核電廠一回路水化學輻射優化管控探討

陳燈

(福建福清核電有限公司 福建福清 350300)

壓水堆核電廠是我國核電事業發展中最主要的一類電站堆型，也是我國核電事業中的重要支柱。一回路水化學是壓水堆核電廠中關鍵構成內容之一，確保其效用良好，能夠減少工作人員所受輻射，延長放射性屏障運行時間，從而實現壓水堆核電廠安全運行。目前核電廠一回路水化學管控質量提升中，工作重點主要集中在反應堆冷卻劑水質控制以及溶解氧腐蝕問題的處理上，實現更有針對性的質量管控模式，以充分發揮一回路水化學的應用價值。

1 核電廠一回路水化學基本概述

壓水堆核電廠中的水化學反應比較復雜，不過具體可以從反應堆放射現象及水輻射兩點簡要討論。放射現象主要與反應堆中各類放射物質的存在有關，由其構成反應堆中各類射線的分布與穿透，同時這一過程中還存在著如電離作用、核轉變作用以及射線激發與衰變作用等物質之間的相互作用，對水化學反應產生很多間接影響；水輻射基于冷卻劑中大量氫氧自由基變換組合，因高溫或電流作用而發生不穩定性化學變化，并在射線對水分子的轟擊中借助輻射作用造成大量輻射自由基產物密布在冷卻劑中，而且這些產物很不穩定，也無法準確測量反應[1]。這些一回路水化學的系列反應把握是實現其質量控制的基礎，據此我們看出這些反應會造成很多問題，如水含氧量增加造成各類結構材料以及燃料包殼上的腐蝕或結垢問題等，甚至可能在控制不當下出現裂變產物的泄漏，造成嚴重危害；所以水化學反應的控制更加重要也更加復雜，不僅要解決過氧問題，還要注意所用冷卻劑中的高純性，減少各類等離子的干擾，才能保證核反應的安全進行。

2 核電廠一回路水化學優化管控策略

2.1 水化學控制一般措施

在壓水堆核電廠一回路水化學控制的一般應用措施中，主要以冷卻劑硼濃度調節和pH值控制為主要內容，通過這兩種方法實現水化學反應的正常展開。冷卻劑硼濃度調節在操作上相對復雜，需要水化學系統中控制與補給兩個子系統的支持，從而完成在冷卻劑中的加硼（硼化）與減硼（稀釋）措施，其屬于一種反應堆化學補償式的控制模式；該調節需要是基于壓水堆燃料利用中不同節點對冷卻劑中硼濃度有不同要求的基本點而提出的，在水化學反應初期，隨著反應堆燃耗硼濃度逐漸降低，換料或停運檢修期間需對反應堆進行硼化，控制硼濃度在2100～2300或2300～2500mg/L（根據核燃料鈾濃度決定），而在運行后期要結束時，需使用除硼床除硼。在pH值控制管理中，要明確其具體應用價值，即保證結構材料的耐腐蝕性，通過添加氫氧化鋰進行硼-鋰協調，并監測冷卻劑中鋰濃度的含量，根據硼-鋰協調曲線，確保鋰濃度處于期望值內，當鋰濃度超出硼-鋰協調曲線期望值時，需進行加鋰和除鋰操作，確保反應堆冷卻劑pH處于最優狀態，以此確保水化學反應中材料具備良好的耐腐蝕性，從而避免出現燃料包殼腐蝕狀況，其也應作為壓水堆核電廠一回路水化學管控工作中核心要點之一。

2.2 溶解氧腐蝕問題的控制

作為一種比較強烈的腐蝕性元素，氧能通過與金屬反應而造成金屬腐蝕，而在核電廠反應堆中，其不但腐蝕金屬，還能催化其他元素對金屬的腐蝕速率，而溶解氧在其中更會造成反應堆堆芯的嚴重損害。壓水堆核電廠對于溶解氧的腐蝕問題主要采用化學平臺除氧和輻射分解抑制法。化學平臺除氧主要應用聯氨，在反應堆中冷卻劑溫度到達80℃時即可在其中加入適量聯氨，使之與冷卻劑中的氧反應，形成氨氣、氧氣和水，這些反應物對于水化學系統沒有危害，從而避免結構材料腐蝕問題；不過這一方法在使用時需要注意聯氨的濃度，既要滿足溶解氧反應需要，同時也不能使反應后最終剩余量及氨氣反應產物超過1mg/kg。輻射分解抑制法主要是在主系統中添加氫而降低溶解氧的輻射反應，γ射線為主的混合射線在一回路水化學反應中的輻照會造成反應堆冷卻劑中的水出現可逆輻射分解，通過在水中加氫，能夠抑制該反應的發生，從而逐漸消除水中的游離氧，降低冷卻劑的腐蝕性，以保證反應堆中結構材料的安全性[2]。

圖1 混床離子交換器

2.3 冷卻劑中的雜質控制

反應堆冷卻劑中雜質，如各類懸浮顆粒物、裂變氣體產物以及腐蝕產物等都會影響水化學反應的正常展開，必須要采取合理措施實現水質的有效提升。具體可以從如下三個部分探究控制措施。其一，過濾：過濾是用于去除水中懸浮顆粒物的常見方法，不過這方面的處理上，一回路水本身就已經完成如多層纖維、過濾器、交換樹脂床等多次超純過濾環節，所以主要以過濾質量的嚴格控制為主，并在除鹽床出口處同樣安裝過濾器，以實現冷卻劑中水質提升。其二，除離子：循環凈化系統是冷卻劑處理的必要環節，壓水堆核電廠在其中主要使用的是混床離子交換器，如圖1所以，將陽離子與陰離子兩種離子交換樹脂充分混合在同一個離子交換器中，能夠同時進行陽、陰離子的交換，從而保證冷卻劑水質更好維持，以避免燃料包殼腐蝕問題；該交換器在具體使用中要留意核燃料不同反應階段中的過剩反應問題，再加上混合離子交換器在除硼效果上并不甚好，還要在換料末期及時應用除硼床。其三，冷卻劑除脫氣：冷卻劑脫氣也要作為水質控制的關鍵點之一，主要可以從化學脫氣法和物理脫氣法兩種來看；化學脫氣法主要用于特殊氣體處理，在壓水堆一回路應用中主要是上文所說的加聯氨抑制氧分解；物理脫氣法以熱力和真空作為應用思路，多適用于惰性氣體的脫氣處理，相對局限較大[3]。上述三種方法多需聯合應用，才能有效保證反應堆冷卻劑中雜質的有效清除，使一回路水化學順利展開。

3 結語

總之，壓水堆核電廠一回路水化學輻射的優化管控中務必要從反應堆冷卻液雜質處理及水化學一般控制入手，加強對水化學反應整體過程的管理與控制，此外，具體應用中還可參考一些新的控制方法，比如冷卻劑中添加氮元素等降低材料腐蝕率，也能保證pH值更穩定控制，以減少對水化學反應干擾等，以工藝的不斷優化為核電廠工作提供更多助力。