富集硼酸對壓水堆一回路腐蝕產(chǎn)物沉積的影響研究

高希龍，景福庭，劉嘉嘉

(中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610041)

在壓水堆核電廠中，為了更好地控制啟動和負荷跟蹤時的堆芯反應(yīng)性以及補償燃耗變化引起的反應(yīng)性變化，一般通過添加硼酸作為可溶性化學(xué)毒物來控制反應(yīng)性，而硼酸的引入會降低冷卻劑中的pH，從而增大一回路系統(tǒng)材料及設(shè)備的腐蝕速率。為了降低材料的腐蝕速率，一回路冷卻劑的pH在300 ℃最低限值為6.9，因此需要在冷卻劑中添加LiOH來控制pH。然而試驗證明，鋰濃度對鋯合金腐蝕影響較大，鋰濃度越高，鋯合金的腐蝕速率也越大，為保證燃料元件包殼的完整性，目前鋰濃度的限值為2.2 mg/kg。

目前，國內(nèi)現(xiàn)役壓水堆采用天然硼作為可溶性化學(xué)毒物，10B富集度為19.8%。但是在核電廠實施長循環(huán)燃料管理后，堆芯壽期初的剩余反應(yīng)性較大，從而導(dǎo)致壽期初硼酸濃度的提高。為控制冷卻劑中的pH，硼濃度的提高將直接導(dǎo)致LiOH濃度的提高，考慮到鋰濃度的限制，提高硼酸中10B的富集度是目前解決該問題的最優(yōu)方案。提高10B的富集度，一方面可以提高反應(yīng)性控制能力，另一方面可降低系統(tǒng)的硼酸濃度。目前，國外多個PWR核電站都已采用富集硼酸來替代天然硼酸作為化學(xué)毒物來控制反應(yīng)性(例如歐洲先進壓水堆(EPR)選擇10B富集度為37%的硼酸用于反應(yīng)性控制，使得一回路冷卻劑的總硼酸濃度大幅度降低，壽期初僅為1 200 mg/kg)，而國內(nèi)還沒有在提高10B富集度方面進行相關(guān)研究。

本文采用不同10B富集度的硼酸，對腐蝕產(chǎn)物在燃料元件及管道和設(shè)備上的沉積進行了研究。

1 研究對象

反應(yīng)堆一回路冷卻劑中的腐蝕產(chǎn)物來源主要有兩個方面：一方面是堆內(nèi)部件，另一方面是一回路管道和設(shè)備。前者在發(fā)生腐蝕并釋放到冷卻劑中之前已經(jīng)受到中子照射而具有放射性；后者釋放的腐蝕產(chǎn)物隨冷卻劑流經(jīng)堆芯，在堆芯及其相鄰區(qū)域的中子照射之后才具有放射性。這些產(chǎn)生的放射性核素經(jīng)冷卻劑流動并沉積在一回路各個地方。這些腐蝕產(chǎn)物的沉積通常分為兩類：在燃料元件上的沉積以及在管道和設(shè)備上的沉積。本文主要從這兩個方面進行研究。

1.1 腐蝕產(chǎn)物在燃料元件上的沉積

腐蝕產(chǎn)物在燃料元件上的沉積，一方面會導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物的活化，產(chǎn)生長壽期的放射性核素，從而引起放射場的累加；另一方面沉積在包殼上的腐蝕產(chǎn)物會影響燃料元件包殼與冷卻劑之間的熱交換，導(dǎo)致包殼溫度升高，加速包殼的腐蝕，從而影響傳熱效率，導(dǎo)致功率損失，甚至引起燃料元件破損。

此外，腐蝕產(chǎn)物沉積在燃料棒的上部會引起沉積物欠熱沸騰，從而導(dǎo)致硼酸鹽濃縮，堆芯上部功率減小，最終導(dǎo)致軸向功率偏移[1-2](AO,Axial Offset)增大。

(1)

式中：PU——堆芯上部功率；

PD——堆芯下部功率。

通常，實測AO與預(yù)測AO相差3%，即為發(fā)生軸向功率偏移異常(AOA,Axial Offset Anomaly)。AOA會導(dǎo)致軸向功率分布更加不均勻，使反應(yīng)堆停堆和功率瞬變時的調(diào)節(jié)冗余減小和調(diào)節(jié)性降低。為此，EPRI還制定了專門的導(dǎo)則，不允許發(fā)生AOA的機組參加調(diào)峰運行。

1.2 腐蝕產(chǎn)物在管道和設(shè)備的沉積

冷卻劑中溶解或懸浮的腐蝕產(chǎn)物經(jīng)過堆芯或在堆芯沉積時，會被中子照射而活化。在堆芯沉積的活化腐蝕產(chǎn)物又可溶解或剝落下來，還能通過與溶液中金屬離子發(fā)生同位素交換的方式而離開堆芯進入冷卻劑，重新回到堆芯外。冷卻劑中的活化腐蝕產(chǎn)物隨著冷卻劑的流動而沉積在一回路管道和設(shè)備的各個地方。這些在堆芯外沉積和遷移的活化腐蝕產(chǎn)物是形成核電廠停堆輻射場的主要貢獻因素，即活化腐蝕產(chǎn)物是反應(yīng)堆系統(tǒng)維護和檢修的主要輻射威脅。

