CAP1000化容系統樹脂床的設置改進探討

桂璐廷

（上海核工程研究設計院，上海200233）

0 引言

離子交換技術是目前為止應用最廣泛、最有效的核電一回路水凈化處理技術。在CAP1000電站中，通過化容系統的樹脂床來將反應堆冷卻劑的純度和放射性水平維持在可接受的限值以下。通過去除反應堆冷卻劑中離子形式或顆粒形式的裂變產物、活化產物、離子雜質和腐蝕產物，化容系統可以維持反應堆冷卻劑系統正常運行所需的化學性質。目前，CAP1000的化容系統設置有兩臺混床和一臺陽床，每臺樹脂床的樹脂裝量均為1.42m3。混床內以2∶1的比例分別裝填了OH型陰樹脂和Li型陽樹脂；陽床內則全部裝填了H型陽樹脂。根據現設計要求，這3臺樹脂床均需在停堆期間進行更換，因此在每個換料周期會產生4.26m3的帶放廢樹脂［1］。本文將探討通過對樹脂床配置的改動來減少放射性廢物產生量的可行性。

1 運行現狀［1］

AP系列電站的化容系統通過混床去除離子態腐蝕產物和一些離子態裂變產物。通常一臺混床運行，另一臺混床備用。備用混床可作為除硼床，以減少燃料壽期末調硼所產生的放射性廢液量。陽床可以作為混床凈化的補充，在燃料破損時提供進一步的凈化；同時陽床還可以去除反應堆冷卻劑中多余的鋰。正常運行期間陽床只在除鋰時投入，使用率很低。但由于僅有一臺除鋰床，因此該臺陽床必須在停堆時更換，以保證下一循環期間的除鋰能力。

2 改進方案

根據EPRI［2］的建議，為了減少廢樹脂的產生量，可設置兩臺并聯的陽床，其中一臺使用鋰型陽樹脂，一臺使用氫型陽樹脂。鋰型陽床用于正常運行期間的凈化，氫型陽床用于除鋰或在必要時除銫。在這兩臺陽床前設置兩臺陰床，其中一臺陰床用于正常凈化，一臺陰床用于在壽期末除硼，設置方式與原設計一致。一臺氫型陽床可通過除鋰操作來進行鋰化，并在下一次燃料循環期間作為正常凈化的陽床使用。

考慮到原混床內陰樹脂容積為0.95m3，陽樹脂容積為0.47m3。為了保證改進后的凈化效率至少與原設計一致，在改進方案中設置了四臺樹脂床，包括兩臺陰床和兩臺陽床，所有樹脂床的樹脂裝量均為0.95m3。正常運行期間，凈化用陰樹脂量為0.95m3，與原設計一致；凈化用陽樹脂也為0.95m3，比原設計增加100%；用于除鋰的陽樹脂量為0.95m3，比原設計減少33%。

根據樹脂樣本，凈化流量應為8～50BV／h。現在每個樹脂床的容積均為0.95m3，因此適用的凈化流量范圍為7.6～47.5m3／h。AP系列電站化容系統的凈化流量為22.7m3／h，滿足現設計要求。

3 可行性論證

3.1 除鋰能力

由于一回路冷卻劑中的硼酸使冷卻劑pH處于酸性范圍，為了減少金屬腐蝕，會加入LiOH作為pH控制劑。由于Li－6中子吸收截面很大（960b），在堆內會生成大量的氚，因此一般采用高純的 Li－7來作為pH 控制劑［3］。

Li－7的中子吸收截面很低（0.039b），一般不產生感生放射性。同時，冷卻劑中的B－10的中子反應會產生 Li－7［3］：

其反應速度正比于單位冷卻劑體積重靶核密度（硼濃度）與中子通量的乘積，中子通量又與堆功率成正比。對于堆功率為2 750MW 的核電站，冷卻劑硼濃度為1 000mg／L 時，Li－7濃度增值約為每天106μg／L。以冷卻劑質量為200t計，則每天將產生20g的Li－7。考慮到反應堆冷卻劑硼濃度是呈直線下降的，因此取Li－7的日平均產量為10g，則在一個燃料循環壽期內大約會產生6kg的Li－7。

由于過高的鋰濃度會加速鋯合金腐蝕，因此在功率運行期間鋰濃度限值為3.5mg／L，在熱態零功率期間濃度限值為6mg／L。隨著硼濃度的降低，在壽期末鋰濃度可低至0.2mg／L［4］。

以6mg／L來估算，在運行初期溶解在整個反應堆冷卻劑系統中大約有2kg的Li－7；在一個燃料循環內B－10的中子反應大約會產生6kg的Li－7；保守估計從鋰型樹脂床上會有大約1kg的Li－7被其他陽離子置換出來。由于堆芯內其他損耗考慮有50%的裕量，因此假設一個燃料循環內除鋰床大約需要去除13.5kg的Li－7。

以羅門哈斯公司的核級氫型陽樹脂Amberlite IRN 99為例，其體積全交換容量為2.4eq／L。除鋰所使用的陽樹脂容積為0.95m3，鋰離子為1價，單位摩爾重量為6.94g。根據公式：

