壓水堆核電廠一回路注鋅濃度控制分析

黃怡彬，王爭(zhēng)光，彭 躍

（1.中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518172；2.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳 518172）

大量研究及工程實(shí)踐表明，一回路注鋅技術(shù)可以有效降低堆外輻射，緩解一次側(cè)應(yīng)力腐蝕破裂（PWSCC），改善反應(yīng)堆功率軸向偏移異常（AOA）等問題。目前該技術(shù)已在全世界近1/3的壓水堆核電站中應(yīng)用[1]。

注鋅技術(shù)雖然有諸多益處，但鋅離子有可能在燃料表面生成沉淀[2]，對(duì)堆芯安全及機(jī)組運(yùn)行造成潛在風(fēng)險(xiǎn)。鋅濃度是產(chǎn)生沉淀風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，而現(xiàn)有文獻(xiàn)資料對(duì)鋅濃度控制的分析多為定性分析，無法為注鋅技術(shù)具體實(shí)施時(shí)的工程設(shè)計(jì)及判斷提供合理參考。

文章對(duì)一回路注鋅技術(shù)實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵因素注鋅濃度進(jìn)行分析，基于某三代堆技術(shù)方案特點(diǎn)，對(duì)注鋅過程中可能出現(xiàn)的鋅濃度變化進(jìn)行了計(jì)算分析，為注鋅技術(shù)的實(shí)施提供參考。

1 注鋅技術(shù)概述及風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 一回路注鋅技術(shù)應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

在反應(yīng)堆冷卻劑中注鋅后，鋅離子能夠進(jìn)入一回路部件表面的氧化膜中，使得放射性元素58Co 和60Co在部件表面氧化膜中的吸收和沉積減少，進(jìn)而降低堆外輻射劑量[3]。同時(shí)鋅離子的沉積能夠改變?cè)O(shè)備表面腐蝕層的組成，使得氧化膜腐蝕層更加穩(wěn)定，降低PWSCC。鋅也能夠進(jìn)入燃料表面的積垢層中，使得積垢變得更薄，從而減輕AOA。

注鋅技術(shù)對(duì)堆外輻射場(chǎng)有顯著的降低作用，美國(guó)核電站注鋅經(jīng)驗(yàn)表明，大多數(shù)電站注鋅的第一、二燃料循環(huán)的輻射劑量率下降20%。德國(guó)電站注鋅經(jīng)驗(yàn)顯示，注鋅電站輻射水平平均每年降低10%~15%，平均累計(jì)降低輻射水平約50%[4]。

1.2 一回路注鋅技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)

一回路注鋅對(duì)燃料存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，由于鋅離子在反應(yīng)堆冷卻劑條件中的化合物多為負(fù)溫度溶解系數(shù)特性，相比其他部位，鋅更有可能沉積在溫度較高的燃料表面。AOA 是冷卻劑中的溶質(zhì)在燃料棒上沉積導(dǎo)致的，在過冷泡核沸騰（SNB）區(qū)域容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象[5]，離子濃度越高，在SNB 區(qū)域越容易達(dá)到沉淀飽和析出。如果注鋅濃度過高，產(chǎn)生鋅的相關(guān)化合物沉淀，則有可能導(dǎo)致AOA 出現(xiàn)。針對(duì)該潛在風(fēng)險(xiǎn)，需要在注鋅實(shí)施過程中對(duì)鋅濃度進(jìn)行合理控制。

在一回路溫度及pH 條件下，鋅會(huì)產(chǎn)生多種氫氧根化合物。在燃料附近pH 為6.9和溫度為343℃的條件下，鋅的溶解度約為178×10–9（考慮Zn（OH）+，Zn（OH）2及Zn（OH）3–）。基于高溫下的鋅溶解度實(shí)驗(yàn)，保守認(rèn)為在一回路水化學(xué)條件下，鋅離子濃度小于40×10–9可避免沉淀相關(guān)的問題[2]，在該濃度長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性已在大量電站應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

從以上分析可見，將注鋅濃度控制在合理的范圍，對(duì)于控制注鋅技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)是至關(guān)重要的。在進(jìn)行注鋅方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先對(duì)注鋅濃度的控制進(jìn)行限定，并對(duì)實(shí)施過程中可能出現(xiàn)的鋅濃度變化情況進(jìn)行分析控制。

