壓水堆停堆過程中氧化運行的研究

盧葉艇，游兆金,沈亞芳,田民順

(中核運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

在燃料元件包殼未破損的情況下，來自蒸汽發(fā)生器傳熱管、堆內(nèi)組件等設(shè)備表面的腐蝕或磨損產(chǎn)物對堆外輻射場的貢獻(xiàn)率超過了90%。這部分物質(zhì)(Co、Ni 和Ag 等)流經(jīng)堆芯時被活化成為60Co、58Co 和110mAg 等，沉積在堆芯和堆外設(shè)備表面，形成輻射場。

在停堆過程中,主冷卻劑經(jīng)過凈化和除氣,降低了溶解于其中的放射性物質(zhì)的濃度,并基本清除了可能存在的裂變產(chǎn)物(主要是惰性氣體和碘)。但這種凈化和除氣過程對降低沉積在反應(yīng)堆主、輔系統(tǒng)管道、設(shè)備內(nèi)壁面的腐蝕活化產(chǎn)物的作用較小,而它們形成了對大修期間集體劑量的主要貢獻(xiàn)。

為了降低反應(yīng)堆停役期間的劑量或縮短大修工期，在停堆前采用氧化運行工藝，將空氣或H2O2引入主回路水中，使活化腐蝕產(chǎn)物釋放，然后通過樹脂床快速去除回路中的腐蝕產(chǎn)物，降低停役時的輻射場劑量。

1 源項的來源

1.1 中子和裂變產(chǎn)物

中子和裂變產(chǎn)物是在反應(yīng)堆的運行中直接和必然的產(chǎn)物。其中， 中子是維持反應(yīng)堆正常運行必不可少的條件及產(chǎn)物。裂變產(chǎn)物對人員的危害相對較小， 在燃料包殼沒有破損的情況下絕大部分裂變產(chǎn)物被包容在燃料組件內(nèi)， 僅有很少部分惰性氣體、氚和碘進(jìn)入一回路冷卻劑中。

1.2 腐蝕活化產(chǎn)物

在反應(yīng)堆運行過程中，一回路材料中的鐵、鈷、鎳等通過腐蝕、磨損等方式進(jìn)入一回路冷卻劑中形成腐蝕產(chǎn)物， 腐蝕產(chǎn)物以“ 溶解沉積”的動態(tài)平衡方式存在于一回路系統(tǒng)設(shè)備及冷卻劑中。在堆芯中被活化的腐蝕產(chǎn)物在堆芯以外的設(shè)備表面沉積就導(dǎo)致了堆芯外設(shè)備的輻射場的形成， 其中活化產(chǎn)物沉積量決定著輻射水平的高低。活化產(chǎn)物種類同反應(yīng)堆一回路及相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備材料密切相關(guān)。

2 停堆源項的轉(zhuǎn)移

對于典型的壓水堆核電站，反應(yīng)堆功率運行時，由于γ射線將引起水的輻照分解(2H2O+γ=2H2+O2)，為抑制水的輻照分解而產(chǎn)生危害較大的氧，通過容控箱的氫氣覆蓋使RCP冷卻劑中含有一定濃度的溶解氫，正常運行時RCP水中溶解氫含量為25～35 ml/kg，反應(yīng)堆冷卻劑處于一個還原性的環(huán)境。但在反應(yīng)堆為定期檢查(或換料)而停堆時，由于反應(yīng)堆冷卻劑溫度的下降和硼濃度上升等因素，離子狀的58Co和鎳濃度將上升到功率運行時的1 000倍以上。而促使腐蝕產(chǎn)物集中“釋放”的最大動力是冷卻劑由還原性環(huán)境向氧化性環(huán)境的轉(zhuǎn)變，在濃度高時利用一回路化容系統(tǒng)的凈化床來凈化反應(yīng)堆冷卻水是非常有效的。停堆過程中，隨著溶解氫的下降到系統(tǒng)排水空氣進(jìn)入，冷卻劑由還原性環(huán)境向氧化性環(huán)境轉(zhuǎn)變，相當(dāng)部分的腐蝕產(chǎn)物開始逐步大量的釋放到主系統(tǒng)冷卻劑中，由于這段時間較長而且冷卻劑中的放射性水平處于較高的水平，會大大增加此時工作人員的接受劑量。

