壓水堆主回路源項(xiàng)敏感性分析

邵靜 萬(wàn)海霞 徐治龍 吳曉春 李龍 劉黎麗

摘 要：在核電廠的各種輻射源中，主回路源項(xiàng)在放射性廢物形成和放射性物質(zhì)釋放等方面起著主導(dǎo)作用，對(duì)工作人員和公眾造成的輻射危害也最大。因此，主回路源項(xiàng)計(jì)算和分析，對(duì)于核電廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行都具有重要的指導(dǎo)意義。為了保證主回路源項(xiàng)計(jì)算結(jié)果的可靠性，使用STCP程序?qū)χ骰芈吩错?xiàng)計(jì)算中的各種影響因素進(jìn)行了敏感性分析，確定了各種因素對(duì)源項(xiàng)計(jì)算的重要程度。

關(guān)鍵詞：壓水堆 放射性源項(xiàng) 裂變產(chǎn)物 腐蝕產(chǎn)物

中圖分類(lèi)號(hào)：TL929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（b）-0125-04

Abstract：Of all radioactive sources in nuclear power plant，the Source Terms in Primary Loop（STPL）play a dominant role in radioactive material release and spread，as well as in radiation hazards to workers and the public.Calculation and analysis on the STPL are significant for design and operation of nuclear power plants.For the sake of dependableresult，some sensitivity analysis are doneusing STCP code aiming at several infections of source terms calculation， and establishessentiality of every infections.

Key Words：PWR；Source terms；Corrosion product；Fission product

在核電廠的各種源項(xiàng)中，主回路系統(tǒng)內(nèi)的源項(xiàng)放射性水平相對(duì)堆芯和乏燃料來(lái)說(shuō)較低，但行為復(fù)雜，難以防護(hù)。主回路系統(tǒng)中的源項(xiàng)主要包括：燃料元件包殼破損釋放的裂變產(chǎn)物、冷卻劑活化的腐蝕產(chǎn)物、冷卻劑自身的活化產(chǎn)物、冷卻劑中各種途徑生成的氚以及冷卻劑中雜質(zhì)的活化產(chǎn)物等[1]。主回路源項(xiàng)對(duì)工作人員和公眾造成的輻射危害也最大，對(duì)主回路系統(tǒng)內(nèi)的源項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)核電廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行都有重要意義。

STCF[2]（Source Term Of Corrosion Product and Fission Product in primary system）是計(jì)算壓水堆主回路腐蝕產(chǎn)物、裂變產(chǎn)物源項(xiàng)的程序。對(duì)主回路源項(xiàng)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響的因素主要有：冷卻劑流速、結(jié)構(gòu)材料核素成分、凈化效率、燃耗深度和換料周期等。使用STCF程序?qū)χ骰芈吩错?xiàng)計(jì)算中的各種影響因素進(jìn)行敏感性分析，確定各種因素對(duì)源項(xiàng)計(jì)算的重要程度。使用STCF程序進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，計(jì)算輸入條件參考1 000 MW電功率的典型壓水堆核電廠參數(shù)，如表1所示。

1 冷卻劑流速對(duì)主回路源項(xiàng)的影響

在計(jì)算主回路裂變產(chǎn)物源項(xiàng)時(shí)，改變冷卻劑流速，并假設(shè)認(rèn)為冷卻劑流速變化時(shí)，裂變產(chǎn)物的釋放速率保持不變，其他輸入?yún)?shù)也均保持不變。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻劑流速的增加，主回路中各裂變產(chǎn)物核素的比活度逐漸減少，以I-131、Cs-134、Cs-137為例，如圖1所示。通過(guò)分析表明，由于凈化回路并聯(lián)在主回路上，隨著主回路的流速增加，凈化回路的凈化流量也會(huì)相應(yīng)增加，雖然凈化系統(tǒng)的凈化效率不變，但總體的凈化速率增加了。因此，在主回路冷卻劑流速增加時(shí)，裂變產(chǎn)物進(jìn)入主回路的速率沒(méi)有增加，而凈化效率卻上升了，導(dǎo)致主回路中裂變產(chǎn)物源項(xiàng)的平衡濃度隨著流速增加逐漸減小。

對(duì)不同流速下的腐蝕產(chǎn)物源項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果是輻射產(chǎn)物核素的比活度隨著流速的增加而緩慢增加。主回路冷卻劑流速變化時(shí)，影響主回路中腐蝕產(chǎn)物源項(xiàng)的因素主要有兩方面。一方面冷卻劑流速增加時(shí)，主回路內(nèi)壁結(jié)構(gòu)材料的腐蝕速率會(huì)增加，導(dǎo)致主回路中放射性腐蝕產(chǎn)物源項(xiàng)增加。另一方面，主回路冷卻劑流速增加，凈化回路的流速也跟著增加，從而引起凈化系統(tǒng)對(duì)腐蝕產(chǎn)物的凈化速率增加，引起主回路中輻射產(chǎn)物核素減少。在一定范圍內(nèi)，這兩方面作用方向相反，基本相互抵消，因此冷卻劑流速對(duì)腐蝕產(chǎn)物源項(xiàng)的影響較小。但當(dāng)流速增加到一定程度時(shí)，腐蝕速率會(huì)隨著流速增加呈指數(shù)增長(zhǎng)，主回路腐蝕產(chǎn)物源項(xiàng)也會(huì)急劇增加，一般反應(yīng)堆主回路系統(tǒng)也不會(huì)運(yùn)行在這樣的工況下，從而避免這種情況發(fā)生。