1.3 注鋅濃度分析

正常運(yùn)行時(shí)，為了保持一回路材料氧化層的穩(wěn)定，鋅的目標(biāo)濃度通常要求保持一個(gè)恒定值。這個(gè)值的選取主要基于兩個(gè)方面的考慮：為了形成保護(hù)性更強(qiáng)的含鋅氧化膜，鋅濃度應(yīng)在限定范圍內(nèi)盡可能高；而為了降低注鋅可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，鋅濃度應(yīng)盡可能低。

考慮鋅濃度的選取需首先確認(rèn)注鋅的目的，實(shí)現(xiàn)不同目的所采用的鋅濃度不同。通常采用較低濃度注鋅（5×10–9~10×10–9）用于降低劑量率；較高濃度注鋅（15×10–9~40×10–9）用于減緩PWSCC。注鋅技術(shù)最初應(yīng)用時(shí)，鋅濃度通常控制在較高的范圍，近年來，大多注鋅電站的鋅濃度調(diào)整到較低的范圍[6]。根據(jù)圖1統(tǒng)計(jì)的美國(guó)低濃度注鋅電站的注鋅目標(biāo)濃度，絕大多數(shù)在5×10–9~15×10–9，均值約10×10–9[6]。

圖1 壓水堆一回路注鋅濃度（目標(biāo)值）統(tǒng)計(jì)[1]

對(duì)于某三代堆來說，由于其蒸汽發(fā)生器采用的是690 TT 合金材料，不易腐蝕，注鋅的目的可僅考慮降低輻射場(chǎng)。基于這個(gè)目的，適合采用低濃度注鋅方案，有效降低輻射場(chǎng)的同時(shí)，盡可能減小了注鋅相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

2 注鋅過程濃度變化分析

在注鋅到達(dá)穩(wěn)態(tài)后機(jī)組正常運(yùn)行的情況下，鋅的注入量和去除量應(yīng)維持在平衡的狀態(tài)。但在一些情況下，可能發(fā)生注入量與去除量之間的不匹配，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致一回路鋅濃度發(fā)生變化，需要對(duì)其進(jìn)行分析并確認(rèn)對(duì)注鋅產(chǎn)生的影響。

分析一回路鋅濃度的變化，首先需要對(duì)一回路冷卻劑中鋅含量建立如下平衡關(guān)系：

式中，CZn(t)：t時(shí)刻一回路冷卻劑中鋅濃度（×10–9）；CZn(t+dt)：t+dt時(shí)刻一回路冷卻劑中鋅濃度（×10–9）；V一回路為一回路水裝量（t）；RCV凈化：凈化系統(tǒng)的凈化流量（t/h）；zn注入：鋅的注入速率（g/h）。

由該方程可得，發(fā)生凈化和注入量不匹配的瞬態(tài)時(shí)，鋅濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系式為：

在以下幾個(gè)情況中，可能出現(xiàn)凈化與鋅注入不匹配的問題，針對(duì)各情況分別對(duì)一回路鋅濃度的變化進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 鋅注入速率大于去除速率

由于非故障情況正常注入量相對(duì)去除量偏大的情況，可以通過取樣分析和設(shè)備調(diào)節(jié)的方式調(diào)整，在此不贅述。主要需分析的是以下兩種故障情況。

2.1.1 凈化單元喪失

此時(shí)凈化流量為零，注鋅速率為正常運(yùn)行設(shè)計(jì)值。則式（1）可以簡(jiǎn)化為式（3）。

可見此時(shí)鋅濃度的增加量與注鋅速率為線性關(guān)系。在未喪失凈化的正常情況下，注鋅速率與凈化去除的鋅量相當(dāng)。以某三代堆為例，一回路冷卻劑裝量約為200 t，正常凈化流量約為25 t/h，平均冷卻劑鋅濃度10×10-9，則鋅的去除速率約為0.25 g/h，zn注入鋅量=0.25 g/h。計(jì)算得到鋅濃度隨時(shí)間的變化如圖2所示。

圖2 凈化單元喪失時(shí)鋅濃度隨時(shí)間變化

由圖2可見，一回路鋅濃度達(dá)到40×10–9的時(shí)間約為24 h，若考慮鋅的取樣分析頻率為1天1次，則凈化單元喪失時(shí)，一回路鋅濃度會(huì)持續(xù)快速上升，取樣分析時(shí)已達(dá)到控制上限值。因此為了避免出現(xiàn)燃料風(fēng)險(xiǎn)，建議通過運(yùn)行管理，在偏離正常凈化時(shí)，對(duì)注鋅進(jìn)行中止操作。

