游泳池式輕水反應堆一回路水質監測技術及水質控制

尹 璟，王 凌

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

49-2 游泳池式輕水反應堆（以下簡稱49-2堆）始建于1959 年，1964 年達到首次臨界，1965年3 月達到滿功率3.5 MW 運行，至今已安全運行58 年。

49-2 堆是以輕水作為冷卻劑和慢化劑的游泳池式反應堆，一回路水入口溫度不超過45℃。49-2 堆主要結構材料（泳池池壁、活性區元件包殼及套管等）為鋁合金，而管道、水泵和熱交換器等其他材料為不銹鋼。從腐蝕角度考慮，鋼材和鋁材并存時對水質的要求是不同的，在水質控制時需對此進行考慮［1］。

49-2 堆的一回路水直接與燃料元件相接觸，適宜的水質條件對于保證反應堆正常運行是十分重要的［2］。為了確保水質維持在運行限值內，維護反應堆安全運行，需要定期對水的各項數據進行監測并建立靈敏度高、可靠、準確、快速地測定水中離子含量的方法，當水質出現接近甚至偏離限值時，投入凈化系統對一回路水進行凈化。

49-2 堆根據標準［3］制定了更嚴格、切合實際的運行限值條件，見表1。

表1 49-2 堆水質運行限值Table 1 Operating limits for the primary water quality of 49-2 reactor

1 49-2 堆一回路水中離子含量監測

1.1 一回路水中鐵離子的分析

鐵離子在水中主要的危害是它與水中某些陰離子形成難溶性的化合物式復鹽式膠體微粒，這些離子均又增加水中固體殘渣含量，而固體殘渣的存在會妨礙導熱效率。它所具有的放射性造成閥門、水泵、熱交換器等局部放射性“熱點”，給設備維修帶來困難?；罨说母g產物沉積在設備上還會增加輻照腐蝕作用，加速材料腐蝕。

49-2 堆自建堆以來一直采用4，7-二苯基-1，10 鄰菲羅啉分光光度法測定一回路水中的微量鐵離子［4］，原方法采用硫代乙醇酸溶解非反應性的鐵化合物，使之轉變成為二價鐵，但硫代乙醇酸具有強腐蝕性和強烈臭味，使用極不安全。因此對該方法進行了改進，采用抗壞血酸作還原劑替代硫代乙醇酸將水中的鐵全部轉化為二價鐵，pH 在3～5 之間，二價鐵與4，7-二苯基-1，10 鄰菲羅啉形成紅色絡合物［Fe（BPTL）3］2+，此絡合離子不溶于水而溶于乙醇-水的混合物。在30%～50%的乙醇-水溶液中，在534 nm 附近有最大吸收波長，吸光度與水中Fe2+的含量成正比。此方法分析成本較低，對儀器無較高要求。

取已知鐵含量的樣品進行回收實驗結果見表2。

表2 鐵回收率的測定Table 2 Determination of iron recovery rate

從表中的數據可以看出，本方法重現性較好，回收率大于95%。

1.2 一回路水中銅離子的分析

反應堆一回路水中銅的存在會引起還原反應而沉淀在鋁材的表面上，形成微原電池中的陰極，鋁材為陽極，從而加速氧化膜的溶解，形成點腐蝕，當銅氯并存時，更加速了點腐蝕的形成［5］。

49-2 堆自建堆以來一直采用分光光度法測定水中痕量銅［6］。此法以銅試劑作為顯色劑，三氯甲烷作為萃取劑，操作煩瑣，同時，水樣中銅含量較低時，吸光度值接近于零，低于方法檢測下限，方法靈敏度較低，樣品用量大。并且，三氯甲烷有毒，對檢測人員的身體危害極大。目前49-2 堆采用催化動力分光光度法測定水中痕量銅。該方法是在堿性介質中以銅離子催化過氧化氫氧化還原酚酞，其反應為：

在固定還原酚酞（C20H16O4）、過氧化氫、氯化鈉和堿性溶液的條件下，催化顯色反應速率為：

據此49-2 堆采用固定時間法，用紫外-可見分光光度法測定非催化反應和催化反應的吸光度，在552 nm 處有最大吸收波長，其吸光度增量ΔA 與銅離子濃度［Cu2+］在一定范圍內呈線性關系。

