超微米水過濾器在壓水堆核電廠應用前景分析

侯東

【摘 要】在核電站一回路工藝系統運行中，為凈化工藝系統水質和截留放射性腐蝕產物、機械雜質及破碎樹脂等顆粒雜質，設置了十幾只過濾器來滿足核電站運行的水質要求。隨著過濾技術的不斷進步，新型過濾材料不斷被研制，越來越多的核電廠開始對水質提出更高的要求，并采用新型的超微米過濾器來應用到系統中。本文通過對壓水堆核電廠一回路采用的水過濾器的使用情況進行總結，參考國內同類型核電廠在超微米過濾器應用上的經驗，并結合目前行業內的一些先進理論和方法，論述高精度水過濾器在壓水堆核電廠的應用前景。所獲得的經驗也可供其它核電廠參考。

【關鍵詞】超微米過濾器；一回路；冷卻劑；腐蝕產物；核電廠

0 緒論

眾所周知，過濾器的作用就是把工作介質的污染控制在我們所要求的范圍之內，以達到延長系統使用壽命，提高系統工作可靠性的目的。在核電站一回路工藝系統運行中，為凈化工藝系統水質和截留放射性腐蝕產物、機械雜質及破碎樹脂等顆粒雜質，設置了十幾只過濾器來滿足核電站運行的水質要求。這些過濾器濾芯經過各項測試、熱態模擬壽命試驗，性能滿足使用要求，濾芯結構上的可靠性和安全性得到驗證。

超微米過濾器，泛指其過濾精度在1？滋m以上，過濾效率98%以上的過濾器總稱。

1）水過濾器濾芯的組成

過濾器濾芯主要是由外部不銹鋼框架、用環氧樹脂粘貼的纖維素絲濾紙和密封圈組成。其中過濾器品質主要由其所采用的濾材所決定。

玻璃纖維是現在最常見也是性能最好的濾材之一，它廣泛應用在液壓系統當中，屬于縱深過濾，精度范圍是1～30？滋m，并能受工作環境變化影響較小，流通阻力小，納污能力強。在超過規定的壓差范圍里仍有很高的濾除細微顆粒的能力。

高性能的濾芯結構應當是：

（1）高強度、無污染、無毛刺、無化學反應的內骨架；

（2）內外支承網應具有足夠的強度、無污染、無毛刺、無化學反應；

（3）內外襯紙應具有高通過能力、高的抗拉強度，應使用長纖維、無脫落、無化學反應的材料；

（4）高性能濾材應由惰性纖維和高強度樹脂做成；孔徑要均勻，單位面積微孔數量要多，具有合理且最適宜的厚度；

（5）先進的縱縫粘結，粘接處無泄漏。使用高強度惰性的粘合劑使上下蓋與濾材組件粘合牢固，無泄漏；

（6）合理選擇密封形式，保證與濾體連接處不泄漏；

（7）外加固應使濾材組件緊靠內骨架，增強抗沖擊能力（圖1）。

過濾器纖維的粗細直接影響濾材的精度與通過能力。纖維越細精度越高；孔隙越多，壓差Δp越小；纖維與纖維之間要靠樹脂膠粘。膠粘均勻的濾材具有高的抗破損能力，在壓力、流量波動、溫度、老化這些因素下不致使纖維破損脫落，導致顆粒通過濾材，造成系統污染。纖維一般使用惰性纖維，無化學反應，不產生膨脹，不受貯存期的限制。

現在世界上使用最多的是復合纖維，它一般為3～5層，中間過濾層為短纖維，內外保護層為長纖維。

2）過濾原理

過濾，就是利用有孔介質從流體（液體或氣體）中除去污染物。過濾器的功能就是從流體（液體或氣體）中去除污染物，使流體達到所需的潔凈度水平。過濾器經常被認為是一種簡單的網或篩子，過濾/分離是在一個平面上進行的。實際上，過濾器濾材具有一定的深度。

