壓水堆核電站一回路主要活化腐蝕產(chǎn)物及水化學(xué)控制措施

孫顯海

遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧大連 116000

壓水堆核電站一回路冷卻劑系統(tǒng)在經(jīng)一回路冷卻劑運(yùn)載，在堆芯中被中子活化后形成腐蝕產(chǎn)物。在核電站運(yùn)行過程中，強(qiáng)化此類腐蝕產(chǎn)物的水化學(xué)控制對于降低污染物生成、提高核電站經(jīng)濟(jì)效益的意義重大，值得關(guān)注。

1 對一回路主要活化腐蝕產(chǎn)物的分析

1.1 壓水堆核電站一回路常見腐蝕產(chǎn)物及生成機(jī)理

目前在壓水堆核電站運(yùn)行中，一回路的常見腐蝕產(chǎn)物包括：①58CO。鎳是蒸汽發(fā)生器傳熱管主材的重要成分，大部分管材中鎳的含量超過58%，并且蒸汽發(fā)生器的傳熱管與一回路冷卻劑接觸的濕表面達(dá)到一回路系統(tǒng)表面的60%以上，所以隨著58Ni反應(yīng)生成的58CO成為一回路監(jiān)測的重要項目，根據(jù)當(dāng)前的統(tǒng)計結(jié)果可知，58CO占核電站放射性物質(zhì)含量的15%。②60CO。鈷是一回路系統(tǒng)中材料的主要雜質(zhì)，常見于閥座、耐磨部件等位置，從化學(xué)角度來看，59CO是鈷的穩(wěn)定同位素，在中子中會出現(xiàn)較大的反應(yīng)界面，隨著運(yùn)行時間的延長，會在磨蝕等作用的影響下經(jīng)中子活化運(yùn)行生成大量的60CO。60CO的半衰期長達(dá)5.3a，因此核電站的運(yùn)行時間越長，則60CO所占比重將會不斷升高。③110mAg。從性能上來看，銀具有滿意的化學(xué)穩(wěn)定性，在密封件上涂銀有助于強(qiáng)化密封效果。而在一回路系統(tǒng)中，外側(cè)的Ag外包覆層與冷卻劑接觸管道中含有大量銀，隨著相關(guān)雜質(zhì)進(jìn)入堆芯之后，會在中子作用下形成大量的110mAg。

1.2 常見腐蝕物對源項的貢獻(xiàn)

根據(jù)前文的分析結(jié)果可知，現(xiàn)階段壓水堆核電站一回路主要活化腐蝕產(chǎn)物中種類較多，而在這個過程中，不同腐蝕物對源項都會產(chǎn)生貢獻(xiàn)作用。在機(jī)組運(yùn)行過程中，腐蝕產(chǎn)物主要集中在主系統(tǒng)與堆芯表面上，并形成了一層松散的腐蝕薄膜，容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。該沉積膜在燃燒循環(huán)過程中會維持著沉積與溶解相互平衡的狀態(tài)，而隨著腐蝕產(chǎn)物移動至堆芯之后，其中的鎳、鈷等元素將會在中子作用的影響下轉(zhuǎn)變?yōu)?0CO、59CO、58CO等物質(zhì)，最終成為腐蝕產(chǎn)物沉積膜的主要成分。在一回路冷卻劑中，活化腐蝕物都會對輻射場源項的影響較為突出，其中的主要物質(zhì)包括58CO、60CO、110mAg等。

2 控制措施

2.1 優(yōu)化水化學(xué)控制，減少活化腐蝕產(chǎn)物

優(yōu)化水化學(xué)控制對于降低活化腐蝕產(chǎn)物的生成有直接影響，從壓水堆核電站的生產(chǎn)過程來看，在一回路冷卻劑中需要添加硼酸為可溶中子吸收劑，并且在生產(chǎn)環(huán)節(jié)也習(xí)慣于通過調(diào)整硼酸濃度達(dá)到優(yōu)化補(bǔ)償反應(yīng)性的目的。但是在實(shí)際上，硼酸作為一種酸性物質(zhì)，不利于腐蝕控制。所以在為了能夠達(dá)到水化學(xué)控制的目的，需要通過增添氫氧化鋰等方法將冷卻劑調(diào)整至弱堿性，所以對于一回路水化學(xué)的鋰-硼協(xié)調(diào)成為其中的關(guān)鍵。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果，需要將一回路的pH值控制在6.9-7.4范圍內(nèi)，這樣才能達(dá)到降低活化腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生的目的[1]。

