水化學(xué)參數(shù)對壓水堆燃料表面污垢沉積過程的影響研究

蒙舒祺，胡友森，金德升，毛玉龍，阮天鳴，胡藝嵩，朱元兵，周 青

水化學(xué)參數(shù)對壓水堆燃料表面污垢沉積過程的影響研究

蒙舒祺，胡友森*，金德升，毛玉龍，阮天鳴，胡藝嵩，朱元兵，周 青

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

通過調(diào)整壓水堆（Pressurized Water Reactor，PWR）運行期間各種水化學(xué)參數(shù)，能夠有效控制一回路水質(zhì)。作為影響燃料性能的重要因素，污垢（Chalk Rivers Unidentified Deposits，CRUD）在燃料表面的沉積行為會隨水化學(xué)參數(shù)調(diào)整而改變。本文研究了溶解氫氣（Dissolved Hydrogen，DH）濃度、pH值、注鋅和超聲波清洗（Ultrasonic Fuel Cleaning，UFC）對某PWR功率運行期間CRUD沉積過程的影響，結(jié)果表明DH濃度對CRUD沉積影響較小，提高pH值、注鋅和應(yīng)用UFC能夠抑制CRUD沉積。研究成果為從水化學(xué)控制角度提高PWR安全性和經(jīng)濟性提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

壓水堆；燃料；污垢；水化學(xué)；沉積

國內(nèi)外大部分PWR機組采用調(diào)節(jié)DH濃度和pH值的方法控制功率運行期間一回路腐蝕[1]。為降低一回路放射性，美國[2]、法國[3]和日本[4]嘗試向PWR一回路注鋅，并取得了良好實踐。對于燃料表面積垢嚴重的機組，美國在大修期間采用超聲波清洗（UFC）技術(shù)清潔燃料棒，以緩解CRUD對燃料性能的影響[5]；UFC技術(shù)在瑞典PWR機組上同樣有所應(yīng)用，運行數(shù)據(jù)表明UFC可大幅降低CRUD水平[6]。CRUD是PWR一回路金屬材料腐蝕釋放產(chǎn)物在燃料表面沉積后形成的物質(zhì)，其沉積過程本質(zhì)上是腐蝕釋放產(chǎn)物溶解后生成的離子在燃料表面大量析出[7]，水化學(xué)參數(shù)的調(diào)整可能會改變離子飽和溶解度，最終對CRUD沉積過程產(chǎn)生影響。

本文闡明了水化學(xué)參數(shù)對CRUD沉積過程的影響機理，采用中廣核研究院自主開發(fā)的分析軟件對某PWR在不同DH濃度、pH值、注鋅濃度和應(yīng)用UFC時連續(xù)循環(huán)的CRUD總量進行了模擬，并給出了水化學(xué)參數(shù)對CRUD沉積過程影響的量化結(jié)果。

1　模型介紹

1.1　腐蝕釋放速率

金屬材料的腐蝕釋放產(chǎn)物是CRUD產(chǎn)生的根源[8]，水化學(xué)參數(shù)調(diào)整會對腐蝕釋放速率產(chǎn)生影響。美國電力研究院根據(jù)運行數(shù)據(jù)，給出了蒸汽發(fā)生器和主管道的腐蝕釋放速率經(jīng)驗公式[9]：

其中：CRsg、CRpipe——蒸汽發(fā)生器和主管道的腐蝕釋放速率，mg/（dm2·month-1）；

［H+］——氫離子濃度，mol/kg。

注鋅能夠抑制PWR金屬材料的腐蝕釋放，參考文獻［10］給出了不同注鋅濃度下蒸汽發(fā)生器和主管道材料的腐蝕釋放速率，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可擬合出注鋅濃度對腐蝕釋放速率的修正系數(shù)：