過濾器主要有三種過濾機制，即直接攔截、慣性撞擊和擴散攔截。

直接攔截是液體中的基本過濾機制，其本質是一種篩分效應，機械攔截顆粒。例如，一種簡單的篩網可以攔截尺寸大于其孔徑的顆粒。當顆粒大于流道孔徑時即被該結構去除，其容污能力可以用彎曲結構提高篩網作用。

慣性撞擊，尺寸小于濾材孔徑的顆粒的輔助攔截方式，流體攜帶的顆粒由于質量和線速度而具有直線運動的慣性顆粒離開流體主流而撞擊到濾材上。當流體改變運動方向時，慣性使顆粒撞擊到濾材表面，因吸附力的存在顆粒便停留在撞擊表面。

擴散攔截，氣體過濾器能夠去除尺寸遠小于其液體精度的污染物，對細小顆粒（〈0.1-0.3？滋m）非常有效，如果一個氣體過濾器在濕潤環境中運行，它的去除能力即變為液體精度。

過濾介質的過濾/分離效率由于直接攔截、慣性撞擊、擴散攔截的共同作用而增強。

在評價一個過濾器的過濾能力時，常用的指標就是過濾器的絕對精度。

絕對精度，是指在指定試驗條件下能夠通過過濾器的最大剛性球形顆粒的直徑。它是過濾器元件中最大開孔的標志。

水過濾器絕對精度測定，由俄克拉荷馬州立大學開發并稱之為“OSU試驗”，該實驗采用“單次通過”方式來評價相應用過濾器的一種快速半自動方法，這個試驗基于評價液壓過濾器的“多次通過”方式。

在要測試的過濾器上游和下游各設置一臺粒子自動計數器，可以測定一定時間內通過計數器的粒子的數量，每臺粒子計數器都能測量六擋或更多擋直徑微粒數，對廣范圍微粒尺寸，例如，0.5？滋m到90？滋m。并配置含有某一特定精度懸浮物顆粒的溶液，通過流量泵，對單位時間內通過過濾器的上下游的粒子數量進行計數。

從表1可知，過濾器的過濾精度越高，其過濾能力越好。過濾精度為99.98%與99.9%的兩個過濾器，其下游通過粒子的數量相差5倍。可見，過濾器的過絕對濾精度是過濾器重要指標之一。所有說明過濾器的過濾精度時，一般都要說明在這個過濾精度時，其過濾效率是多少。

1 超微米過濾器使用的優勢

1.1 超微米過濾器的應用

超微米過濾器，在日本和美國，經過二十幾年的實踐檢驗，現在在一回路的過濾器的絕對過濾精度，美國基本已經提高到0.1？滋m，法國平均在0.45？滋m。

提高過濾器的過濾精度，主要有以下優點：

1.2 去除腐蝕產物，降低輻射背景劑量

在反應堆運行過程中，一回路材料中的鐵、鎳、鈷等通過腐蝕、磨損等方式進入一回路冷卻劑中形成腐蝕產物，腐蝕產物以“溶解—沉積”的動平衡方式存在于一回路系統設備及冷卻劑中。在堆芯中被活化的腐蝕產物在堆芯以外的設備表面沉積，就導致了堆芯外設備的輻射場的形成，其中活化產物沉積量決定著輻射水平的高低。圖4簡略的表示了活化腐蝕產物的形成及遷移過程。

活化產物種類同反應堆一回路及相關系統和設備材料密切相關。首先，在壓水堆核電站一回路系統中大量采用鎳基合金材料，其主要成分是包括鎳、鉻、鐵等，其次在大多核電站的一回路閥門中，其密封面使用了鈷含量約為60%的Stellite合金，而且鈷作為一種雜質普遍存在于一回路的各種合金材料中，因此鈷也必然存在于腐蝕產物中。另外，在部分核電站系統設備中因為工藝的需求，使用了銀、銻等金屬材料，因此腐蝕產物也會存在銀、銻等核素。所以，在機組臨界后，冷卻劑中攜帶的腐蝕產物在堆芯被活化，活化的腐蝕產物一般都有58Co、60Co、51Cr、54Mn等。

