AP1000反应堆补水控制系统混合补水分析

焦中杰

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200000）

与常规压水堆核电厂相比，AP1000的化学和容积控制系统（简称CVS）有较大的简化，其主要技术特点如下：负荷跟踪期间，反应堆冷却剂系统不调节硼浓度，取消了硼回收系统；系统采用高压加氢，取消了化学和容积控制箱；系统贮存2.5%重量浓度的硼酸溶液，该浓度不需要热跟踪，不强制要求特殊的环境温度；设计有反应堆补水控制系统，可向一回路提供所需硼浓度的含硼水。本文重点对调试期间CVS反应堆补水控制系统混合补水试验进行分析。

1 简介

1.1 CVS简介

AP1000 CVS主要功能是为一回路提供净化、化学控制和容积控制。

1.1.1 净化控制

CVS净化回路包括再生热交换器和下泄热交换器、节流孔板、树脂床、反应堆冷却剂过滤器及相关阀门、管道和仪表。整个净化回路位于安全壳内，与反应堆冷却剂系统直接相连，在反应堆冷却剂系统的压力下运行，用于除去反应堆冷却剂中的腐蚀产物和裂变产物。在功率运行期间，利用主泵提供RCS净化流的强制循环驱动压头。净化流从主泵出口引出，经过再生热交换器和下泄热交换器冷却，然后经混床进行除盐，必要时通过阳床，再经过过滤器和再生热交换器加热后返回主泵入口，如图1所示。

图1 化学和容积控制系统简图

净化回路中的混床用于除去离子状裂变产物和腐蚀产物，过滤器用来除去颗粒状杂质和碎树脂，阳床在需要时投入用于除去反应堆冷却剂中的锂，也可以在发生燃料破损事故时除去放射性同位素铯。

正常运行时不需要对反应堆冷却剂进行除气，当燃料破损超出正常范围时，可将反应堆冷却剂引入核岛放射性液体处理系统进行除气。此时经过CVS的下泄流首先经过下泄孔板降压，然而排入核岛放射性液体废物处理系统脱气装置，除去其中的放射性裂变气体。脱气后的含硼水进入核岛放射性液体废物处理系统的流出液暂存箱，由补水泵送回RCS，从而实现循环除气。

1.1.2 容积控制

CVS容积控制通过补水和下泄来实现。CVS补水回路包括高扬程补水泵及其相关的入口和出口管道。补水泵位于安全壳外的辅助厂房，通过一根公共入口母管从硼酸贮存箱除盐水系统吸水。下泄回路包括反应堆冷却剂过滤器下游净化回路的排水管线。流体通过一个下泄孔板（大幅降低流体压力）和安全壳隔离阀，并输送到放射性液体废物处理系统（WLS）处理。

1.1.3 化学控制

CVS化学控制包括硼浓度调节、pH控制和含氧量控制。CVS化学加药回路主要包括锌添加装置和氢添加装置。锌添加装置和氢添加装置分别设有一根独立的注入管线，经辅助厂房进入安全壳内。另外，硼酸、联氨、氢氧化锂等均通过补水回路加入到一回路。

RCS的硼浓度调节是为了补偿启堆、停堆、换料和燃耗引起的反应性变化。RCS的硼化和稀释分别采用质量分数为2.5%的硼酸溶液和除盐水，以上充和下泄配合的方式进行。质量分数为2.5%的硼酸溶液由硼酸制备箱制备后储存在硼酸储存箱内。

正常运行期间，RCS的硼浓度调节操作一般通过反应堆补水控制系统完成。在寿期末，一回路硼浓度很低，此时如果采用稀释的方式降低一回路硼浓度，将会产生大量的放射性废液。此时可以采用除硼的方式，即将化学和容积控制系统的备用混床投入运行，作为除硼床除去反应堆冷却剂中的硼，来降低一回路硼浓度。

