长燃料循环一回路水质跟踪与探讨

2022-03-18李洪亮雷水雄蒲代伟

科技视界 2022年5期

李洪亮雷水雄蒲代伟

（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

0 引言

国内大部分压水堆核电厂都已实施或即将实施18个月换料的长周期换料模式。

本文围绕核电厂长燃料循环管理后，一回路水化学中硼、锂等参数的改变，引起的冷却剂水化学环境变化对电厂运行产生的不利影响及该如何采用化学手段消除影响展开分析。通过大量样品数据的比对、分析，为长燃料循环后核电厂一回路水化学研究、优化提供评价及参考。

1 长燃料循环后一回路水化学环境

一回路水化学指标不仅是维持电厂可靠运行的重要参数之一，也是衡量压水堆运行状态的重要指标。因核电厂燃料循环周期延长，为控制反应性，要求电厂在运行初期阶段有更高的硼浓度，而高硼浓度会导致冷却剂偏酸性，会引发一回路结构材料的腐蚀。也会使得冷却剂内活化腐蚀产物迁移，导致一回路辐射场增强。

长燃料循环后堆芯冷却剂水化学参数的改变，会对机组运行产生什么影响，如何通过化学干预手段消除不利因素，发挥核电厂一回路水化学控制作用？将通过以下两个方面延伸、探讨：提升硼浓度；提高锂浓度。

2 硼浓度提升

至今为止，采用硼酸进行化学补偿控制，仍然是压水堆反应性控制的一个重要手段。由于长循环燃料富集度提高、燃耗加深，为满足反应性控制的需求，所以在长燃料周期期初需要提升硼酸浓度。

2.1 硼酸控制反应性

堆芯内硼有两种稳定同位素，即10B和11B，天然丰度分别为19.8%和80.2%。由于10B的中子吸收截面（3837靶）远高于11B的中子吸收截面（0.005靶），因此反应堆的反应性控制以10B为主。

在冷却剂中10B因吸收中子发生反应而不断地被消耗。10B作为反应性控制的主要手段，随着机组运行冷却剂中的10B丰度逐渐降低。经过对秦山基地某运行机组一个长燃料循环周期内冷却剂中10B的监测，首次得到了长燃料循环冷却剂中10B丰度变化趋势，也为机组燃料可靠性的计算提供了数据支持。

2.2 影响10B丰度的主要因素

通过一个长燃料循环周期10B丰度数据的整理、分析，结合机组运行功况变化，总结出10B丰度变化的规律，并归纳出影响10B丰度的主要因素。

2.2.1 堆芯燃耗

堆芯燃耗是10B丰度减小的主要因素。在机组运行过程中，10B作为中子吸收剂，与中子发生反应，保持堆芯处于稳定的功率运行状态。而随着堆芯燃耗的加深，冷却剂中10B丰度逐渐减小[1]。

2.2.2 硼回收

压水堆核电站的硼大部分是回收的，所以随着反应堆运行年限的增加，系统中10B的消耗会不断积累，导致各种硼酸箱及一回路中的10B实际丰度低于天然丰度。因此使用回收硼也是导致机组长燃料循环运行期间，一回路10B丰度逐渐降低的一个因素。

2.2.3 硼化操作

假设机组降功率调门试验、停机小修启停等工况中对一回路硼化操作，所有注入一回路硼的丰度都按自然硼的丰度进行计算，那所有的硼化操作都会使一回路10B的丰度升高。但通过硼化操作变化相同的硼浓度，寿期末比寿期初的10B丰度变化大得多。主要是因为寿期末冷却剂中的10B丰度比寿期初的低，影响更大。

综上所述，通过数据的积累，掌握了冷却剂中10B丰度的变化规律和干预10B丰度的化学控制手段，消除了长燃料循环对于机组安全的不利影响。若寿期运行中发现冷却剂中10B丰度变化趋势，将会影响到反应性控制，则可以在一回路冷却剂稀释液中，使用天然丰度的硼酸修正冷却剂中的10B丰度，以保证堆芯反应性控制的需求，确保机组安全、稳定运行。