隨著核電廠單個換料運行周期的不斷延長，核電廠輻射防護工作者將面臨更多的挑戰(zhàn)，如何控制和降低核電廠輻射場劑量是當前輻射防護的重要課題。

2 富集硼對腐蝕產(chǎn)物沉積的影響分析

為研究富集硼對腐蝕產(chǎn)物沉積的影響，本文采用PACTOLE[3]程序針對不同硼富集度的情況下的腐蝕產(chǎn)物的沉積行為進行了研究。

2.1 PACTOLE程序簡介

PACTOLE程序是由CEA、EDF和FRAMATOME聯(lián)合開發(fā)，用于計算壓水堆一回路中腐蝕產(chǎn)物的分布及源強。PACTOLE采用基本的物理化學(xué)模型(如圖1所示)來模擬腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生、活化、遷移及沉積。這些模型描述了一回路系統(tǒng)中基底金屬、基底金屬表面氧化物薄層、管壁表面沉積物、冷卻劑中的懸浮微粒和溶解物之間的物質(zhì)交換現(xiàn)象。該程序通過模擬冷卻劑與沉積物之間的物質(zhì)交換過程、冷卻劑對溶解物和懸浮物的遷移作用以及中子的活化作用，對一回路冷卻劑系統(tǒng)中主要腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生、輸送、活化和沉積現(xiàn)象進行定量的計算，最終得到主要腐蝕產(chǎn)物及其比活度在一回路冷卻劑系統(tǒng)中的分布情況。

圖1 PACTOLE程序中模擬的物理化學(xué)現(xiàn)象

PACTOLE程序根據(jù)一回路系統(tǒng)的具體情況(材料、熱工水力條件等)對一回路進行了分區(qū)，考慮了每個分區(qū)的具體情況，可以對不同區(qū)域中腐蝕產(chǎn)物的釋放和沉積等行為進行具體分析。

如果我們考慮“z”分區(qū)[4]，那么該區(qū)域中i元素的濃度就有以下關(guān)系：

(2)

若Ci-z>Si-p，沉降過程,此時X=P；

若Ci-z

式中，h為質(zhì)量遷移系數(shù)；P為浸潤周邊；R為液力半徑；S為浸潤面積；A為截面積；Ci-z為流體中離子濃度；Si-p為溶解度(管道表面離子濃度)；As為沉積物比表面積；Vz為流速；Mi-z為單位面積上元素的質(zhì)量。

微粒中元素i的濃度由下式給出：

(3)

而單位面積上物質(zhì)的沉積速率為：

(Si-p-Si-z)-αxMi-z

(4)

上面幾個方程是PACTOLE程序的基本方程。由于在沉積、侵蝕、溶解等反應(yīng)現(xiàn)象的實際進行過程中，其反應(yīng)系數(shù)是連續(xù)變化的，且系統(tǒng)中的硼濃度、鋰濃度和pH也是連續(xù)變化的。PACTOLE程序在模擬這些過程的時候使用離散時間步的方法，即在每一個時間步的范圍內(nèi)將上述連續(xù)變化的參數(shù)取為常數(shù)，從而求得沉積物的質(zhì)量和冷卻劑中特定核素的濃度。由于更新參數(shù)需要消耗一定的計算時間，而且各種不同的參數(shù)的變化速度各不相同，因此在PACTOLE程序中使用不同的更新周期來更新不同的參數(shù)：硼濃度在超過硼濃度步長的時候更新，溫度、密度、沉積厚度限值、擴散系數(shù)、遷移系數(shù)、沉積物比面積和過濾器、樹脂床中的活化原子個數(shù)的更新周期為最大時間步長，沉積、侵蝕、溶解的反應(yīng)系數(shù)以及冷卻劑濃度最多每隔最小時間步長更新一次。

2.2 計算方案

本文分別對10B富集度為20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%的情況對M310堆型一回路系統(tǒng)中腐蝕產(chǎn)物的沉積行為進行了研究。當10B的富集度增大時，硼酸的濃度會相對應(yīng)地降低，從而導(dǎo)致冷卻劑中的鋰濃度及pH發(fā)生變化。