控制反应堆冷却剂pH的化学添加剂为氢氧化锂。氢氧化锂所含7Li同位素的富集度必须超过99.9%，在需要添加氢氧化锂时，将化学药物手动倒入化学添加箱内，然后用除盐水冲动补水泵的吸入口，通过补水管线注入RCS。在需要除去一回路冷却剂中过量的氢氧化锂时，可以通过投入净化子系统的阳床进行除锂。在寿期末因硼浓度较高，10B（n，a）7Li辐照分解反应产生较多的7Li，需要投入阳床，除去过多的锂离子，控制一回路pH。在寿期末RCS的硼浓度降低，10B（n，a）7Li反应较弱，可以根据需要向一回路添加氢氧化锂，以提高pH。

在反应堆启动阶段，RCS升温升压初期，向RCS添加联氨作为除氧剂，进行化学除氧。在需要添加联氨时，将化学药物手动倒入化学添加箱内，然后用除盐水冲到补水泵的吸入口，通过补水管线注入RCS。在功率运行时，向RCS添加H2，以减少一回路冷却剂辐照分解产生的游离氧。氢气由电厂气体系统的高压氢气瓶提供，经过再生热交换器加入后最终注入反应堆冷却剂系统。

1.2 反应堆补水控制系统介绍

CVS补水和下泄子系统的运行由反应堆补水控制系统（RMCS）控制。RMCS允许操纵员调整RCS硼浓度，并根据稳压器液位来控制RCS水装量。在电厂正常运行期间，每天均需测量一回路的硼浓度，将其数值输入到RMCS中，以确定向一回路进行补水时混合补水三通阀的开度。

操纵员通过软操来操作RMCS。在自动运行模式下，2台补水泵不能同时运行，操纵员必须手动选择1台补水泵在需要时自动启动。操作员也可根据需要通过手动控制启动2台补水泵，以增大向一回路的补水流量。

RMCS共有4种运行模式。“硼化”和“稀释”模式用于调节RCS硼浓度；“混合”和“自动补水”模式用于补充RCS水装量而不改变硼浓度。“硼化”“稀释”和“混合”模式需由操纵员启动RMCS。“自动补水模式”可由操纵员选择，该模式下，RMCS由稳压器液位信号自动触发[1]。

为硼化RCS，操纵员设置反应堆补水控制系统以“硼化”模式运行，为RCS添加一定数量的硼酸（不含除盐水），输入向一回路注入的水容积和注入流量，启动“硼化”模式。在启动“硼化”模式后，三通混合阀切换到硼酸贮存箱吸入管线，除盐水隔离阀自动关闭。选定的补水泵随即自动运行，流体从正常补水管线进入RCS。通过设置在补水泵出口总管上的流量计测量流量，RMCS累计达到预设量后，泵停运。在一回路补水过程中，由下泄隔离阀稳压器水位控制程序自动控制，在稳压器水位达到高定值时自动开启。

如果需要稀释RCS，操纵员选择RMCS“稀释”模式，向RCS添加一定比例的除盐水，输入向一回路注入的水容积和注入流量，启动“稀释”模式。启动“稀释”模式后，三通混合阀切换到除盐水水源，除盐水隔离阀自动开启。补水泵运行方式相似，将流体从正常补水通道输送流体到RCS，直到达到预设量。在一回路补水过程中，下泄隔离阀由稳压器水位控制程序自动控制，在稳压器水位达到高定值时自动开启。

当一回路发生小泄漏时，需向一回路补充与一回路相同硼浓度的硼酸溶液，此时可选择“混合”模式。在“混合”模式运行下的RMCS，将硼酸和除盐水混合，以达到预期的硼酸浓度。输入向一回路注入的水容积和注入流量，然后启动“混合”模式。启动“混合”模式后，三通混合阀开到一定程度，除盐水隔离阀自动开启，调整至一回路所需硼浓度。通常RMCS在“自动”模式下运行，以补偿RCS泄漏并将稳压器液位维持在正常运行范围内。在一回路补水过程中，下泄隔离阀由稳压器水位控制程序自动控制，在稳压器水位达到高定值时自动开启。

