REA水箱氧含量升高原因分析

□王 勇 曹紅梅 謝征宇

一、REA系統(tǒng)概述

(一)功能。反應(yīng)堆硼和水補(bǔ)給系統(tǒng)是重要的核輔助系統(tǒng)之一，它的設(shè)計(jì)和配置是保證化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(RCV)完成反應(yīng)堆反應(yīng)性控制、化學(xué)控制和容積控制的功能，在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCP)的小泄漏或管道的小破口事件中為其提供所需的含硼水，以保證燃料元件的運(yùn)行條件在允許的范圍內(nèi)，以及在所有預(yù)計(jì)運(yùn)行事件中反應(yīng)堆處于安全停堆并維持反應(yīng)堆次臨界狀態(tài)。

(二)系統(tǒng)組成。REA系統(tǒng)按照功能可分為四個(gè)回路，即補(bǔ)水回路、硼補(bǔ)充回路、硼酸配制回路及化學(xué)添加劑配制回路。其主要設(shè)備有供兩個(gè)機(jī)組共用兩個(gè)除鹽除氧水貯存箱(9REA001/002BA)、每個(gè)機(jī)組兩臺(tái)除鹽除鹽除氧水輸送泵(1-2REA001/002PO)、每個(gè)機(jī)組分別使用的一個(gè)硼酸溶液貯存液和兩機(jī)組共用的一個(gè)硼酸溶液貯存液、兩個(gè)機(jī)組共用一個(gè)硼酸溶液配置箱、每個(gè)機(jī)組兩臺(tái)硼酸溶液輸送泵。

二、氧氣對(duì)核電廠運(yùn)行安全的影響分析

正常運(yùn)行期間，核電廠一回路處于高溫高壓狀態(tài)下，一回路中溶解的氧氣超出其規(guī)定值時(shí)，會(huì)加劇一回路材料的氧化腐蝕，而產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物經(jīng)過(guò)反應(yīng)堆堆芯經(jīng)堆芯輻照后會(huì)形成活化的腐蝕產(chǎn)物，活化的腐蝕產(chǎn)物在高溫高壓的反應(yīng)堆冷卻劑中溶解、沉淀、運(yùn)動(dòng)，增加了反應(yīng)堆放射性，也增加了反應(yīng)堆停堆換料期間人員整體劑量。

核電廠主回路承壓邊界上的主要材料有不銹鋼、鋯合金、鎳基合金以及碳鋼等。根據(jù)相關(guān)研究顯示，在高溫水環(huán)境中，鎳基合金產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的時(shí)間隨著水中溶解氧的含量增加而急劇縮短。反應(yīng)堆冷卻劑正常運(yùn)行溫度下(約290℃)，不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所需的氯離子濃度也是急劇下降的，特別是在冷卻劑中溶解氧低于1ppm時(shí)，氯離子含量即便是很小，不銹鋼也會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。由此可以看出，冷卻劑中的溶解氧是核電廠主回路承壓邊界上的主要材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感物質(zhì)。因此，控制反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的溶解氧含量是至關(guān)重要的。

三、除鹽除氧水貯存箱氧含量升高原因分析及解決方法

(一)除鹽除氧水貯存箱工作原理。9REA001/002BA是一個(gè)帶浮頂?shù)乃洌S著水位的升降，浮頂也跟著升降，浮頂與箱體通過(guò)膠囊連接，膠囊外部充有背壓水，以保證膠囊能自由的升降。在浮頂上還有一個(gè)連通大氣的彎管，也就是平常所說(shuō)的鵝頭管，鵝頭管的作用是防止水箱內(nèi)部產(chǎn)生真空，其下部浸沒(méi)水中15cm。

(二)氧含量升高原因分析及解決方法。某核電廠在每次對(duì)9REA001/002BA進(jìn)行充水操作后，水箱水氧含量均高于原來(lái)水箱水或補(bǔ)給水氧含量中高值，以下對(duì)水箱水氧含量高的原因進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。9REA001/002BA在沒(méi)有充水的情況下，整個(gè)水箱內(nèi)部的溫度是與外面的環(huán)境溫度一致的，約25℃且內(nèi)部不存在溫差，水箱里的水只有水分子在進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。由于鵝頭管與大氣相通的，在其接觸面周?chē)諝鈺?huì)溶解進(jìn)入水中，隨著時(shí)間的增加以及擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空氣通過(guò)鵝頭管進(jìn)入水中溶解得越來(lái)越多，水箱上部的水中氧含量高于水箱下部，如時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)，在分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的作用下，整個(gè)水箱里的水氧含量一致。