2 結(jié)構(gòu)材料對(duì)源項(xiàng)的影響

壓水堆主回路結(jié)構(gòu)材料一般不會(huì)直接影響主回路內(nèi)的裂變產(chǎn)物源項(xiàng)。結(jié)構(gòu)材料對(duì)主回路腐蝕產(chǎn)物源項(xiàng)的影響[4]主要有兩個(gè)方面，一是材料的耐腐蝕性能，材料的耐腐蝕性能直接決定了主回路中腐蝕產(chǎn)物的濃度，為了降低主回路的腐蝕產(chǎn)物源項(xiàng)，壓水堆主回路中與水接觸的材料都選用了耐腐蝕材料。二是材料的核素成分，一些核素的含量變化對(duì)腐蝕產(chǎn)物源項(xiàng)影響非常明顯，例如Co-60。

計(jì)算結(jié)果表明，隨著堆芯結(jié)構(gòu)材料中Co的含量比重增加，水中Co-60的量以及模塊表面沉積的Co-60活度都呈線性增加，如圖2所示。因此在進(jìn)行主回路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選用Co含量低的材料，從而降低主回路的放射性，進(jìn)一步降低維修和操作人員所受的輻射劑量。

3 凈化效率對(duì)主回路源項(xiàng)的影響

I-131是在輻射防護(hù)中特別關(guān)心的裂變產(chǎn)物核素，選取核素I-131來(lái)分析凈化效率對(duì)主回路裂變產(chǎn)物源項(xiàng)的影響。通過(guò)改變模型中I的凈化效率，使用STCF程序計(jì)算分析主回路水中I-131比活度的變化情況，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著凈化效率的提高，水中I-131的比活度逐漸減小。

Co-60是腐蝕產(chǎn)物源項(xiàng)中的重要核素，選取Co-60來(lái)分析凈化效率對(duì)主回路腐蝕產(chǎn)物源項(xiàng)的影響。通過(guò)改變計(jì)算模型中凈化模塊對(duì)金屬離子的凈化效率，計(jì)算水中Co-60比活度，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著主回路凈化效率的提高，主回路水中Co-60比活度逐漸減小。

分析表明，凈化效率對(duì)主回路源項(xiàng)影響明顯。因此主回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)控制主回路源項(xiàng)的輻射水平非常重要，在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 燃耗對(duì)主回路源項(xiàng)的影響

為提高經(jīng)濟(jì)性，核電廠普遍采用加深燃料的燃耗深度、長(zhǎng)周期換料的反應(yīng)堆運(yùn)行策略。隨著換料周期的延長(zhǎng)，堆內(nèi)燃料的燃耗深度增加，燃料元件內(nèi)裂變產(chǎn)物的積存量也會(huì)增多，使用STCF程序可以計(jì)算不同燃耗深度下Kr-85、Xe-133、I-131、Cs-137等裂變產(chǎn)物在主回路中的比活度，結(jié)果如圖5所示。可以看出，隨著燃耗深度的增加，主回路水中Kr-85和Cs-137的比活度都明顯增加，而Xe-133、I-131的比活度增加不明顯，出現(xiàn)這種情況的原因與裂變產(chǎn)物的半衰期有關(guān)。I-131的半衰期為8.04 d，Xe-133的半衰期為5.29 d，而反應(yīng)堆的換料周期1年到一年半，在這樣長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，這些短壽命核素很容易達(dá)到飽和狀態(tài)，因此它們?cè)诙褍?nèi)的積存量主要與反應(yīng)堆功率和裂變產(chǎn)額有關(guān)，基本不會(huì)隨燃耗發(fā)生變化，所以燃耗深度對(duì)主回路內(nèi)短壽命的裂變產(chǎn)物基本沒(méi)有影響。Kr-85的半衰期為10.73年，Cs-137的半衰期為30.17年，這些長(zhǎng)壽命核素在反應(yīng)堆整個(gè)壽期內(nèi)無(wú)法達(dá)到飽和狀態(tài)，它們的積存量會(huì)隨著燃耗增加逐漸累積，因此在高燃耗時(shí)發(fā)生燃料元件破損，主回路中這些長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物的活度必然會(huì)增加。

5 結(jié)語(yǔ)

為了驗(yàn)證各種因素對(duì)源項(xiàng)計(jì)算的重要程度，保證主回路源項(xiàng)計(jì)算結(jié)果的可靠性，使用STCF程序?qū)χ骰芈吩错?xiàng)計(jì)算中的各種影響因素進(jìn)行了敏感性分析。

敏感性分析表明：（1）冷卻劑流速對(duì)主回路中的裂變產(chǎn)物和腐蝕產(chǎn)物源項(xiàng)的影響都較小；（2）主回路結(jié)構(gòu)材料中的Co元素含量對(duì)主回路腐蝕產(chǎn)物源項(xiàng)影響顯著；（3）主回路凈化效率對(duì)控制主回路源項(xiàng)的輻射水平非常重要；（4）燃耗深度和換料周期對(duì)主回路中長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物源項(xiàng)影響比較明顯，對(duì)短壽命的裂變產(chǎn)物影響很小。

參考文獻(xiàn)

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