2 AP1000 RMCS试验

AP1000在热态功能试验期间，CVS需验证RMCS 4种模式即“硼化”“稀释”“混合”与“自动补水”。

执行“硼化”模式试验，需选定1台补水泵设置为自动，在RMCS中设定补水泵出口流量、RCS补水量及当前硼酸储存箱（简称BAST）硼浓度。通过目标硼浓度计算得出RCS补水量。启动RMCS后，验证补水泵入口三通阀切至硼酸储存箱一侧，开启补水泵出口流量调节阀，将流量调至设定流量。达到补水设定值后，RMCS自动停止运行。对一回路进行取样，验证取样结果与目标硼浓度是否一致。

执行“稀释”模式试验与“硼化”模式试验类似，相同设置并验证相关设备自动启停，最后对一回路取样，验证结果与目标硼浓度是否一致。

执行“混合”模式试验，需选定1台补水泵进行自动控制，在RMCS中设定补水泵出口流量、RCS补水量、当前RCS硼浓度及当前硼酸储存箱硼浓度。启动RMCS后，验证补水泵入口三通阀同时开向BAST和除盐水管线，除盐水供给阀打开，补水泵出口流量调节阀将根据补水泵出口流量整定值自动调节至相应的阀位，补水泵入口在通阀将自动调整开度，使设定硼浓度和计算硼浓度相匹配。当硼酸补给流量与除盐水补给流量比例和RMCS中操纵员设定的硼浓度相差不小于2%时，1 min后触发通知，如果该通知未能及时处理，RMCS将中止运行。存在闭锁硼稀释信号除外。

计算流量比与测量流量比的计算公式为

式中：CFR为计算流量比；Cr为当前RCS 硼浓度；CB为当前BAST硼浓度；MFR为测量流量比；FB为硼酸补给流量平均值；FD为除盐水补给流量平均值；Δ为硼浓度补给偏差。

2.1 AP1000依托项目“混合”模式试验

以AP1000依托项目某机组为例，“混合”模式试验程序要求验证100 ppm硼酸浓度向一回路“混合”补水。试验设定如下：

补水泵出口流量设定为22.7 m3/hr；

RCS补水量3 m3；

当前RCS硼浓度为100 ppm；

当前BAST硼浓度为3 771 ppm。

根据计算公式，A、B 2列试验结果见表1。

表1 “混合”模式补水试验结果

偏差均超过2%，不满足设计要求。

2.2 试验结果偏离原因分析

（1）补水泵入口三通阀为气动三通调节阀，在阀门接收指令到调节至设定阀位，所花时间约2 min，其阀门PID调节时间过长，导致长时间高浓度硼酸进入一回路，实际混合补水硼浓度偏离。

（2）查询硼酸补给流量计与除盐水补给流量计厂家文件，显示仪表精度为3%，精度相对较低。当“混合”模式补水设定硼浓度过低时，硼酸补给流量计FB数值过低，精度不足会导致数据失真，测量流量比MFR不准确。由此可判断，当“混合”模式补水设定硼浓度过高时，除盐水补给流量计FD数值过低，同样会导致MFR不准确。

2.3 改进后验证

因硼酸补给流量计与除盐水补给流量计暂无更高精度仪表可替代，故将“混合”模式补水硼浓度设定为“中间”硼浓度；同时将补水泵入口三通阀PID进行调整。根据上述措施改正后，再次进行试验，本次试验设定如下：

补水泵出口流量设定为22.7 m3/hr；

RCS补水量3 m3；

当前RCS硼浓度为880 ppm；

当前BAST硼浓度为4 400 ppm。

根据计算公式，A、B 2列试验结果见表2。

表2 “混合”模式补水再次试验结果

偏差小于2%，满足设计要求。

3 结论

AP1000 CVS设有反应堆补水控制系统（RMCS），可实现4种模式向一回路补水。但因设备性能本身，存在混合补水浓度过低或过高时出现硼浓度补给超差的问题。本文从依托项目试验中针对硼浓度补给偏差可能的原因进行分析，并针对性地进行验证。在后续项目中，应对关键阀门、仪表采取更高精度，以便能够获得更精确的硼浓度补给。