圖2為目前國內(nèi)常用的硼鋰協(xié)調(diào)曲線，通過硼鋰協(xié)調(diào)曲線可以得出不同硼濃度下的鋰濃度或pH。初始硼濃度隨10B富集度的變化見表1。從表1中可以看出，隨著10B富集度的提高，硼濃度逐漸降低。在10B富集度達到30%后，壽期初冷卻劑的pH已達到7.0。根據(jù)不同的水化學(xué)條件，再通過PACTOLE程序?qū)σ换芈废到y(tǒng)中不同區(qū)域的腐蝕產(chǎn)物進行分析計算，并研究不同的10B富集度對沉積在燃料元件上的腐蝕產(chǎn)物的質(zhì)量及沉積在管道和設(shè)備上的活化腐蝕產(chǎn)物的活度的影響。

表1 初始硼濃度與10B富集度的關(guān)系

圖2 功率運行期間的硼協(xié)調(diào)曲線

2.3 計算結(jié)果及分析

根據(jù)不同10B富集度計算得出的腐蝕產(chǎn)物在不同區(qū)域的沉積結(jié)果，主要分為兩部分：在燃料元件上的沉積和在管道和設(shè)備上的沉積。

(1)10B富集度對腐蝕產(chǎn)物在燃料元件上沉積的影響分析

通過計算，得出在燃料元件上的沉積物總質(zhì)量與10B富集度的關(guān)系見圖3。

圖3 燃料元件上沉積物總質(zhì)量與10B富集度的關(guān)系

從圖3可以看出，當10B富集度提高后，在燃料元件上沉積的腐蝕產(chǎn)物的總質(zhì)量逐漸降低，當富集度提高到40%后，變化趨勢逐漸平緩。即適當提高10B的富集度對腐蝕產(chǎn)物在燃料棒的沉積有一定的抑制作用，且在10B富集度為40%左右效果最為明顯，這是因為，根據(jù)核電廠運行經(jīng)驗，通常將7.2設(shè)為冷卻劑pH的目標值，當10B富集度在40%時，壽期初冷卻劑的pH值基本達到了7.2，而隨著10B富集度的持續(xù)提高，冷卻劑的pH在壽期初就維持在7.2。采用富集硼酸可減少腐蝕產(chǎn)物在燃料元件表面的沉積，有助于燃料元件包殼與冷卻劑之間熱交換，減少功率損失，同時減少AOA，提高反應(yīng)堆安全性。沉積物中主要的元素隨10B的變化關(guān)系見圖4，可以看出沉積的主要元素為Fe和Ni，這主要是因為這兩種元素為一回路系統(tǒng)管道和設(shè)備構(gòu)成材料的組要成分，且這兩種元素沉積的質(zhì)量隨10B富集度的升高而逐漸降低，對其他兩種元素(Cr和Mn)沉積質(zhì)量的影響相對較小。

圖4 各元素在燃料元件上沉積質(zhì)量與10B富集度的關(guān)系

(2)10B富集度對堆外輻射場的影響分析

本文對沉積在外回路上的活化腐蝕產(chǎn)物主要考慮的是半衰期相對較長的核素58Co和60Co，這兩種核素是形成核電廠輻射場的主要貢獻因素。通過計算，得出10B富集度為20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%與沉積在一回路管道和設(shè)備上的放射性核素活度之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 非活性段沉積總活度與10B富集度的關(guān)系

從圖5可以看出，當10B的富集度提高時，沉積在管道和設(shè)備上的放射性核素的活度會逐漸降低，當硼酸中10B富集度從20%提高到40%時，沉積在管道和設(shè)備上的放射性核素的活度下降較為明顯，當10B富集度提高到40%后，沉積物的放射性活度的下降趨勢逐漸平緩，可以看出，硼富集度的提高可降低管道和設(shè)備的沉積物中主要放射性核素(58Co和60Co)的活度，從而降低核電廠的輻射劑量。

3 結(jié)束語

本文介紹了腐蝕產(chǎn)物在壓水堆一回路系統(tǒng)不同區(qū)域沉積的危害，并計算研究了不同10B富集度對一回路系統(tǒng)不同區(qū)域沉積的腐蝕產(chǎn)物的影響，得出以下結(jié)論：

一方面，隨著10B富集度的提高，沉積在燃料元件上的腐蝕產(chǎn)物總質(zhì)量降低。即提高10B富集度有助于燃料元件包殼與冷卻劑之間熱交換，減少由腐蝕產(chǎn)物引起的功率軸向偏移，降低發(fā)生AOA的概率，從而提高反應(yīng)堆運行的安全性。

另一方面，10B富集度的提高，會降低沉積管道和設(shè)備的主要活化腐蝕產(chǎn)物的活度，從而減小核電廠的輻射劑量，降低了核電廠工作人員的輻射風(fēng)險。

此外，當硼酸中10B富集度從20%提高到40%時，對腐蝕產(chǎn)物在燃料元件上的沉積以及外回路輻射劑量的影響較為明顯，而當10B富集度持續(xù)提高(大于40%)時，對兩者的影響逐漸減小，即40%左右為10B富集度的推薦值。然而，在核電廠實際運行時，需要根據(jù)運行具體情況對理論計算的推薦值進行適當?shù)恼{(diào)整。