一般情況下，壓水堆核電站90%左右的輻射劑量是來自活化腐蝕產物。因此輻射劑量同設備內沉積的活化腐蝕產物的種類及量密切相關。對于核電站來說，中子、裂變產物所產生的照射劑量比例較小，它們一般來自機組功率運行時工作人員進入反應堆廠房進行設備異常處理所受到的輻射，這部分劑量一半不超過集體劑量的1%，因此核電站基本上99%左右的劑量率是來自活化產物。

因此，控制人員輻射劑量的方法中最直接有效的方法就是控制一回路系統中腐蝕產物的生成、遷移、活化，以及活化的腐蝕產物的有效去除。一般認為一回路冷卻劑中通常50%左右的粒子型腐蝕產物的粒度要小于0.4？滋m。最早減小一回路過濾器孔徑的是德國Obrigheim核電站，其在1960～1975年間使用的過濾器標準孔徑為10？滋m。從1976年開始逐漸減小孔徑，到1988年換0.2？滋m絕對孔徑的過濾器，蒸發器水室的劑量率從原來的130mGy/h下降到60mGy/h，一回路水的放比從3.7*1011Bq/m3下降到3.7*106Bq/m3。一回路冷卻劑的放射性濃度下降了5個數量級。目前，在美國也已經將所有與一回路相關的過濾器孔徑減小到了0.1？滋m。

由于超微米過濾器不僅過濾活化后的腐蝕產物，同時過濾更多的還沒有活化的腐蝕產物，從而減少了在運行過程中被活化的機會。

通過調查，壓水堆核電站中輻射源項主要的種類以58Co、60Co為主。60Co會隨著機組運行周期的延長而逐漸增加，其容易沉積在系統中設備管線比較復雜的區域，極容易形成熱點，影響主要閥門檢修等相關活動。58Co比較容易沉積在一回路系統設備的內表面，對檢修工作有著廣泛的影響。

可見，高精度濾芯的使用，使冷卻劑中放射性元素58Co和60Co的含量明顯降低，大大降低了由腐蝕產物引起的放射性劑量水平，降低檢修人員在大修時所受的劑量水平（圖5）。

1.3 降低機械的故障率

在美國和日本壓水堆核電站運行過程中，都遇到過由于氧化鐵顆粒在主泵軸封處沉積，從而逐漸減少軸封處流量，致使軸封得不到足夠的冷卻，最終造成主泵不得不更換軸封，引起功率的降低。1999年1月29日，Genkai核電站1號機組滿功率運行，發現B反應堆冷卻劑泵軸封回流量逐漸增大。由于推斷流量增加的原因為密封故障，反應堆停堆進行檢查。隨后的檢查確定是由于雜質侵入摩擦面，密封環吸合不充分，面板間隙擴大。

主泵的軸封由安裝在泵軸上的三級串聯機械密封來完成。一號機械密封位于侵沒式軸承的上方，它是軸密封組件中最重要的部件，為液膜式斷面密封（機械密封）。液膜是由通過此級的壓降產生的，因而液膜的形成并不要求旋轉。1號軸封的動環和靜環的密封端面在一層薄水膜兩側相對滑動，故不會直接產生磨損。泄漏時由外側流向內側，由壓力引起的力使密封件自動處于平衡狀態，保持間隙為0.1mm左右。由系統來的高壓冷卻水，諸如到泵徑向軸承和1號軸密封之間。在注入水入口，裝有過濾器，以保持水的潔凈度。

反應堆冷卻劑泵軸封的公用管線上，并聯設置了兩臺密封水注入過濾器，該過濾器主要功能用于過濾即將注入反應堆冷卻劑泵的軸封水（維持反應堆冷卻劑泵的1號軸封水注入流量），兩過濾器去除冷卻劑的懸浮物，保護主泵軸封。

