堆芯功率变化对燃料包壳表面污垢沉积行为的影响研究

2022-08-17廖家鹏金德升商超皓胡友森

核技术 2022年8期

廖家鹏叶杰金德升商超皓胡友森

（中广核研究院有限公司深圳518000）

压水堆（Pressurized Water Reactor，PWR）一回路压力边界材料，如蒸汽发生器传热管用镍基合金、主管道用奥氏体不锈钢等，与冷却剂直接接触，在苛刻的服役环境下，压力边界材料将发生腐蚀，并将部分腐蚀产物释放到冷却剂中，一回路腐蚀产物主要由含Ni、Fe、Cr 等的离子态和颗粒态物质组成［1-2］。在一回路冷却剂循环过程中，腐蚀产物迁移至一回路各区域，流经堆芯的腐蚀产物在堆芯过冷泡核沸腾（Sub-cooled Nucleate Boiling，SNB）的作用下在燃料包壳表面沉积，形成燃料污垢，燃料污垢的主要成分为NiFe2O4、Fe2O3、NiO 和Ni［3-4］。研究表明［5-9］：燃料包壳表面污垢的沉积达到一定程度将可能导致轴向功率偏移（Crud Induced Power Shift，CIPS）、垢致局部腐蚀（Crud Induced Localized Corrosion，CILC），增加一回路源项水平等危害，影响堆芯反应性、燃料包壳完整性和一回路放射性，威胁核电站的运行安全。

为了缓解燃料包壳表面污垢沉积带来的不利影响，国内外核电站和研究机构围绕燃料包壳表面污垢沉积行为及其影响因素开展了大量研究［10-15］。研究发现，在pH 为6.9~7.4 区间，提高pH 可以降低镍基合金和不锈钢等结构材料的腐蚀释放速率，减少污垢来源［10］；采用更耐蚀的316L 不锈钢或使用690镍基合金替代600 镍基合金，能显著抑制腐蚀产物的释放［2，11］；一回路注锌能使结构材料表面生成更薄且致密的保护性氧化膜，降低一回路结构材料的腐蚀释放速率，减少一回路腐蚀产物浓度［1，12-13］；采用富集硼替代天然硼，可显著减少污垢内部硼的析出量，降低CIPS 发生风险［14］；在机组大修期间采用碱性控制策略可以减少大修期间堆芯污垢的释放，降低堆外源项水平［10］。迄今为止，燃料污垢的多数研究均针对一回路水化学状态的改变来开展，但水化学状态的改变无法对燃料包壳表面污垢的沉积产生即时性影响，在PWR机组运行期间不易实现。

在保证运行安全的前提下，为提高核电站的经济效益，核电机组均力求满功率运行。但在某些特殊情况下，比如电网负荷需求调整时，核电机组可能出现变功率运行，变功率运行的时间长短视内外部情况而定，堆芯变功率可对燃料包壳表面污垢的沉积产生即时性影响。燃料包壳表面污垢是水化学环境和堆芯SNB环境耦合作用所致，本文将研究不同堆芯功率下堆芯沸腾条件对燃料包壳表面污垢沉积行为的影响，并以国内某PWR 核电机组为例，采用自主污垢行为分析软件CAMPSIS［16］评估不同堆芯功率下堆芯污垢质量和堆芯最大污垢厚度，为运行中核电机组的功率调整提供技术支持和数据支撑。

1 方法介绍

CAMPSIS 软件是中广核研究院自主开发的污垢行为分析软件，可用于评估反应堆的污垢沉积行为、硼沉积行为、一回路源项水平等［16］。软件计算结果的准确性和精度已通过国内外压水堆核电站的监测和检测数据进行了验证，并与国外同类型软件进行了对比。

图1 所示为采用CAMPSIS 软件开展核电机组污垢行为评估的逻辑图，具体步骤如下：

图1 CAMPSIS软件计算逻辑Fig.1 Computing logic diagram of CAMPSIS software

1）提取堆芯物理参数，具体包括核电机组循环内各燃耗步下的堆芯轴向功率和径向功率分布、堆芯组件装载信息；

2）以堆芯物理参数为输入，采用子通道程序计算堆芯沸腾参数；

3）提取反应堆一回路水化学参数，具体包括各燃耗步下一回路冷却剂中的硼酸浓度、pH 值、溶解氢浓度、结构材料腐蚀释放速率等；

4）以堆芯沸腾参数和一回路水化学参数为输入，采用CAMPSIS软件计算堆芯污垢质量和堆芯最大污垢厚度。

基于上述计算方法，本文将以国内典型PWR机组的某中间循环为例，模拟机组运行一段时间后开始变功率运行，分别对4 组不同堆芯功率下的堆芯污垢质量和堆芯最大污垢厚度进行分析，得到堆芯功率变化对燃料包壳表面污垢沉积行为的影响规律。

