真空工藝在壓水堆核電站中的應用

王茂　賈榮林　王文超

【摘 要】本文從真空工藝在核電站主回路系統中壓力殼夾層和氣冷機冷凝器中應用，以及在核電站輔助系統中應用于真空凈化、除氣和精餾的兩個方面、多個系統應用上，向讀者全面介紹了真空技術和真空工藝在目前核電站運行領域中的具體應用和發展現狀。

【關鍵詞】主回路；輔助系統；凈化；除氣；水處理

1 壓水堆核電站系統構成

核電堆型主要分為壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨氣冷堆、石墨水冷堆、快中子堆，其中壓水堆和沸水堆均屬于輕水堆，目前世界各國應用最為廣泛的、最成熟的便是壓水堆核電站。壓水堆核電站系統相當復雜，主回路系統及其輔助系統構成壓水堆核電站。而主回路又分為一回路和二回路，其中相關主要的部件有：反應堆、堆壓力殼、汽輪機、蒸汽發生器、冷凝器及各種真空獲取設備（如真空泵等）。核電站的輔助系統包括凈化冷卻劑系統、保持冷卻水系統、設備冷卻水系統、應急堆芯冷卻系統、停堆冷卻水系統、安全注射系統、消氫系統、安全噴浴系統、空氣循環凈化系統、三廢處理系統等等。真空技術在核電站的主回路和輔助系統中均有大量的應用，下文將做詳細的闡述。

2 真空工藝在主回路系統的應用

核電主回路系統一般大都工作在高溫、高壓狀態，但也有處于真空狀態運行的，如壓力殼夾層、氣冷機冷凝器等就屬于這種情況。

壓力殼夾層中的應用：目前大型的壓水堆的壓力殼一般都是雙層的，壓水堆核電站壓力殼采用帶真空的夾層，目的是為了增強核電的安全性。壓力殼是允許有一定的泄漏的，國外電站一般壓力殼的設計上的允許泄漏率不得超過殼內空氣體積總量的1%/每天。通過大型真空泵，電站可以抽取壓力殼內泄漏到真空夾層中的放射性氣體，并將該氣體送到高效過濾器進氣口，使之得以凈化后排入大氣，有效的避免了殼內放射性氣體通過夾層向殼外泄漏。

冷凝器中應用：冷凝器是位于核電汽輪機下端的重要部件，其內部是處于真空狀態的。汽輪機冷凝器大多都是箱形或圓柱筒形的，數萬根管排列其中，冷卻水在其中通過。二回路的蒸汽帶動汽輪機的葉輪做功，然后又被真空吸入冷凝器內，在冷凝器的管的外壁上，被吸入的蒸汽會被迅速冷卻而凝結成冰，最后再落下來，再被送回蒸汽發生器中受熱蒸發，循環利用。核電站與火電站相比較，蒸汽壓小，蒸汽溫度低，相對更容易形成小液滴，這些液滴對汽輪機設備葉片損害很大。這時候處于真空狀態的冷凝器，就能把噴嘴壁上的液態水吸進冷凝器，冷凝器內的工作條件相當惡劣，需要可以長期穩定工作的真空泵設備來獲取真空。

3 真空工藝在輔助系統的應用

真空凈化、除氣和精餾是真空技術和真空工藝在輔助系統中的典型應用。

冷卻劑質量控制系統：在主回路高溫高壓且具有強輻射的情況下，水是壓水堆的主要冷卻劑，它經過這種惡劣環境會發生一系列物理和化學反應，并對流經材料或接觸面會產生腐蝕作用，所以各個核電站均需把水質控制作為一個重要的工作來做。作為核電站一回路中的水，必須對水中的氧、氯、氟、酸堿度、固體含量以及放射性等指標進行嚴格控制，這就要求我們必須對一回路冷卻劑設置循環凈化系統，這個系統可以是冷卻劑（水）在主回路中經過凈化處理后再回到一回路進行循環。水中的氯、氧、氫等氣體可以通過真空凈化技術很好的去除，其凈化效果遠勝于僅使用離子交換器凈化的效果。一回路水是高溫，真空凈化就是設置在其降溫過程中，然后才進行離子交換。上世紀末，先真空凈化、再通過離子交換器凈化的先進工藝已經在國外很多核電站中得以應用和推廣。

二路冷卻劑除氣：用化學方法是很難去除二路冷卻劑中氫、氪、氙等氣體的。要將冷卻劑中裂變氣體濃度在原始放射性濃度的基礎上降低四到五個數量級甚至更高，方可達到直接排放或循環使用的目的，而這種技術指標是很高的，技術是相當先進的。已經有研究可以證明，真空除氣可以滿足以上指標的要求，真空除氣又可以分為熱法、氣體吹掃法和真空法三種，這其中真空除氣的方法比另外兩種方法具有更大的應用前景，因為它無需加熱源，常溫下便可對液體頂部抽真空使之沸騰，達到良好的除氣效果。進入21世紀以來，真空除氣法應用最廣，核電專用的真空獲取設備已經出現。

三廢處理系統：三廢處理是確保核電站正常運行的重要日常性工作，而目前對放射性廢物的處理還未得到根本的解決，需要進一步的開展專項研究和投入。因三廢中的廢氣、廢水、固體廢物均存在放射性，要使其達標排放或達標處理，必須使其整個處理過程處在一個真空負壓的狀態進行，目前真空工藝已普遍應用到核電站后處理過程中了。

含氚廢水處理：20世紀60年代，國外科研機構早已進行了廢水和廢氣中的氚分離的專項研究，但截止目前，還沒有一種方法得到推廣和實際應用，目前稀釋排放是對氚廢水處理的唯一方法。從最新技術和實用經濟性角度看，真空精餾技術有望成為分離氚的重要技術得以應用，真空精餾分離氚水和輕水的工藝是在真空狀態下進行的，方法及步驟相當簡便，如果得以應用，必將成為主流分離技術。

沸水堆水處理：沸水堆只有一個回路，在高放射性環境下，它在堆內將水直接轉化為蒸汽，水進入汽輪機發電后，水中的放射性就被帶到汽輪機和其附屬部件上去了，同時排除的蒸汽和廢水也必將含有高強度的放射性。真空工藝的活性炭吸附法是沸水堆廢水處理最為成功的方法之一，具備的工藝處理流程如下：

來自汽輪機的廢水→抽氣機→加熱器→干燥器→冷卻器→干燥器→吸附塔→過濾器→真空泵→排出。

上世紀以來，由于沸水堆的水處理問題得到很好的解決，目前沸水堆已逐漸成為壓水堆之外的、建造最多的堆型了，例如日本等國均有大量建造。

4 結束語

隨著世界核電和核科學技術的發展，真空技術在核電站運行中的應用必將越來越廣泛，真空技術的發展也必將對核電站的運行及相關技術改進和創新做出更大的貢獻。

[責任編輯：田吉捷]