取已知Cu2+含量的49-2 堆一回路水樣進行回收實驗，結果見表3。

表3 銅回收率的測定Table 3 Determination of copper recovery rate

從表中的數據可出，本方法重現性較好，回收率大于92%。

1.3 一回路水中氯離子、總固體雜質的分析

水中氯離子含量升高會引起不同程度點腐蝕，水中氯離子的存在會使鋁的氧化膜削弱處或缺陷處加速溶解，即使是微量的氯也會使氧化膜溶解，加速點腐蝕。因此49-2 堆一回路水中氯的含量是反應堆及有關實驗回路水質標準的重要指標之一。

49-2 堆使用離子色譜儀對氯離子含量進行測量。操作簡單，化學試劑污染小，而且出數據快，便于提高監測頻率。

49-2 堆主要使用蒸發-稱重法對固體雜質含量進行分析測量。圖1 至圖4 分別為49-2堆2014—2022 年一回路中鐵離子、銅離子、氯離子、固體雜質含量。

圖1 不同年份49-2 堆一次水鐵離子Fig.1 The iron ion of the primary water of 49-2 reactor in different year

圖2 不同年份49-2 堆一次水銅離子Fig.2 The cupric ion of the primary water of 49-2 reactor in different year

圖3 不同年份49-2 堆一次水氯離子Fig.3 The chloridion of the primary water of 49-2 reactor in different year

圖4 不同年份49-2 堆固體總雜質Fig.4 The solid impurity of the primary water of 49-2 reactor in different year

由圖1 至圖4 可知，49-2 堆定期對一回路水離子含量等進行檢測，運行人員根據檢測結果將一回路水質嚴格控制在運行限值之內，保障了反應堆的安全運行。

2 49-2 堆一回路水pH 和電導率分析

在49-2 堆運行及停堆期間，會定期對一回路水質進行分析，比電阻、pH 和離子濃度是檢測水質以及評估其水質狀況的重要參考，而最快速直接的是對一回路水進行pH 和比電阻檢測［7］。

在反應堆運行期間，通過對一回路水取樣口水樣進行pH 和比電阻檢測［8］。在反應堆停堆期間，通過對堆水池取樣進行檢測。同時，在49-2堆一回路管線上加裝了一套在線電導率儀［9］對一回路水進行在線分析。

圖5 和圖6 分別為2014—2022 年49-2 堆一次水pH 與電導率變化圖。由圖可知，49-2堆長期保持一回路水pH 在5.5～6.5 之間，電導率維持在2 μs·cm-1以下。當水質接近限值時，投入凈化系統，使一回路水質保持在運行限值以下。

圖5 不同年份49-2 堆一次水pH 值Fig.5 The pH of the primary water of 49-2 reactor in different year

圖6 不同年份49-2 堆一次水電導率Fig.6 The conductivity of the primary water of 49-2 reactor in different year

3 49-2 堆一回路水質控制

49-2 堆一回路水質控制的有效性與水質監測標準和化學監督實施力度有關。

49-2 堆按照規定的監督項和頻次對一回路水進行取樣和在線分析，并給出結果和評價，當出現接近甚至偏離限值時，應及時采取糾正措施。

49-2 堆一回路水化學運行的糾正行動通常為凈化系統的投入，圖7 為49-2 堆凈化系統示意圖。49-2 堆凈化系統配置三臺離子交換器，離子交換器有效高度1900 mm，可裝填樹脂最大容量765 L。三臺離子交換器可靈活配合幾種樹脂的不同裝料方式運行，滿足凈化要求，通過改變管路上閥門的開閉狀態，可控制三臺離子交換器的運行狀態，使其可單獨運行、兩臺串聯或三臺串聯運行，具有靈活的運行方式［10］。

圖7 49-2 堆凈化系統示意圖Fig.7 The purification system schematic of 49-2 reactor

同時，49-2 堆對一回路水補給水系統的產水水質進行嚴格控制，保證向堆水池補充的去離子水水質滿足運行需求。49-2 堆制水系統經過兩級反滲透系統及EDI（Electrodeionization）又稱連續電除鹽技術后去離子水的電導率一般均小于0.5 μs·cm-1，滿足運行需求。

4 結論

49-2 堆是我國運行時間最長的實驗型堆，現階段依然承擔著許多的科研任務，對其一回路水質檢測方法及數據的總結分析是非常有必要的，對評估49-2 堆一回路水質控制效果具有一定的參考意義。本文對49-2 堆一回路水質檢測方法及測量結果進行總結分析。結果表明，49-2 堆在過去十幾年的運行中一回路水質檢測方法在逐步更新與完善，運行人員對一回路水質控制在運行限值之內，保障了反應堆的安全運行。以上結論可對49-2 堆繼續運行的申請及退役管理提供參考依據。