3 锂浓度提升

硼、锂协调是化学控制堆芯冷却剂pH值的主要手段，长燃料循环初期阶段高硼浓度会导致冷却剂偏酸性。由于堆芯构件等设备的防腐和控制腐蚀产物活化需求，在长燃料周期初就要提升碱化剂氢氧化锂的浓度，以维持冷却剂合理的pH值，从而减缓堆芯结构材料的腐蚀、减少腐蚀产物的活化和迁移，并降低一回路放射性环境强度。

3.1 冷却剂p H值控制

机组功率运行情况下，堆芯冷却剂的pH300℃值，主要取决于反应堆冷却剂内的硼酸和氢氧化锂相对浓度。进入长循环燃料管理后，由于寿期初反应堆冷却剂中的硼浓度高，降低了原设计中反应堆冷却剂的pH300℃值。

长燃料循环寿期初将硼浓度提高到1 900 mg/kg，仍按照原有的B-Li协调控制，控制锂浓度为3.0mg/kg，不能到达国际上使用的推荐值——pH300℃值在6.90~7.20[2]。

长燃料循环后，为了提高冷却剂的pH300℃值，同时考虑高锂浓度运行对燃料包壳锆合金的腐蚀风险，须适当提高一回路碱化剂氢氧化锂浓度。将寿期初的锂浓度提高至3.5 mg/kg，并采用分段式硼-锂协调曲线协调控制冷却剂pH300℃值。优化后的B-Li协调控制曲线，如图1所示：

（1）寿期初的锂浓度维持在3.5 mg/kg，直到pH300℃达到7.0。

（2）通过减少锂浓度维持pH300℃＝7.0。

（3）锂浓度维持在2.2 mg/kg直到pH300℃达到最佳值7.2。

（4）通过减少锂浓度维持pH300℃＝7.2。

这样的分段式控制方式既可以保证机组在临界后，又可以达到防腐最优pH300℃值范围。

当主系统Li浓度低于协调曲线下限时，通过REA006BA向冷却剂中添加氢氧化锂；若主系统锂浓度超出协调曲线上限，投RCV003DE，除去过量的Li，使主系统Li浓度满足B-Li协调曲线要求（见图1），从而实现冷却剂pH300℃值的精准控制，降低系统设备腐蚀风险，减少结构材料的腐蚀及腐蚀产物迁移和沉积。

图1 长燃料循环优化后B-Li协调控制pH值曲线

3.2 冷却剂放射性环境

机组功率运行情况下，对冷却剂中腐蚀产物的产生量进行跟踪，一方面监督燃料包壳的完整性；另一方面，其也是评价硼、锂协调控制堆芯防腐水平的重要指标。

一回路中主要结构材料为奥氏体不锈钢、镍基合金、与冷却剂接触的材料、含钴合金，以及含锑和含银的各种材料。由于这些构件及材料的腐蚀及腐蚀产物的活化，使60Co、58Co和110mAg等成为一回路的主要核素。尤其是传热管材料中58Ni活化产生的58Co一直是电站的关键核素，一直备受关注。

为掌握长燃料循环B-Li协调pH300℃值曲线优化，对一回路放射性环境产生的影响，化学人员对冷却剂的放射性参数进行了有目的性的、长时间的跟踪与分析。参比运行机组不同燃料循环中58Co数据，从而为判断长燃料循环后冷却剂放射性环境变化提供数据支持。

根据不同燃料循环，从冷却剂中58Co的监测数据趋势（见图2）可以看出，从混合堆芯过度到长燃料循环管理，采用优化的B-Li协调控制后，反应堆冷却剂中腐蚀活化产物58Co的含量没有增加，而且还有减少的趋势。这表明，采用优化的B-Li协调pH300℃控制，可以保证良好的水化学品质，有效地起到抑制结构材料的腐蚀、迁移和沉积，降低冷却剂辐射强度，并尽可能地降低一回路系统的腐蚀速率。放射性腐蚀产物量的减少，减轻了净化系统压力，延长了净化床的使用周期；减少了放射性树脂的使用和固化，减轻了放射性废物处理系统运行压力，并节省了放废物质处理费用。