式中，MLi為除鋰量（kg）；Ex為樹脂交換容量（eq／L）；n為鋰離子與樹脂結合時所體現的價位；V為樹脂容積（m3）；m為鋰的單位摩爾質量（g）。

根據計算，0.95m3的 Amberlite IRN 99理論除鋰量為15.8kg，滿足除鋰容量的要求。

3.2 除硼和凈化效果

改進后的方案中陰樹脂量與改進前一致，陽樹脂量比改進前增加100%。因此改進后陰樹脂的除硼和凈化效果應不會比改進前降低。但考慮到除鋰陽床已使用了一個燃料壽期，其交換容量可能會因為輻照等原因而下降［5］。

受輻照后交換容量的下降程度與樹脂交聯度有關。隨交聯度（DVB）的不同，在經過一個燃料循環的輻照后，交換容量會降低5%～30%，DVB越高則交換容量下降越少。在化容系統中一般選用DVB為16%的核級樹脂，因此保守估計其交換容量不會降低超過10%。參考鋰型陽樹脂Amberlite IRN 318的交換容量，降低后的交換容量仍可達2.16eq／L。根據表1，反應堆冷卻劑中主要的陽離子雜質為鋰（1價）、鋁（3價）、鈣（2價）和鎂（2價）。

表" 反應堆冷卻劑水化學限值

陽樹脂容積為0.95m3，根據公式：

式中，Vpurification為能夠凈化的水量（m3）；Ex為樹脂交換容量（eq／L）；Vresin為樹脂容積（m3）；G 為陽離子濃度（mg／L），不考慮鋰離子；M為陽離子的單位摩爾質量（g）；n為陽離子與樹脂結合時所體現的價位。

根據計算，如假設進入樹脂床的反應堆冷卻劑始終維持表1中的陽離子濃度，則0.95m3經過鋰化的陽樹脂可以凈化25 650m3的反應堆冷卻劑。AP系列電站的反應堆冷卻劑系統裝量大約為300m3，考慮到在正常運行期間通過金屬表面腐蝕、補水等途徑帶入系統的陽離子數量有限，因此改進后的陽樹脂床應有能力滿足正常運行的需要。

根據其他電站的實際運行數據，由于在正常運行期間水質控制比較嚴格，因此反應堆冷卻劑中的無機離子濃度都很低。在這種背景濃度下，樹脂床對于無機離子的去除效果有限。因此，對于陽樹脂凈化水量的計算是保守的。改進后的方案能夠滿足正常運行的需要。

3.3 經濟分析

AP系列化容系統改進后每個燃料循環可以減少鋰型樹脂使用量0.95m3，減少放射性樹脂廢物1.42m3。根據EPRI數據，B／C類廢物［6］處置的理論價格是33 900美元／m3［2］。實際處理價格約為理論價格的2～3倍［2］。根據現在的減容工藝，每立方米樹脂可減容約30%。因此化容樹脂的最終處置價格可能為47 460～71 190美元／m3。而鋰型樹脂價格約為400 000元／m3。改進后的化容系統設計不僅能夠減少前期樹脂的采購費用，也可以減少后期放射性固體廢物的處理費用。

4 結論

本文中將原系統中的3個1.42m3的樹脂床更換為4個0.95m3的樹脂床后，正常運行期間可以使用1個混床和1個陽床，參與凈化的樹脂比原設計多33%。但除鋰床會在下次燃料循環時作為凈化床再次使用，因此廢物產生量反而比原設計減少了33%。雖然改進后除鋰床容量有所減少，而且在經受長期輻照后交換容量有所降低，但核級樹脂由于其交聯度較大，降級幅度有限。根據核算，現有的樹脂容積和交換容量不影響下一個燃料循環期間的使用。改進后使用單獨的陰床作為除硼床，其除硼能力與原設計一致，同時該陰床也可作為另一臺陰床的備用。

減少放射性廢物的產生一直是核電站關注的問題，尤其是直接與反應堆冷卻劑接觸的化容系統樹脂，一般都含有較多的長半衰期核素。經過本文的改進后，每個燃料循環可以減少鋰型樹脂使用量0.95m3，減少放射性樹脂廢物1.42m3。按照現有的樹脂價格和中放廢物處置價格，可以產生客觀的經濟效益。最重要的是，減少了放射性固體廢物的產生量。

［1］孫漢虹.第三代核電技術AP1000［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］EPRI.Utility Position Report on Significant Design Considerations for the Westinghouse AP1000LLW Management Program［Z］，2006.

［3］徐秀萍.核電廠化學分析和監督［M］.北京：國核大學出版社，2013.

［4］EPRI.PWR Primary Water Chemistry Guidelines［Z］，1999.

［5］李華，馬燕，肖艷，等.西安脈沖堆水凈化系統混床廢樹脂的性能變化［J］.原子能科學技術，2010，44（1）：25－29.

［6］U.S.Nuclear Regulatory Commission Regulations：Title 10，Code of Federal Regulations，Part 61［Z］，2014.