三种类型压水堆核电厂化容系统对比分析

2021-03-10张博

科技创新导报 2021年25期

张博

摘要：本文选取主流的CPR1000、WWER-1000和AP1000三类百万千瓦级压水堆核电厂的化容系统，对其在执行容积、化学和反应性方面的控制模式进行分类说明，寻找各自在化学添加、设备布置、可靠性设计等方面的特点。通过比较分析，展现出各类化容系统的优势和不足之处，突出展现AP1000化容系统基于非能动和“做减法”的设计理念。最后，借鉴其他化容系统，给出了CVS系统的改进意见。

关键词：核电厂 AP1000 化容系统化学控制容积控制

Abstract： In this paper， it selects three types of chemical and volume control systems on mainstream PWR nuclear power plants including CPR1000， WWER-1000 and AP1000. Firstly it describes the control modes of these systems in the volume， chemical and reactivity controls. Then， it finds out their own characteristics in chemical adding， equipment layout and reliability design. Through comparative analysis， it shows the advantages and disadvantages of various chemical and volume systems， and highlights the design concept of AP1000 chemical and volume system based on passive and "subtraction". Finally， based on other chemical and volume systems， the improvement suggestions of CVS system are given.

Key Words： Nuclear power plant; AP1000; Chemical and volume control system; Chemical control; Volume control

现阶段我国主流百万千瓦级压水堆核电涵盖了CPR1000、WWER-1000和AP1000等堆型。各堆型在系统设计上相似性和差异性并存。化学和容积控制系统，作为核电厂一回路重要辅助系统，就是这方面的典型。本文选取CPR1000的RCV系统、WWER-1000的KBA系统、AP1000的CVS系统进行介绍，阐述共性，梳理特点，为提高核电厂化容系统运行水平提供参考。

1.系统描述和特点

1.1 RCV系统

RCV系统由下泄回路、净化回路、上充回路、轴封水及过剩下泄五部分组成。还有一条低压下泄管线和一条除硼管线。执行化学、容积和反应性控制，以及主泵密封水注入、辅助喷淋、过剩下泄、一回路充排水和水压试验、低压下泄和净化等功能[1]。系统特点：（1）设有容积控制箱作为一回路容积缓冲。超出缓冲能力时，由反应堆硼和水补给系统供水，通过上充泵给一回路补水，并通过连接管线将水排向硼回收系统，稳定稳压器水位在程控水位。（2）过剩下泄管线在正常下泄流道不能运行或主系统建立汽腔需要增大主系统排水的情况下，提供备用下泄流道。（3）pH控制采用纯度为99.9%的7Li型氢氧化锂。在机组启动时向一回路冷却剂注入联氨除氧。正常运行时向容控箱充入氢气来维持水中氢浓度，以抑制水辐照分解生成氧[2]。（4）RCV系统属于低压系统，必须通过两次降压将下泄流压力从15.5MPa降至0.2—0.5MPa。为避免汽化，在降压前要进行冷却，这就需要对下泄流两次降温降压。（5）RCV为主泵提供经冷却和过滤的、压力高于一回路的轴密封水，既抑制了一回路水沿轴向外的泄漏，又润滑、冷却了轴封，防止轴封损坏，因此要求上充泵持续运行。（6）RCV系统具有3台上充泵，正常运行时一台运行，一台备用，一台处于解列状态。设有双机组间上充互补管线。在LOCA事故中，RCV上充泵作为高压安注泵运行。

1.2 KBA系统

KBA系统接受1、4号环路的冷却剂下泄流，并将上充流打入1、2、3、4号环路。与JNK、KBC、KBB、KBE等系统共同执行一回路容积和化学控制、除气和硼浓度调节、水压试验、主泵密封水注入、辅助喷淋、中压安注箱充水及水质调节等功能。

