壓水堆一回路應用富集硼酸對堆芯CIPS影響的研究

楊建鋒，秦慧敏，劉嬋云

(上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233)

在壓水堆中，液體10B控制毒物硼酸作為化學控制手段，與控制棒一起組成反應性控制系統，分別用于控制慢的和快的反應性變化。天然豐度的硼酸中10B含量僅占19.9%左右(原子分數)，其余都是中子吸收能力很弱的11B。在壓水堆核電廠一回路冷卻劑/慢化劑中采用富集10B的硼酸，可以提高化學控制手段的反應性控制能力，從而降低堆芯運行硼酸濃度要求，特別是壽期初硼酸濃度。硼酸濃度的降低有利于提高燃料循環壽期初一回路冷卻劑/慢化劑的pH(或者降低鋰濃度)，從而有利于降低燃料包殼的腐蝕、降低應力腐蝕引起的蒸汽發生器管束破裂風險，對改善系統和設備的腐蝕都有一定的好處。硼酸濃度的降低還有利于改善冷卻劑的工作環境，減少結晶和沉淀；減少化學試劑添加量、減輕凈化處理的工作負荷，延長一回路中新鮮硼酸的替換周期。根據公開文獻報道，富集10B硼酸的優勢，主要通過兩個方面表現出來：一是10B增加，二是硼酸濃度降低。其優勢總結如表1[1-6]所示。

表1 富集10B硼酸替代天然豐度硼酸的優勢Table1 Advantages of enrich 10B boric acid substituting for natural boric acid

硼酸濃度的降低理論上可以減少硼沉積，在公開文獻中雖然定性提到了富集10B硼酸由于濃度降低可以減少硼酸結晶和沉淀的風險，但未見詳細計算，更未見對此針對性地開展堆芯CIPS風險評價。因此，本文將以CAP1000為研究對象，在富集10B硼酸(40%原子分數)對核設計堆芯功率分布影響的基礎上，采用BOA程序進行堆芯CIPS風險評價。

1 CIPS風險

CIPS(Crud Induced Power Shift)，又稱AOA(Axial Offset Anomaly)，是指反應堆冷卻劑系統(RCS)內的腐蝕積垢物(又稱污垢)在燃料棒表面沉積而導致軸向功率峰值向堆芯入口處偏移的現象。

在反應堆運行時，RCS系統管道上的腐蝕產物(鎳、鐵等)將會釋放到冷卻劑中，并在發生過冷泡核沸騰的高熱流密度燃料組件上部沉積并形成污垢。硼會在污垢的孔狀間隙內聚集，到一定程度時，就會沉淀到污垢上，這將會導致燃料組件上部功率降低，由此功率峰值將向下部移動，即出現CIPS現象。CIPS現象并不直接與反應堆安全分析的準則相關，但它會影響核電廠的運行。如：CIPS現象出現將導致在反應堆降功率時反應堆軸向功率分布控制更加困難、停堆裕量減小、臨界工況評價出現偏差等。基于以上原因，美國核電廠運行研究所(INPO)發布了“INPO 07-004達到卓越燃料性能導則”。在該導則中要求所有用戶在每一循環的換料過程中都必須對污垢導致的風險進行評價。CIPS風險評價準則與堆芯內燃料組件數目有關，以最大堆芯沉積硼酸質量作為指標，如表2所示[7]。

表2 堆芯CIPS風險評價準則Table 2 Rule of risk assessment for CIPS

2 CIPS評價方法

CIPS現象是由于發生過冷泡核沸騰的通道內燃料組件上部雜質沉積物內聚集硼酸而引起的。雜質沉積物中主要是從蒸汽發生器和堆芯其他外表面釋放進入冷卻劑的鎳和鐵等腐蝕產物。從第二循環開始，上一循環中沉積在燃料棒上的雜質沉積物也將釋放到冷卻劑中。

CIPS分析過程主要包括三個步驟。首先，使用三維核設計程序預計堆芯功率分布；其次，將堆芯功率分布作為輸入條件提供給熱工水力子通道程序，以計算堆芯內燃料棒光滑表面的過冷泡核沸騰率和局部的熱工水力參數；最后，使用BOA程序以評價污垢最大厚度、污垢最大質量以及最大堆芯沉積硼酸質量。核設計、子通道及BOA程序分析流程，如圖1所示。