2.1.2 鋅設(shè)備故障導(dǎo)致超量注入

此時(shí)凈化流量為正常運(yùn)行流量值，注鋅速率為設(shè)備能夠注入最大速率。

基于鋅溶液恒定注入的要求，注鋅泵考慮使用計(jì)量泵，其正常運(yùn)行的流量通常在額定流量的70%~90%。從保守考慮，認(rèn)為正常運(yùn)行時(shí)流量值在泵的70%額定流量，注入速率為0.25 g/h，則出現(xiàn)故障時(shí)，泵會(huì)以100%流量注入，鋅的注入速率為0.357 g/h，凈化流量為正常運(yùn)行值25 t/h，可以得到鋅濃度的變化如圖3所示。

圖3 超量注入時(shí)鋅濃度隨時(shí)間變化

由 圖3 可 見，24 h 后 一 回 路 鋅 濃 度 上 升 至43×10-9左右。則在注鋅設(shè)備出現(xiàn)故障超量注入時(shí)，即使凈化單元維持運(yùn)行，一回路鋅濃度也會(huì)在較短時(shí)間達(dá)到上限值。若考慮鋅的取樣分析頻率為1天1次，則一回路冷卻劑中的鋅濃度可能會(huì)超過限值。

考慮到盡可能降低注鋅對(duì)燃料產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，除了取樣分析手段，建議增加對(duì)注入速率的在線監(jiān)測(cè)手段，如注入流量監(jiān)測(cè)或鋅溶液箱液位監(jiān)測(cè)。若運(yùn)行期間注入速率出現(xiàn)明顯變化，則立即產(chǎn)生報(bào)警，提醒操縱員及時(shí)調(diào)整注鋅參數(shù)并取樣分析一回路鋅濃度，避免出現(xiàn)濃度超限的情況。

2.2 鋅注入速率小于凈化速率

對(duì)于注入速率小于凈化速率的情況，考慮鋅注入完全停止的包絡(luò)情況。那么此時(shí)的濃度變化簡(jiǎn)化為式（4）。

鋅注入停止的情況主要由于注鋅設(shè)備故障導(dǎo)致，此時(shí)鋅注入流量為零，凈化流量為正常運(yùn)行流量25 t/h，可以得到鋅濃度的變化如圖4所示。

由圖4可見，24 h 后，一回路冷卻劑中的鋅濃度會(huì)下降至約0.5×10-9。現(xiàn)有取樣分析技術(shù)通常能夠探測(cè)到鋅濃度的低限值在0.6×10-9~1×10-9，若采用1天1次的鋅取樣分析頻率，出現(xiàn)注入完全停止的異常情況時(shí)，鋅濃度可能低于探測(cè)值，導(dǎo)致無法對(duì)注鋅情況進(jìn)行及時(shí)的掌握控制。

另一方面，由于鋅會(huì)逐漸沉積在材料中，當(dāng)冷卻劑中的鋅濃度下降時(shí)，冷卻劑和材料中鋅的動(dòng)態(tài)平衡會(huì)發(fā)生移動(dòng)，材料中的鋅會(huì)析出，使得冷卻劑中的鋅濃度下降速度更緩慢。但材料中鋅沉積量及釋出量與注鋅的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。因此，建議在初期注鋅階段，將鋅的取樣分析頻率設(shè)置在一天1~2次，以盡可能在出現(xiàn)注入失效問題時(shí)及時(shí)進(jìn)行識(shí)別調(diào)整，避免出現(xiàn)冷卻劑中鋅濃度下降低于檢測(cè)限的情況。待注鋅時(shí)間足夠長(zhǎng)，材料中沉積了較多鋅作為濃度緩沖后，可考慮評(píng)估降低鋅的取樣分析頻率。

3 結(jié)論

1）在凈化流量喪失和注鋅設(shè)備異常時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鋅注入速率大于去除速率的情況，可能導(dǎo)致一回路鋅濃度快速升高，對(duì)燃料產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。建議確保至少1天1次的取樣分析頻率，同時(shí)考慮增加注鋅速率參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)手段及偏離凈化時(shí)停止注鋅的運(yùn)行管理手段，以有效控制該風(fēng)險(xiǎn)。

2）在注鋅喪失的情況下，鋅濃度在24 h 后會(huì)降低至無法通過取樣分析探測(cè)，對(duì)于注鋅控制不利，長(zhǎng)期注鋅之后鋅濃度變化速度會(huì)減緩。因此建議在注鋅初始階段取樣分析頻率設(shè)置在1天2次，后續(xù)鋅在材料中較多沉積后可適當(dāng)降低頻率。