3 氧化運行

3.1 氧化運行歷史、分類、原理和國內(nèi)外現(xiàn)狀

壓水堆核電機(jī)組強(qiáng)迫氧化運行興起于歐美核電大國，20世紀(jì)末國內(nèi)核電站核電廠相繼從日本、法國等國家引入化學(xué)氧化運行方案，通過停堆期間向一回路系統(tǒng)引入氧化劑，使腐蝕產(chǎn)物快速、集中釋放，實現(xiàn)集中處理。

氧化運行分為強(qiáng)迫氧化運行和自然氧化運行，兩種方式存在差異，但基本原理一致，都是通過與主系統(tǒng)中的腐蝕活化產(chǎn)物進(jìn)行氧化反應(yīng)，使其從堆芯和管道的表面剝落進(jìn)入冷卻劑中，使這些腐蝕活化產(chǎn)物被化容系統(tǒng)的凈化床和過濾器捕獲，從而到達(dá)降低主系統(tǒng)放射性的目的。

國際上最流行的是強(qiáng)迫氧化法，也就是加雙氧水氧化法。典型壓水堆M310機(jī)組《化學(xué)和放射化學(xué)技術(shù)規(guī)范》中票C.1.5 圖1“氧化冷停堆”的“降溫過程T≤120 ℃注入空氣氧化”“降溫過程T≤80 ℃注入H2O2氧化”。

自然氧化運行主要在秦山地區(qū)實施過，秦一廠從R111開始至R118，方家山204大修，秦二廠308大修都使用自然氧化運行。

3.2 強(qiáng)迫氧化運行

強(qiáng)迫氧化運行工藝技術(shù)，就是根據(jù)主冷卻劑系統(tǒng)中腐蝕活化產(chǎn)物的溶解度隨溫度變化特點，在主系統(tǒng)降溫過程中,在冷停堆至80 ℃(溶解度最大)時，向主系統(tǒng)注入一定量的氧化劑(雙氧水)，使系統(tǒng)迅速達(dá)到氧化性環(huán)境，促使疏松的表面腐蝕產(chǎn)物集中釋放，通過化學(xué)容積控制系統(tǒng)凈化床除去腐蝕產(chǎn)物，提高了對冷卻劑的凈化效果。同時通過氧化運行，容器和管道表面生成新的保護(hù)膜，阻止進(jìn)一步釋放。這樣原需幾天的釋放過程被縮短至幾十分鐘完成，使主回路的劑量盡快達(dá)到可以接受的水平，降低設(shè)備、管道的輻射水平,達(dá)到有效降低大修集體劑量水平的目的。同時加雙氧水也是為了將二價鐵離子氧化成三價鐵離子，保證換料水池的澄清。

3.3 自然氧化運行

自然氧化運行工藝技術(shù)，機(jī)組停堆下行階段仍按照現(xiàn)有加雙氧水的操作規(guī)程、化學(xué)和放射化學(xué)技術(shù)規(guī)范對主系統(tǒng)的溶氫、硼濃度、鋰濃度、放射性活度濃度、各容器氫含量等指標(biāo)進(jìn)行控制，但在主系統(tǒng)降溫至80 ℃時不向主系統(tǒng)加入雙氧水：在開蓋前采用穩(wěn)壓器通大氣及堆頂放氣閥開啟時自然引入氧化劑(空氣)的運行方式。在接下來的幾個階段，隨著空氣中氧氣的不斷進(jìn)入，主系統(tǒng)也開始有一個緩慢氧化的過程，尤其是在停冷的投入、穩(wěn)壓器消汽腔、主系統(tǒng)排水、開壓力容器頂部放氣閥和排水至壓力容器法蘭面等幾個主要操作階段，隨著氧氣的大量進(jìn)入使系統(tǒng)水質(zhì)中的溶解氧濃度升高，緩慢氧化過程中主系統(tǒng)核素也會有峰值出現(xiàn)。

