三門1號機組熱態功能試驗期間加鋅技術應用

姜磊 孟憲波

三門核電有限公司 浙江臺州 317112

三門核電一期工程采用美國西屋公司設計的AP1000機組，根據設計方要求，在熱態功能試驗期間（以下簡稱HFT）就開始向一回路加鋅，目的是降低運行期間堆芯外輻射場[1]。三門核電1號機組作為國內首臺在熱態功能試驗期間加鋅的電站，從加鋅速率控制、鋅溶液配制、鋅濃度范圍控制、取樣監督要求、瞬態及異常響應等都無經驗可循。本文介紹了三門1號機組HFT期間加鋅策略的制定、加鋅過程實施控制、效果評價等，并結合運行經驗，對熱態功能試驗期間的加鋅策略進行優化，為后續新機組加鋅控制提供借鑒。

1 加鋅速率的確定

加鋅技術目前在國內尚無應用經驗，在國際上絕大多數加鋅電站都是在經歷過幾個或十幾個循環壽期后才開始加鋅，目前世界上唯一一臺在HFT期間加鋅的電站是日本的Tomari3機組，但其鋅濃度控制范圍為1-5μg/L，和AP1000機組20-100μg/L的控制范圍相差甚遠，因此可以說AP1000機組在HFT期間對加鋅速率的控制并無經驗可循。

對于首次加鋅的電站而言，如何確定加鋅速率至關重要。當鋅達到目標濃度后，最佳鋅添加速率主要由兩個因素決定：下泄凈化回路對鋅的去除率以及系統表面氧化膜對鋅的吸附率。凈化對鋅的去除量可以根據凈化流量和除鹽床的效率計算，但系統表面的吸附量比較復雜，其吸收率取決于冷卻劑中鋅濃度、材料表面積、材料特性和表面狀態等因素，很難通過理論計算。

根據加鋅電站運行經驗，在首次加鋅時加鋅速率維持在15-20g/天[2]，需要20天左右才能檢測到冷卻劑中的鋅含量。說明首次加鋅材料對鋅的吸收速率很快。隨著系統表面上鋅的不斷吸收，冷卻劑和金屬表面的鋅濃度差變小，鋅的吸收速率也會變小，此時加鋅速度大于鋅吸收速率，冷卻劑中的鋅濃度逐漸升高，并最終達到目標濃度。因此為了簡化計算，同時保守決策，假設開始加鋅時即達到目標濃度，加鋅流量計算簡化公式如下：

對上式進行轉化：

其中：

F：鋅添加速率，g/天；

C0：一回路目標鋅濃度，μg/L；

Vp：凈化流量，m3/h；

24：時間單位轉換，h；

β：鋅吸收率，%；

10-3：單位轉換。

已運行的電站，首次加鋅時，在5-20μg/L目標鋅濃度控制范圍下，鋅的吸收率為80%-90%。AP1000機組HFT期間鋅濃度范圍為20-100μg/L，目標濃度60μg/L，鋅濃度差更大，理論上對鋅的吸收速率應＞90%。因此保守決策，根據AP1000機組HFT期間鋅濃度控制范圍，假設吸收率為90%，同時機組凈化流量為22.4m3/h，加鋅速率計算如下：

加鋅流速（F）（最小值）＝20×22.4×24×10-3÷（1-90%）=107g/天

加鋅流速（F）（最大值）＝100×22.4×24×10-3÷（1-90%）=537g/天

所以理論上按最小值添加可以維持一回路的鋅濃度不小于20μg/L，以最大值添加可以控制鋅濃度不超過100μg/L。

由于三門核電1號機組是首次在熱態功能試驗期間維持高鋅濃度，沒有運行經驗，保守決策，按照理論計算的最小值添加，預計從177℃升溫至正常溫度/壓力（以下簡稱NOT/NOP）平臺約4-5天時間，設定的加鋅速率為：177℃溫度平臺100g/天，232℃溫度平臺200g/天，292℃溫度平臺若仍沒有達到目標值，按照400g/天的速率添加，添加過程中根據分析結果動態調整加鋅速率。