從圖6可以看出，軸封兩側的壓力在提高或降低的過程中，都會造成氧化鐵顆粒在密封環不同部位的沉積，長時間的沉積必然會造成軸封流量的降低，最后影響軸封的密封性，降低軸封密封環的使用壽命。

根據國外同行的經驗，建議該過濾器限值定為1？滋m。對于主泵密封面的保護與延長壽命都有顯著的作用與效果。

1.4 改善換料水池和乏燃料水池的澄清度，降低輻照

每次換料大修準備燃料裝卸操作之前，均需要堆芯充水到19.5m，滿足水位后才可進行燃料裝卸操作，水池充水水源通過兩個過濾器管線來完成過濾，這兩個過濾器過濾效率的高低將直接影響換料水池的澄清度。

而大修過程中打開反應堆大蓋后，水池充水水源來自于反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統系統，因此反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統放射性水平越低，稀釋作用就越強，水池滿水后的放射性水平就越低，重新進入一回路的腐蝕產物就越少。

圖7為日本某核電站，在對反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統的過濾器進行升級后，對乏燃料水池及過濾器的劑量率做的統計。3月27日-5月20日為換料大修，期間涉及上一循環乏燃料倒出到乏燃料水池暫存，并裝入新的燃料組件。這個期間由于乏燃料的倒出，造成乏燃料水池劑量率和過濾回路的劑量率大幅度升高。5月27日，對濾芯升級，將凈化回路的過濾器濾芯精度從5？滋m升級到1？滋m，乏燃料水池劑量率明顯開始下降。9月1日，下一次換料大修期間，乏燃料水池劑量率只是略微升高，明顯降低了乏燃料水池的劑量率。乏燃料水池過濾回路劑量率明顯升高，同上一次大修劑量率相當。

1.5 延長樹脂的使用壽命

超微米過濾器可以更有效的過濾介質中微粒度更小的粒子，大幅度降低除鹽器下游淤雜量。減小下游除鹽床的負擔，延長除鹽床的使用壽命。經過日本和美國相關核電站的運行經驗，在更換用高精度濾芯后，可以去除懸浮在冷卻劑中在1？滋m左右的放射性腐蝕產物，減少下游除鹽床的負擔。得到更好的水質，延長樹脂的使用壽命，但是不會改善除鹽床的效率和功能。

從圖8可知，除鹽床出口中58Co和60Co顆粒度主要集中在0.8？滋m～3？滋m之間。超微米過濾器可以有效去除這一顆粒度之間的腐蝕產物。

2 采用超微米過濾器的風險

采用超微米過濾器，盡管可以有效去除介質內更小的顆粒，提高介質的清潔度，但同時采用超微米過濾器也有一定的風險：

（1）過濾器容易堵塞，更換頻率升高，增加廢物產量；

（2）過濾器積累更多腐蝕產物，濾芯劑量率更高，增加處理難度；

（3）更換的超微米過濾器濾芯與現有過濾器不匹配，更換后系統易發生泄露。

由于超微米過濾器可以去除顆粒度在0.1-3？滋m的腐蝕產物，會造成過濾器在升級的初始階段，短時間內就會造成堵塞，根據水質的具體情況，前期需要更換5-6個左右，更換頻率才趨于穩定，這會造成廢物處理成本的升高。

超微米過濾器在過濾的同時，也將腐蝕產物附著在過濾器內部，造成過濾器劑量升高很快，過濾器最高劑量可達20Sv/h，對工作人員產生影響。

超微米的過濾器，與原系統采用的過濾器，在一些設計存在一定的差異，這些差異有可能會影響對過濾器的密封，造成超微米過濾器在使用一段時間后，容易引起過濾器泄露，影響系統運行。