2 计算结果

采用CAMPSIS 软件分别对堆芯功率为100%满功率（Full Power，FP）、90%FP、75%FP和50%FP的燃料包壳污垢进行了定量评估，得到机组运行至相同燃耗步下（循环末期）的堆芯污垢质量和堆芯最大污垢厚度。

图2、3分别展示了机组某中间循环在不同堆芯功率下的堆芯污垢质量和堆芯最大污垢厚度随运行时间的关系，在循环起始阶段，因燃料包壳污垢具有继承效应，堆芯污垢质量和厚度均有初值。

图2为不同堆芯功率下的堆芯污垢质量。在相同日历天下，堆芯功率降低，堆芯污垢质量下降，功率降低至75%FP 及以下时异常明显。当堆芯功率在90%～100%FP区间时，相同功率下的堆芯污垢质量随运行时间不断增加。当堆芯功率降至75%FP及以下时，堆芯污垢质量先急剧下降，随后缓慢增加，增加速率远低于90%～100%FP运行区间的污垢质量增加速率。

图2 不同堆芯功率下经CAMPSIS计算得到的堆芯污垢质量Fig.2 Core crud masses calculated by CAMPSIS under different core powers

图3 为不同堆芯功率下的堆芯最大污垢厚度。循环初期，因循环间堆芯燃料组件装载方案的变化，组件功率的变化导致燃料包壳污垢在新旧组件之间迁移，前序循环高功率组件上的污垢迁移至后续循环高功率组件上，导致4 组堆芯功率下的堆芯最大污垢厚度均呈短暂下降。但随着机组运行时间的延长，污垢迁移过程结束，堆芯最大污垢厚度出现在固定组件上，堆芯最大污垢厚度呈现连续性。当机组运行至循环末期，在75%～100%FP 功率区间，堆芯功率降低，堆芯最大污垢厚度增加；但堆芯功率降至50%FP 时，堆芯最大污垢厚度比高功率下的都小。与堆芯污垢质量相比，不同堆芯功率下的堆芯最大污垢厚度存在反常现象。

图3 不同堆芯功率下经CAMPSIS计算得到的堆芯最大污垢厚度Fig.3 Maximum core crud thickness calculated by CAMPSIS under different core powers

3 讨论

研究表明［3］：反应堆燃料包壳污垢的沉积受堆芯热工水力条件和水化学环境耦合作用的影响，具体来说是受燃料组件表面SNB 条件和一回路水化学条件（温度、压力、腐蚀产物浓度、溶解氢浓度、pH等）的影响。对于某PWR 机组中间循环，堆芯功率变化后，一回路冷却剂的温度、压力、溶解氢浓度（Dissolved Hydrogen，DH）和pH 基本维持不变，主要变化为组件表面的SNB 条件和一回路腐蚀产物浓度。

假设燃料组件表面附近因SNB 蒸发出的腐蚀产物全部沉积到组件表面，组件单位表面积在单位时间内的污垢沉积速率可以表示为［3］：

式中：ṁe为沸腾率；ΣC为一回路腐蚀产物浓度；A为腐蚀产物沉积系数。

由式（1）可知，堆芯污垢沉积速率由堆芯整体沸腾率和腐蚀产物浓度的乘积决定，值越大堆芯污垢沉积速率越大，最终的堆芯污垢质量将越大；同理，堆芯污垢最大沉积速率由堆芯最大沸腾率和腐蚀产物浓度的乘积决定，值越大堆芯局部沉积速率越大，最终的堆芯最大污垢厚度将越大。

针对堆芯整体沸腾率和最大沸腾率，可通过子通道软件计算得到，作为结果输出。针对冷却剂中的腐蚀产物浓度，可根据一回路的金属元素质量守恒关系计算得到，相关模型已植入CAMPSIS 软件，可作为计算结果输出。

一回路腐蚀产物浓度主要受腐蚀产物的来源和消耗共同决定。腐蚀产物的产生主要来自一回路压力边界材料，如镍基合金和不锈钢等；腐蚀产物的消耗主要由腐蚀产物在堆内和堆外表面的沉积、过滤系统过滤等组成。相比于满功率，当核电站低功率运行时，因堆芯沸腾率的降低导致堆内腐蚀产物沉积减缓，在相同水化学状态和过滤效率的情况下，腐蚀产物的来源不变，但消耗减少。因此，低功率运行时的一回路腐蚀产物浓度更高。图4为机组某中间循环在不同堆芯功率下的冷却剂腐蚀产物浓度随运行时间的关系，反应堆运行功率降低时，冷却剂中的腐蚀产物浓度升高。在功率范围90%～100%FP内，功率降低后冷却剂中的腐蚀产物浓度小幅增加，且在整个运行周期内保持相对稳定；当功率降低至75%FP及以下时，冷却剂中的腐蚀产物浓度与高功率下的相比急剧上升，在50%FP 时异常显著，且在整个运行周期内腐蚀产物浓度均保持上升。

图4 不同堆芯功率下的一回路冷却剂腐蚀产物浓度Fig.4 Concentration of corrosion products in primary coolant under different core powers