4 強(qiáng)迫氧化與自然氧化的優(yōu)異性

4.1 強(qiáng)迫氧化的優(yōu)點

1)降低停堆劑量率和大修人員照射劑量；

2)減小腐蝕產(chǎn)物對燃料性能影響；

3)減小腐蝕產(chǎn)物和輻射場累積；

4)縮短腐蝕產(chǎn)物去除時間，為大修贏得時間；

5)氧化劑通常選擇過氧化氫，它具有強(qiáng)氧化性，反應(yīng)后生成水，不向系統(tǒng)引入雜質(zhì)的特征。

4.2 強(qiáng)迫氧化的遇到的問題

1)顆粒腐蝕產(chǎn)物大量釋放，部分在低流速區(qū)域沉積形成熱點。

2)部分PWR發(fā)生嚴(yán)重110mAg累積問題，對氧化運行性能產(chǎn)生明顯影響。

3)高濃度的過氧化氫可能加速凈化床樹脂的老化。

4.3 自然氧化運行的優(yōu)點

1)降低停堆劑量率和大修人員照射劑量；

2)減小腐蝕產(chǎn)物對燃料性能影響；

3)減小腐蝕產(chǎn)物和輻射場累積；

4)不需要添加雙氧水的操作；

5)自然氧化期間主系統(tǒng)可不間斷降溫、無需對R廠房內(nèi)工作人員清理及封閉R廠房，使得大修主線工作更為順暢，可節(jié)省大修關(guān)鍵路徑2～3 h。

4.4 自然氧化運行的遇到的問題

1)不利于亞鐵離子完全氧化成三價鐵，可能形成綠色亞鐵膠體，使換料水池渾濁;

2)主冷卻劑活化腐蝕產(chǎn)物峰值的出現(xiàn)時間上存在不確定性。

5 氧化運行的評價

通過上面的比較可以看出，自然氧化和強(qiáng)迫氧化的原理基本相同，都是將燃料組件及管道中的活化產(chǎn)物釋放，然后通過凈化床去除。自然氧化和加雙氧水氧化各有優(yōu)缺點，但從總體上來講，建議后續(xù)以加雙氧水氧化運行為主，自然氧化為輔，兩者可以交替進(jìn)行。

1)大修人員照射劑量的多少，但由于每次大修檢修項目、檢修時間不同，很難進(jìn)行評價。

2)換料水池是否出現(xiàn)渾濁。

3)大修工期，沒有因為氧化運行導(dǎo)致大修工期延誤。

6 研究與探索

后續(xù)的研究方向主要以降低減少系統(tǒng)中源項、降低停堆源項的釋放或加大源項的釋放，最終降低機(jī)組大修的劑量。

(1)降低減少系統(tǒng)中源項

通過一回路注鋅等方式降低系統(tǒng)中及燃料包殼上的腐蝕(活化)產(chǎn)物，從而降低停堆過程中一回路放射性的釋放總量，降低大修劑量。

(2)降低源項的釋放

降低燃料組件中活化產(chǎn)物釋放，使其停留在堆芯，降低氧化運行時的峰值，降低產(chǎn)生熱點的可能。主要可以自然氧化運行、通過提前停運主泵，只運行停冷泵等方式，使沉積物保留在燃料包殼表面。

(3)加大源項的釋放

氧化運行方式使用強(qiáng)迫氧化運行，加快堆芯活化腐蝕產(chǎn)物的釋放，同時在降溫期間，主泵運行會提高一回路匯總沉積物的遷移速度，堆芯內(nèi)沉積物的溶解速度會隨主泵運行數(shù)量增加而增加。所以可以考慮保持多臺主泵同時運行，更大限度的將燃料中的活化產(chǎn)物釋放，降低換料操作區(qū)域的輻射水平，同時在開展檢修作業(yè)時,大修集體劑量將因作業(yè)現(xiàn)場輻射水平的降低而降低,如泵體、閥門的檢修、SG堵板和卸料作業(yè)等。