［Zn］——注鋅濃度，10-9；式（4）注鋅濃度適用范圍為0～50×10-9。

添加DH是為了維持PWR一回路還原性環(huán)境，對DH濃度的控制主要是防止金屬材料產(chǎn)生應(yīng)力開裂[11]，現(xiàn)有PWR運行經(jīng)驗表明DH濃度對金屬材料腐蝕釋放速率的影響很小[12]。

1.2　離子飽和溶解度

根據(jù)PWR實際檢測的CRUD數(shù)據(jù)，Ni、Fe、Cr在CRUD中占比超過90%，且Cr的沉積物較穩(wěn)定[13]，因此不考慮水化學(xué)參數(shù)對Cr和其他微量元素飽和溶解度的影響。注鋅后，Zn可能在過冷泡核沸騰劇烈的區(qū)域析出[14]，因此需要考慮Zn的飽和溶解度。在PWR典型工況下，Ni、Fe和Zn穩(wěn)定進行的化學(xué)反應(yīng)主要有[14,15]：

根據(jù)沉淀溶解化學(xué)反應(yīng)，可推導(dǎo)出Ni、Fe、Zn的飽和溶解度計算公式：

其中：CNi、CFe、CZn——Ni、Fe、Zn飽和溶解度，mol/kg；

［H2］——DH濃度，mol/kg；

基于Crawford D W等［7-8］，［2］336的休閑制約理論，本研究將制約因素分為個人內(nèi)在制約因素、人際間制約因素和結(jié)構(gòu)性制約因素，并對130篇文獻中出現(xiàn)的各種制約因素進行分類統(tǒng)計。

［H+］——氫離子濃度，mol/kg，與pH的公式（3）已給出；

K——化學(xué)平衡常數(shù)，可寫成與溫度相關(guān)的函數(shù)，下標對應(yīng)不同的金屬氧化物。

1.3　CRUD沉積

一回路系統(tǒng)內(nèi)析出形成CRUD的過程是非穩(wěn)態(tài)的化學(xué)動力學(xué)行為，在模擬CRUD沉積時，通常假設(shè)主流體和燃料表面之間存在一個薄層，在薄層內(nèi)離子的析出和溶解始終處于穩(wěn)態(tài)[16]。基于薄層模型，可得到單位面積上CRUD的沉積速率：

下標——Ni、Fe、Zn三種元素。

1.4　CRUD繼承率

定義CRUD繼承率：

CRUD繼承率數(shù)值越大，表示大修期間CRUD被移除的總量越少。根據(jù)國外PWR運行經(jīng)驗[5,6]，應(yīng)用UFC能夠移除約80%的CRUD，若采用高效UFC（High Efficient Ultrasonic Fuel Cleaning，HEUFC），CRUD移除效率可接近90%。

2　分析結(jié)果

2.1　輸入?yún)?shù)

中廣核自主研發(fā)的污垢分析軟件CAMPSIS包含了上述模型[20]。分析表明，水化學(xué)參數(shù)調(diào)整會對PWR金屬材料腐蝕釋放速率、CRUD沉積速率和CRUD繼承率產(chǎn)生影響。表1給出了模擬水化學(xué)參數(shù)調(diào)整對某PWR功率運行期間CRUD沉積行為影響的主要輸入?yún)?shù)，基準工況參數(shù)為：DH濃度=30 mol/kg、pH值=7.2、注鋅濃度=0、CRUD繼承率=0.7。計算所需的熱工水力參數(shù)由子通道程序LINDEN提供[17]。

表1　模擬水化學(xué)調(diào)整對CRUD沉積過程影響的輸入?yún)?shù)

2.2　對計算結(jié)果的討論

圖1～圖4給出了水化學(xué)參數(shù)對某PWR連續(xù)循環(huán)CRUD總量影響的量化結(jié)果，可以看出：

（1） DH濃度對CRUD總量影響較小，與國際上進行過DH濃度調(diào)整的PWR運行經(jīng)驗吻合[12]；

（2） pH從6.8提高至7.4，CRUD總量減少約15%，表明提高pH可抑制CRUD沉積。但是pH過高可能會造成燃料包殼失效風(fēng)險增加[21]，因此目前國際上通常將PWR一回路pH控制在弱堿性區(qū)間[1]；