堆芯污垢质量受堆芯整体沸腾率和冷却剂腐蚀产物浓度共同作用的影响。图5为机组某中间循环在不同堆芯功率下的堆芯整体沸腾率随运行时间的关系。相比冷却剂中的腐蚀产物浓度（图4），不同功率间的堆芯整体沸腾率变化幅度更大，当堆芯功率为50%FP 时，堆芯整体沸腾率接近零，基本不沸腾。将冷却剂腐蚀产物浓度和堆芯整体沸腾率代入式（1），计算得到不同功率下堆芯整体的污垢沉积速率，如图6所示。

图5 不同堆芯功率下的堆芯整体沸腾率Fig.5 Integrated boiling rate of the core under different core powers

图6 不同堆芯功率下的堆芯整体污垢沉积速率Fig.6 Integrated crud deposition rate of the core under different core powers

结果表明：堆芯功率降低，在整个循环内，堆芯整体的污垢沉积速率均减小，此时堆芯沸腾率对污垢沉积的贡献大于冷却剂腐蚀产物浓度的贡献，体现为循环末期堆芯污垢质量随堆芯功率的降低而减少，如图2所示。

堆芯功率在90%～100%FP区间时，堆芯整体污垢沉积速率相差较小，堆芯污垢质量持续增加。堆芯功率降至75%FP及以下时，堆芯整体污垢沉积速率急剧下降，因堆芯整体沸腾率从高点急剧减小，部分沉积状态较差的污垢发生溶解和脱落，此时堆芯污垢的沉积量不足以弥补污垢的溶解/脱落量，导致堆芯污垢质量在短时间内迅速下降，待污垢溶解和沉积过程稳定后，堆芯污垢质量再回归线性增加（图2）。

堆芯最大污垢厚度受堆芯最大沸腾率和冷却剂腐蚀产物浓度共同作用的影响，是燃料组件局部区域的污垢沉积行为。图7为机组某中间循环在不同功率下的堆芯最大沸腾率随运行时间的关系，在功率降低的过渡阶段，堆芯最大沸腾率快速下降，随后维持稳定。功率降低至50%FP时，堆芯最大沸腾率接近零。将不同堆芯功率下的冷却剂腐蚀产物浓度和堆芯最大沸腾率代入式（1），计算得到不同功率下的堆芯最大污垢沉积速率，如图8所示。

图8 不同堆芯功率下的堆芯最大污垢沉积速率Fig.8 Maximum crud deposition rate of the core under different core powers

结果表明：75%～100% FP 功率区间，在功率调整的过渡阶段，堆芯最大沸腾率对组件局部污垢沉积的贡献大于腐蚀产物浓度的贡献，即最大沸腾率占主导，此时堆芯最大污垢沉积速率随堆芯功率的降低而减小，体现为堆芯最大污垢厚度的减小（图3）。随机组运行时间的延长，堆芯最大沸腾率对堆芯局部污垢沉积的贡献逐步减小，并最终小于腐蚀产物浓度对污垢沉积的贡献，此时堆芯功率降低，堆芯最大污垢沉积速率反而增大，体现为堆芯最大污垢厚度变大（图3）。但堆芯功率降低至50%FP 时，堆芯最大沸腾率接近零（图7）。因堆芯最大沸腾率从高点急剧减小至接近零，燃料组件表面沉积的污垢容易发生溶解和脱落，导致堆芯最大污垢厚度不断减小，并最终维持在非常低的水平（图3）。

图7 不同堆芯功率下的堆芯最大沸腾率Fig.7 Maximum boiling rate of the core under different core powers

综上所述，堆芯功率的变化会带来堆芯沸腾率和冷却剂腐蚀产物浓度的变化，堆芯功率降低，堆芯整体沸腾率和堆芯最大沸腾率均降低，一回路冷却剂腐蚀产物浓度升高。在50%~100%FP区间，堆芯功率降低带来的堆芯整体沸腾率的降低对堆芯污垢沉积的影响程度大于冷却剂腐蚀产物浓度升高带来的影响。因此，功率降低，堆芯污垢质量下降（图2）。在75%~100%FP区间，功率降低带来的堆芯最大沸腾率降低对组件局部污垢沉积的影响程度小于腐蚀产物浓度升高带来的影响。因此，功率降低，堆芯最大污垢厚度增加。当功率降低至50%FP，堆芯最大沸腾率接近零，此时污垢沉积速率很低，且伴随着污垢的溶解和脱落，堆芯最大污垢厚度维持较低水平。

基于堆芯污垢质量和堆芯最大污垢厚度的计算结果，反应堆降功率运行，堆芯污垢总质量将下降。但在一定功率范围内，降功率可能导致堆芯最大污垢厚度的增加，因组件表面污垢会阻碍包壳与冷却剂间传热、恶化局部水化学环境等，对燃料组件的服役可能产生不利影响。因此，服役期间的机组若考虑降功率运行，建议把降功率对反应堆污垢沉积行为的影响纳入评估范围，避免产生不利后果。