2 加鋅實施過程

當一回路溫度首次達到177℃時，由于注鋅泵故障，無法加鋅，直到232℃才開始加鋅。考慮達到NOT/NOT平臺時間縮短，因此將加鋅速率設定為200g/天。開始加鋅的4天時間內，冷卻劑中檢測的平均鋅濃度1.5μg/L左右。為盡量達到目標鋅濃度，提高加鋅速率至350g/天，2天后鋅濃度達到60μg/L目標濃度，停止加鋅。隨后鋅濃度開始呈下降趨勢。重新以50g/天的速率開始加鋅，維持鋅濃度在60-100μg/L之間。臨近NOT/NOP平臺末期，再次提高加鋅速率至100-150g/天，直至降溫前一天，停止加鋅。加鋅速率與鋅濃度變化趨勢如下圖1：

圖1 加鋅速率與一回路冷卻劑系統鋅濃度變化趨勢Fig.1trend of injection zinc rate and zinc concentration in RCS surface

通過上圖分析，HFT期間首次加鋅時，鋅濃度變化趨勢分三個階段：

2.1 鋅快速吸收階段

這一階段，一回路系統表面對鋅的吸收速度非常快，加入的鋅幾乎都被系統表面吸收，導致一回路的鋅濃度維持在較低水平波動，沒有明顯變化。

三門核電1號機組從開始按照200g/天的速度加鋅，到鋅濃度從2pbb 左右突然升高至16.7μg/L，累計加鋅時間超過4天。鋅的吸收率為99%。在此期間，基本維持加鋅速率恒定。

2.2 鋅濃度快速升高階段

當一回路溫度至292℃，為了盡快到達目標鋅濃度，加鋅速度提高至350g/天。加鋅速率提高后2天，鋅濃度升高至65μg/L，吸收率為99%-94%。

2.3 鋅濃度穩定階段

當達到目標鋅濃度后，加鋅速率調整為50g/天，基本可以維持60μg/L的目標鋅濃度。這段時間會一直持續到鈍化結束，吸收率為77%。

3 加鋅效果評價

為了驗證HFT期間一回路結構材料表面鈍化效果，試驗前在壓力容器中放入10個試塊，其中5個690TT合金材料，5個304H不銹鋼材料。試驗結束后，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對試塊晶體結構進行分析，304H不銹鋼氧化膜晶粒大小在100-500nm之間，690TT合金氧化膜晶粒大小在10-100nm之間。和未加鋅的電站HFT期間試塊分析結果相比，304H和690TT合金氧化膜晶粒大小都明顯偏小，晶粒間結合更緊密，說明在加鋅條件下，結構材料形成的氧化膜保護性更強[3]。

4 優化及改進建議

4.1 加鋅速率的確定

三門核電1號機組在HFT期間首次加鋅數據表明，材料表面對鋅的吸收率是加鋅量和加鋅時間的函數關系，因為加鋅量和持續時間會改變鋅在材料表面的擴散速度。初次加鋅時，材料表面未結合鋅，因此鋅的擴散速度和吸收速率很高，導致冷卻劑中的鋅濃度很低，甚至無法檢測到。隨著材料表面對鋅的不斷吸收，溶液和材料表面的鋅濃度差變小，鋅的擴散速度和吸收速度變小，當加鋅速率大于吸收速率時，冷卻劑中鋅濃度開始升高，并最終接近目標濃度。建立鋅動態平衡后，如果降低加鋅量，由于材料中鋅的返出，系統中鋅濃度不會立刻降低，而是繼續維持平衡或逐漸降低，直至與調整后的加鋅流量重新建立平衡。