（3）模擬從首循環(huán)開始持續(xù)注鋅。注鋅后CRUD總量減少約40%，但是將注鋅濃度從5×10-9提升至30×10-9，CRUD總量降幅較小（約4%）。注鋅工況的分析結(jié)果表明，注鋅能夠有效抑制CRUD沉積，但高濃度注鋅對CRUD的影響較小，且還可能造成Zn在CRUD中析出[14]，因此國際上大部分注鋅PWR機組采用低濃度注鋅模式[2,3]；

圖1　DH濃度對CRUD總量影響分析結(jié)果

圖2　pH值對CRUD總量影響分析結(jié)果

圖3 注鋅濃度對CRUD總量影響分析結(jié)果

（4）以第1到第2循環(huán)為例，相對基準工況，應(yīng)用UFC后CRUD總量減少約27%，應(yīng)用HEUFC可使CRUD總量減少約40%。若持續(xù)應(yīng)用UFC，后續(xù)循環(huán)CRUD總量可得到持續(xù)控制。

對PWR機組進行水化學(xué)參數(shù)調(diào)整時，需要綜合考慮各循環(huán)的熱工水力狀態(tài)，同時對DH濃度、pH、注鋅濃度和UFC進行組合，以提升對CRUD沉積的抑制效果。

圖4　應(yīng)用UFC對CRUD總量影響分析結(jié)果

3　結(jié)論

本文闡明了水化學(xué)參數(shù)對CRUD沉積過程的影響，給出了水化學(xué)參數(shù)對某PWR連續(xù)循環(huán)CRUD總量影響的量化結(jié)果，主要結(jié)論如下：

（1） DH的作用是維持PWR一回路還原性環(huán)境，調(diào)整DH濃度對CRUD沉積影響較小；

（2）提高一回路pH可以抑制金屬材料腐蝕、改變離子態(tài)腐蝕產(chǎn)物的飽和溶解度，最終影響CRUD沉積速率；

（3）注鋅可大幅度降低CRUD總量，但高濃度注鋅對CRUD的抑制作用較小，建議采用低濃度持續(xù)注鋅；

（4）在大修期間進行UFC能夠除去更多CRUD，從而減少再入堆燃料組件表面的CRUD總量。

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Effect of Water Chemistry Parameters on PWR Fuel CRUD Deposition Process

MENG Shuqi，HU Yousen*，JIN Desheng，MAO Yulong，RUAN Tianming，HU Yisong，ZHU Yuanbing，ZHOU Qing

（China Nuclear Power Technology Research Institute，Shenzhen of Guangdong Prov. 518000，China）

The quality of PWR primary coolant can be maintained by adjusting multiple water chemistry parameters. As a key factor on fuel performance, the deposition process of CRUD will be influenced by the adjustment of water chemistry conditions. A PWR CRUD deposition process during power operation period has been analyzed under different DH concentrations, pH values, zinc injection and UFC. The results show that changing the DH concentration has little impact on CRUD deposition, while elevating the pH value, injecting zinc and applying UFC are able to depress CRUD deposition. The study findings provide theoretical evidence and supporting data for improving PWR safety and economy from water chemistry controlling aspect.

PWR; Fuel; CRUD; Water chemistry; Deposition

TL38+4

A

0258-0918（2023）03-0494-05

2022-09-15

國家自然科學(xué)基金（U20B0211，針對堆芯氧化腐蝕產(chǎn)物材料-熱工-中子行為的多物理耦合機理）；國家自然科學(xué)基金（52171085，模擬壓水堆一回路冷卻劑中燃料包殼管表面污垢沉積行為與機理研究）

蒙舒祺（1992—），男，廣東惠州人，工程師，碩士，現(xiàn)從事反應(yīng)堆一回路熱工水力和水化學(xué)研究

胡友森，E-mail：huyousen@cgnpc.com.cn