正常補(bǔ)水工況下，9REA001/002BA補(bǔ)水流量為60m3/h，補(bǔ)水管公稱(chēng)直徑d0=114.3mm，管內(nèi)徑近似為d=100mm，經(jīng)計(jì)算可得除鹽除氧水的流速約為2.123m/s，35℃水的動(dòng)力粘度約為0.73×10-3pa.s,代入雷諾數(shù)計(jì)算公式可知補(bǔ)水管中的雷諾數(shù)約為3.32×105，大于2,000，因此補(bǔ)水管中水流為紊流。

由于上述計(jì)算中未考慮實(shí)際因素對(duì)射流的影響，即假設(shè)射流空間無(wú)限大、流體的溫度和密度相同，下面分別考慮假設(shè)的影響。罐底對(duì)射流的影響，自由射流一般都是紊流。由于射流是紊流流動(dòng)，流動(dòng)不但沿圓管軸線方向運(yùn)動(dòng)，而且還發(fā)生劇烈的橫向運(yùn)動(dòng)，所以射流與靜止的流體不斷地相互參混，進(jìn)行質(zhì)量和動(dòng)量交換，從而帶動(dòng)周?chē)瓉?lái)靜止的流體一起向前運(yùn)動(dòng)。離噴口愈遠(yuǎn)，被射流帶動(dòng)的質(zhì)量愈多，射流呈喇叭形的擴(kuò)散狀。而射流的下部由于流體空間比較小，帶動(dòng)周?chē)o止流體會(huì)受到限制，從而使射流下部擴(kuò)散不充分，使射流下線向上傾斜。由于進(jìn)入水罐的水是35℃，一般比水箱原來(lái)的水溫高，所以密度也比原來(lái)的水小。所以，水進(jìn)入罐子時(shí)會(huì)受到浮力，并向上運(yùn)動(dòng)。綜上考慮，取樣點(diǎn)應(yīng)該在射流區(qū)外，即取樣點(diǎn)取到的是水罐原來(lái)的水的氧含量。

綜上所述，當(dāng)給9REA001/002BA補(bǔ)水時(shí)，除氧水從離開(kāi)管口到取樣點(diǎn)之前橫向動(dòng)能損失殆盡，無(wú)法充分?jǐn)嚢杷涞撞浚捎谘a(bǔ)水比原來(lái)水箱的溫度要高(補(bǔ)水溫度35～38℃左右)，所以密度也就比原來(lái)水箱的水小，補(bǔ)水進(jìn)入水箱后在浮力的作用下往上運(yùn)動(dòng)，形成對(duì)流，迫使上部相對(duì)較高氧含量的水往下運(yùn)動(dòng)到達(dá)水箱底部。結(jié)合平時(shí)給水箱補(bǔ)水，一般是8m左右開(kāi)始，當(dāng)補(bǔ)水到了11.3m時(shí)，水箱上部原來(lái)相對(duì)較高氧含量的水從8m往下運(yùn)動(dòng)了6.6m左右，接近水箱的底部。水箱正常的取樣回路直接從水箱底部引出。這樣取樣回路取的是原來(lái)在水箱上部的、高氧含量的水。這就導(dǎo)致每次補(bǔ)水后氧含量增高的現(xiàn)象。

基于以上的分析，補(bǔ)水后，如果水箱在線打循環(huán)，通過(guò)攪拌，取樣分析氧含量應(yīng)該會(huì)降下來(lái)，為了驗(yàn)證以上結(jié)論是否正確，某電廠按規(guī)程在線給某一除鹽除氧水貯存箱打循環(huán)，氧含量將至化學(xué)規(guī)范值以下。且在水箱初次充入除鹽除氧水前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行充分排氣，防止水箱中水復(fù)氧。