HFT期間，如果冷卻劑中鋅濃度能夠盡快達到目標值，那么就可以使鋅暴露在NOT/NOP平臺的時間盡可能長，從而促進氧化膜對鋅的吸收，使形成的氧化膜保護性更強。為實現這一目標，在加鋅初期，應盡可能的提高鋅添加速率。根據三門核電1號機組加鋅經驗看，當加鋅速率達到350g/天，仍然需要2天才能達到目標濃度，而按照200g/天的速率添加，4天后才能檢測到鋅。由于三門核電是首臺HFT加鋅的AP1000機組，在制定加鋅速率相對保守。根據1號機組經驗，對于后續在HFT期間首次執行加鋅的電站，初始鋅添加速率可以控制在350g/天，在有限的時間內盡快達到鋅的目標濃度，盡量促進材料表面對鋅的吸收，提高氧化膜的鈍化效果。建立目標濃度后，可根據鋅濃度變化，在0-200g/天范圍內調整加鋅速度，維持其目標濃度。

4.2 氧化運行

壓水堆核電站功率運行后停堆期間，通過向一回路添加氧化劑，強迫建立酸性氧化性環境，促進腐蝕產物釋放，以降低停堆劑量率，該方式稱為氧化運行[4]。為盡可能去除HFT期間形成的腐蝕產物，三門核電在HFT期間也執行了氧化運行。

氧化運行前一回路系統鎳含量最大值為263μg/L，氧化運行后鎳濃度峰值694μg/L，腐蝕產物釋放量增加2.5倍左右。說明HFT期間執行氧化運行，能有效促進腐蝕產物釋放。另外首次加鋅本身可置換出更多的腐蝕產物，若不盡可能將其釋放和去除，會導致運行期間的活化腐蝕產物量增加。因此對于在HFT期間加鋅的電站，建議其在降溫過程執行氧化運行，促進腐蝕產物的釋放和去除，降低裝料后循環期間的劑量率。

4.3 鋅瞬態控制

加鋅過程中，引起鋅瞬態的因素主要包括加鋅流量、凈化去除率和鋅吸收率。如果加鋅速度大于鋅的吸收率和凈化去除率，系統中的鋅濃度會增加，反之，鋅濃度則會降低。凈化去除率主要受凈化流量的影響，鋅吸收率主要受機組工況變化（比如溫度變化）和水化學環境變化的影響[3]。在硼化和降溫過程，隨著pH值降低，在停止加鋅的情況下，鋅濃度反而升高，最大濃度為283μg/L。因此在HFT期間，當出現鋅瞬態時，按照如下原則進行響應：

4.4 鋅濃度超過上限值

由于鋅在系統中存在動態平衡，當鋅濃度達到短期平衡時，加鋅流量短時間發生變化，對鋅濃度的影響有一定的滯后。另外，鋅的測量結果受取樣系統的狀態影響較大，因此在NOT/NOP平臺，當一回路鋅濃度達到短期平衡后突然超過限值，先確認取樣管線狀態是否發生變化。排除取樣管線波動的影響后，再確認凈化流量、加鋅泵加鋅流量、醋酸鋅配制溶液濃度是否變化。確定一回路鋅濃度真實超過限值時，通過降低加鋅速度或增加凈化流量來降低一回路的鋅濃度。當NOT/NOP平臺結束，開始降溫硼化時，為降低鋅的返出量，在降溫前一天停止加鋅。硼化和降溫過程鋅濃度如果超出限值，維持凈化流量最大化持續凈化，無需采取其他措施。

4.5 鋅濃度低于下限值

在NOT/NOP平臺，當一回路鋅濃度低于下限值時，同樣需確認是否是取樣管線長期隔離所致。排除取樣管線的影響，可以提高加鋅流量，維持鋅目標濃度。另外在首次加鋅初期，系統對鋅的吸收速度最大，剛開始加鋅時鋅濃度無法滿足要求是正常現象，維持原先的加鋅速度，2-3天后仍未達到目標濃度，可適當提高加鋅速度，盡快建立目標濃度。

5 結語

三門核電作為全球首臺AP1000機組在HFT期間成功的應用了加鋅技術，通過對HFT期間的試塊進行分析，說明加鋅在系統中形成的氧化膜保護性能明顯優于不加鋅的傳統電站形成的氧化膜。同時通過在實踐中對HFT首次加鋅應用經驗進行總結和優化，對后續新機組在HFT期間應用加鋅技術起到很好的借鑒意義。