位。

对于立式SG，杂质浓缩的区域主要包括管束上部沉积物和可能存在的干区、表面沉积物、支撑板缝隙区域和淤渣堆处。[14]在传热管表面及沉积物底部杂质浓缩倍率为102～103，在流动受限区域杂质的浓缩倍率高达104～106。[9]ALC计算方式为阳离子减去阴离子当量，若ALC和MRI大于1，说明缝隙环境呈碱性，阳离子释放量较多，有利于保持SG的抗腐蚀能力，延长使用寿命。表1是四次隐藏盐实验数据评估的ALC和MRI计算结果。根据表1中ALC和MRI的计算结果可知，四次隐藏盐试验数据计算的SG缝隙化学环境呈碱性。

表1 四次隐藏盐实验中的ALC及MRI数值

以隐藏盐评估得到的缝隙区域杂质离子返回量为输入值，对SG局部缝隙区域的pH(T)进行评估，得到运行温度下(284 ℃)、不同浓缩倍率下的SG局部缝隙区域的pH。浓缩pH(T)可以与ALC、MRI指标共同判断隐藏盐形成的化学环境。图4所示为三台同类型新机组在四次实验中，10～107浓缩倍率范围下计算得到的中性pH与缝隙处的pH。从图中可以看出，四次实验中中性pH随浓缩倍率上升有缓慢下降的趋势，而缝隙处pH都表现出先升高后降低的趋势。与不同浓缩倍率下的中性pH相比，四次实验中机组的缝隙pH都呈相对碱性环境。在偏碱性的环境中，SG组件有利于保持更好的防腐蚀性能[13](中性pH指当前温度、压力、浓缩倍率下溶液呈中性时的pH数值，缝隙pH指利用隐藏盐返回实验结果计算得到的当前离子环境、温度、压力、浓缩倍率下的溶液pH数值)。

图4 通过计算得到三台同类型新机组在4次隐藏盐实验中高温下不同浓缩倍率(CF)时，中性pH及缝隙处pHFig.4 Calculated neutral pH and crevice pHversus log (concentration factor value) of three PWR nuclear power plants during 4 hideout return experiments

图4 通过计算得到三台同类型新机组在4次隐藏盐实验中高温下不同浓缩倍率(CF)时，中性pH及缝隙处pH(续)Fig.4 Calculated neutral pH and crevice pHversus log (concentration factor value) of three PWR nuclear power plants during 4 hideout return experiments