而目前結(jié)合MIT（麻省理工學(xué)院）的試驗分析結(jié)果，通過將硼鋰協(xié)調(diào)至6.5-7.5之后，結(jié)果顯示隨著壓水堆核電站運(yùn)行時間的增長，其關(guān)鍵活化腐蝕產(chǎn)物58CO、60CO均與pH值之間表現(xiàn)出相關(guān)性，pH值增加，則58CO、60CO活化腐蝕物的生成量下降，提示該方法具有可行性[2]。

在運(yùn)行階段，為強(qiáng)化水化學(xué)控制效果，壓水堆核電站一回路在運(yùn)行過程中，冷卻劑pH值控制中將Li濃度維持在2.5-2.6mg/kg范圍內(nèi)，隨著時間的推移，發(fā)現(xiàn)水化pH值從6.9上升至7.0；之后維持著在7.0左右，遂將Li濃度下調(diào)至2.1mg/kg，之后保持2.1mg/kg的濃度直至水化pH值上升至7.2，最后維持這一pH值不變并降低Li濃度直至循環(huán)結(jié)束。從生產(chǎn)效果來看，在經(jīng)過上述的處理后，可以將一回路放射性核素計量率降低約30%。因此根據(jù)這一結(jié)果可認(rèn)為，在壓水堆核電站一回路應(yīng)該嚴(yán)格遵照這一標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)真控制pH值，最終達(dá)到減少腐蝕產(chǎn)物生成的目的。

2.2 停堆的氧化運(yùn)行

從功能來看，氧化運(yùn)行已經(jīng)成為壓水核電站一回路運(yùn)行的重要組成部分，其主要目的為：①降低停堆劑量率。在停堆末期通過引入氧化氫，能夠確保主系統(tǒng)處于酸性氧化環(huán)境中，進(jìn)而加快了主系統(tǒng)與堆芯腐蝕物的釋放，因此通過凈化床能夠有效去除系統(tǒng)釋放的產(chǎn)物，有助于降低停堆劑量率。②縮短大修時間。在系統(tǒng)氧化運(yùn)行期間，原本需要進(jìn)行數(shù)十天的活化腐蝕產(chǎn)物的釋放過程可以在幾十分鐘內(nèi)完成，因此可以為換料修整提供更多的時間，保證了一回路運(yùn)行效率[3]。在氧化運(yùn)行過程中，整個生產(chǎn)過程可以分為以下幾個階段進(jìn)行，分別為加藥→氧化→凈化。其中當(dāng)反應(yīng)堆的冷卻溫度達(dá)到80℃時，可以考慮將一定量的過氧化氫注入一回路中，經(jīng)壓縮空氣做吹掃之后，能夠加快系統(tǒng)的氧化進(jìn)程。一般一回路在注入過氧化氫40min左右即可進(jìn)入氧化階段，此時反應(yīng)堆中冷卻溶解氧的濃度會在短時間內(nèi)上升至1.0mg/kg，此時通過將一回路系統(tǒng)的下謝亮調(diào)整至最大標(biāo)準(zhǔn)（在這個過程中，58CO與γ放射性含量會在短時間內(nèi)達(dá)到峰值，而在隨后的7-12h內(nèi)110mAg的峰值也會出現(xiàn)）。在凈化床的作用下，冷卻劑的放射性比活度會有顯著下降。之后再凈化環(huán)節(jié)，冷卻劑的放射性比活度會按照公式（1）的方式下下降。

在公式①中，M0為反應(yīng)堆的冷卻劑總量，其單位為“t”；L為凈化流量，單位為“t/h”；ε為凈化床效率；CO為凈化前的放射性比活度，單位為“MBq/m3”；C1為凈化后的放射性比活度，單位“MBq/m3”；△t為時間的間隔數(shù)量，單位為“h”。

在停堆的氧化運(yùn)行過程中，當(dāng)化學(xué)平臺注入過氧化氫之后，其冷卻劑的放射性水平會達(dá)到峰值，此時隨著下泄流量的增加，會發(fā)現(xiàn)冷卻劑的放射性有明顯下降，相互之間存在線性關(guān)系。

3 結(jié)語

在壓水堆核電站一回路會產(chǎn)生多種活化腐蝕產(chǎn)物，在化學(xué)控制過程中，相關(guān)人員需要結(jié)合生產(chǎn)要求，從安全生產(chǎn)、穩(wěn)定生產(chǎn)角度入手，探索水化學(xué)控制的新方案，爭取為實(shí)現(xiàn)壓水堆核電站平穩(wěn)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。