因此，濾芯精度升級要有計劃、有步驟、分階段逐步實現。從成本控制、系統運行、固廢產量等各個方面考慮，精度升級工作安排在機組正常運行時進行時為宜，減輕大修期間水質較臟導致濾芯更換頻繁。

3 超微米過濾器在壓水堆核電廠的應用前景

3.1 化學和容積控制系統采用1？滋m過濾器

一般情況下，壓水堆核電站中80%～90%左右的輻射劑量來自換料大修，而換料大修的輻射劑量基本上全部來源于一回路相關的系統設備檢修。因此，采用更高精度的過濾器，降低一回路整體劑量水平，對人員的防護有著積極的意義。

參考大亞灣的運行檢驗，大亞灣核電站反應堆冷卻劑下泄過濾器原設計絕對孔徑為23？滋m，投產3年后根據法國核電的經驗反饋將其將小為6？滋m，其后一直維持在6？滋m運行。在實際運行中使用6？滋m過濾器的輻射水平上升很慢，基本在一個運行周期中并不需要更換過濾器，在有的運行周期中更有輻射水平逐漸下降的現象，這就說明該過濾器已無法去除冷卻劑中的大部分腐蝕產物。

2007年大亞灣開始將6？滋m過濾器更換為2？滋m過濾器。圖9為應堆冷卻劑下泄過濾器過濾精度同劑量率之間的關系曲線。可見，采用0.45？滋m的過濾器，其劑量率上升明顯，劑量率比6？滋m過濾器的劑量率高出5倍，說明0.45？滋m的過濾器可以更有效去除冷卻劑中的腐蝕產物。

提高應堆冷卻劑下泄過濾器精度，可以有效降低一回路的整體輻射劑量水平，對于維修人員的輻射防護起著積極的作用。

3.2 主泵軸封水凈化采用0.45？滋m過濾器

參考國外主泵軸封失效的經驗反饋，給出可能導致主泵軸封失效的三個原因：

（1）安裝前對軸封部件的不正當處理；

（2）外來物碎片或腐蝕產物進入密封腔；

（3）密封組件在水壓試驗時的不恰當降壓。

如果主泵的泄露量超過泄露處理系統的容量，則可能導致破口事件。美國核管會曾評估過主泵密封失效相關事件，評估分析表明，小破口引起堆芯熔化的可能因素中，主泵的密封失效占主要部分。

因此，將主泵密封水過濾器的過濾精度提高到0.45？滋m，對進入軸封的水進行過濾，可以減少腐蝕產物對主泵軸封的影響，對保證主泵的穩定運行起著積極穩定的作用。

3.3 提高反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統凈化標準

大修過程中打開反應堆大蓋后，水池充水水源來自于反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統系統，因此反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統中水放射性水平越低，稀釋作用就越強，水池滿水后的放射性水平就越低，重新進入一回路的腐蝕產物就越少。

通過將反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統水過濾器的過濾精度提高到1？滋m，可以有效改善水質，減少裝料前冷卻水的凈化時間，并提供更高的水池澄清度，對燃料裝卸等操作提供更有利的條件。

3.4 其他系統

對于其他采用過濾器的系統，在其提高過濾精度后，對降低輻射劑量水平有一定幫助，但考慮到過濾器精度升級所帶來的風險，如濾芯更換頻率過高等問題，建議對這些系統的過濾器精度升級應暫緩進行。

4 總結

隨著我國核電的快速發展，會有越來越多核電運營者面臨輻射劑量的控制問題，特別是在目前同一核電運營商運營多家核電站的模式下，對于劑量的控制，特別是個人劑量的控制要求會逐步提高，但是原項控制技術的應用可以說是劑量控制最直接有效的方法之一。通過對超微米過濾器的應用，能夠更進一步去除冷卻劑中懸浮的腐蝕產物，在源項上降低了一回路的劑量水平，從而對核電廠人員的防護起到積極的作用。

【參考文獻】

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[責任編輯：王楠]