圖1 CIPS風險評價流程圖Fig.1 Schematic of CIPS riskassessment

CAP1000核電廠是兩環路非能動壓水堆核電廠，共裝載157個燃料組件，活性段高度為4 267.2 mm，堆芯熱功率為3 400 MW。本文的核設計分析采用基本負荷運行模型、子通道分析基于與核設計程序一致的1/4個對稱堆芯模型、水化學程序中采用冷卻劑未注鋅模型。根據工程經驗，在新電廠或核電廠實施較大變化后的前三個燃料循環中，蒸汽發生器U型管上的雜質釋放率變化很大(呈指數變化)，堆芯CIPS的風險上升很快，從第四燃料循環開始，U型管上的雜質的釋放率趨于穩定，風險亦趨于平穩。因此，本文將針對CAP1000壓水堆核電廠的第一循環至第三循環進行分析。

3 結果與討論

3.1 名義硼濃度和臨界硼濃度

根據分析結果可知，不考慮堆芯燃料管理方案或者裝載燃料形式的變更，采用富集硼酸后不會改變堆芯的反應性控制要求，不會對堆芯燃耗與功率分布、慢化劑溫度系數、燃料溫度系數、多普勒功率系數、控制棒控制能力、堆芯動態參數等產生影響。但由于10B豐度提高使得硼微分價值增大，堆芯臨界硼濃度將發生相應變化，結果如圖2和圖3所示。

3.2 CIPS風險評價

針對CAP1000壓水堆核電廠的第一循環至第三循環進行CIPS風險分析，圖4給出了堆內沉積污垢中的硼酸質量隨循環時間的變化。由圖可知，堆芯內沉積的硼酸質量隨循環時間先增加后下降，在循環中期達到最大值。前三個循環中，第三循環的沉積硼酸質量顯著高于其他兩個循環，第一循環的沉積硼酸質量最低。

圖4 堆芯內沉積的硼酸質量隨循環時間的變化Fig.4 Deposit boric mass vs.cycle time

圖5給出了堆芯最大沉積硼質量與堆芯冷卻劑中的10B豐度之間的關系。從圖5中可知：隨著堆芯冷卻劑中的10B豐度增加(對應名義硼濃度減小)，堆芯最大沉積硼酸質量均呈現指數下降趨勢。在同一循環，采用10B豐度40%的富集硼酸的堆芯最大沉積硼酸質量可比采用10B豐度19.9%的天然硼酸的減小約80%；考慮10B豐度后，積垢中10B質量可降低超過65%，因此，CIPS風險顯著降低。

圖5 堆芯最大沉積硼質量隨硼富集度的變化Fig.5 The max deposit boric mass vs.10B enrichment

CAP1000核電廠前三循環不同燃料組件腐蝕積垢物的最大厚度、腐蝕積垢物的最大質量、堆芯最大硼酸質量,如表3所示。

表3 CIPS風險評價結果匯總Table 3 Results of CIPS risk evaluation

(1)對于10B為天然豐度(19.9%)的情況，在不實施注鋅的工況下，前三循環最大堆芯沉積硼質量為0.460 4 kg(1.015 lbm)，出現在第三循環，高于CIPS中等風險限值。

(2)對于10B為富集硼豐度(40.0%)的情況，在不實施注鋅的工況下，前三循環最大堆芯沉積硼質量為0.074 4 kg(0.164 lbm)，出現在第三循環，以10B質量換算為天然硼酸質量后約為0.152 4 kg，接近CIPS低風險限值，極大降低了CIPS風險。

4 結論

本文通過對壓水堆一回路應用富集硼酸后堆芯CIPS風險評估研究發現：

(1)堆內積垢硼酸質量與堆芯臨界硼濃度密切相關，采用富集硼酸可在不會改變堆芯的燃耗與功率分布、10B濃度保持不變的情況下，由于10B豐度提高從而降低冷卻劑中硼酸濃度，從而有效降低堆芯沉積硼酸質量。

(2)應用富集硼酸(40.0%)與天然硼酸(19.9%)相比，最大堆芯沉積硼酸質量可降低超過80%左右，堆芯CIPS風險等級顯著降低，因此，在壓水堆核電廠一回路冷卻劑中采用富集10B的硼酸后，有助于降低堆芯發生CIPS現象的風險，改善腐蝕積垢物在燃料棒表面沉積而導致軸向功率峰值向堆芯入口處偏移。