与欧美堆型化容系统相比，KBA在化学控制、净化方式上具有不同之处，包括：（1）KBA下泄流在调节阀和节流孔板处降压，采用两级冷却器冷却。还设计有应急下泄冷却器，在正常下泄管线破裂或设备故障时冷却下泄流。（2）一回路下泄流的净化可由KBE和KBB系统内的除盐床提供。正常运行时由KBE净化，使用高压树脂床（一台阳床、一台阴床和一台混床）。KBB树脂床属于低压树脂床（一台阳床、一台阴床），在去除碱金属和寿期末除硼时使用。（3）机组启动时KBA向一回路添加联氨除氧。正常运行时在一回路中添加氨水，通过氨水辐照分解产生氢控制冷却剂中的氢浓度。pH控制采用KOH。向冷却剂中添加氨离子和钾离子的好处是对pH控制具有缓冲功能。一回路净化系统中的阳树脂是NH4-K型离子交换树脂，正常功率运行时会进行氨钾饱和。pH缓冲会自动进行：当冷却剂中总碱金属偏高时，由于K离子为强碱，意味着此时pH偏高。冷却剂通过KBE阳床时，会破坏NH4-K平衡，把NH4离子洗出来，而NH4离子为弱碱，会使pH下降;同理，当冷却剂中NH4离子含量偏高，此时pH偏低，冷却剂通过KBE阳床，会把K离子洗出来，使pH提高。同时，还可人为改变冷却剂中的氨浓度，破坏离子床中的NH4-K平衡调节pH。再配合未经氨钾饱和的KBE混床和KBB阳床除钾离子的功能，实现全阶段对碱金属水平和pH的良好控制。（4）KBA系統整合了除气功能。设有一台热力式除气器接收一回路排水和主泵轴封组件冷却回路疏水并除去其中的氢气、氧气及放射性惰性气体。除气器分离出的不凝性气体进入废气处理系统。（5）KBA无容积控制箱，除气器兼具容积控制箱功能，会根据水位信号充水或疏水，并为上充泵供水提供入口压头。在一回路水压试验时还可提供试验水源。（6）KBA冗余度高的特点还体现在泵体配备上。系统有5台上充泵和1台液压试验泵，上充泵又分为3台小流量上充泵和2台大流量上充泵。小流量上充泵是在一回路密封性水压试验和中压安注箱水压试验时提供压头;在小流量调硼工况下向一回路输送硼酸溶液或者纯水;补偿一回路可控和不可控泄漏维持稳压器液位;根据事故信号向主泵独立回路实施应急喷淋保证主泵下部径向轴承的冷却。大流量上充泵是在启动加热工况和停堆冷却工况下保证一回路冷却剂的除气;在大流量调硼工况下保证向一回路输送硼酸溶液或者纯水;补偿一回路可控和不可控泄漏维持稳压器液位。水压试验泵可执行一回路强度水压试验（24.5MPa）以及中压安注箱充氮气后的补水和水质调节。

1.3 CVS系统

AP1000的化容系统（CVS）按照功能划分，可分为净化、补水、下泄、树脂充排、锌和氢气注入以及辅助喷淋子系统。正常运行时，从反应堆冷却剂系统1号蒸汽发生器的主泵1B出口引出下泄流体，通过CVS系统再生热交换器和下泄热交换器降温，经除盐床净化过滤后，返回主泵1B吸入口;也可让一部分净化后的冷却剂经过降压，排入液体放射性废液系统。补水经上充泵升压返回主泵吸入口。

CVS是AP1000“做减法”设计的典型例子，主要特点有：（1）由于采用无轴封全屏蔽式主泵，取消了主泵轴封水管线，CVS系统不需保持连续上充和下泄流。（2）上充泵不用作高压安注泵。在正常运行期间，根据稳压器液位信号间断启动补偿一回路的正常泄漏[3]。取消硼酸补给泵和除盐水输送泵，采用三通阀将硼酸和除盐水混合配出目标硼浓度的硼酸溶液[4]。（3）主泵压头作为净化流的驱动力，采用高压树脂床，实现壳内高压净化，无需上充泵参与。只需对下泄流降温而不用降压。（4）向一回路添加醋酸锌以减少腐蚀，减少放射性剂量。运行期间使用锌离子置换氧化膜中的钴离子，使其跟随冷却剂流动，一部分进入下泄流在CVS里被除盐床去除。（5）负荷跟踪期间，功率调节和氙毒变化引起的反应性补偿均由控制棒完成。负荷跟踪运行不需要调节硼浓度，降低了下泄流量。取消硼回收系统。在寿期末投入阳床除硼，避免由于稀释产生大量废液。通过控制冷却剂中氢含量来抑制氧含量。采用高压加氢，直接将17.24MPa的氢气注入一回路，无容控箱[5]。

2对比分析

2.1系统特点对比

三类压水堆化容系统特点对比如表1所示。

2.2 AP1000 CVS系統的改进

借鉴其他堆型化容系统，CVS系统可有以下改进方向。

（1）CPR1000为RCV系统提供了机组间上充互补管线，为上充泵增加额外补水源。可考虑给CVS上充泵入口添加管线和盲板，在事故时提供额外的厂外水源充注一回路。

（2）AP1000取消了硼回收系统，下泄流直接排向废液系统，经过滤、监测后排放[6]。虽然负荷跟踪不调硼，减少废液量，但在电厂寿期内日积月累的硼酸流失量依然十分可观。可建立各机组共用的硼回收设施，从一回路废液回收硼酸，提高经济性。

3结语

核电化容系统不断发展，以上三类百万千瓦级压水堆化容系统均能保证各自机组安全运行。不同堆型的化容系统，可在保持各堆型设计理念的同时，相互借鉴，取长补短，持续优化。

参考文献

[1]范柄辰.压水堆核电站一回路主要活化腐蚀产物及水化学控制措施[J].中国核电，2020，13（3）：356-362，370.

[2]陈灯.核电厂一回路水化学辐射优化管控探讨[J].科技创新导报，2020，17（14）：39，41.