壓水堆核電廠新機組蒸汽發生器隱藏鹽返回研究

鄒 偉，宋利君，文 杰，孫 云，田朝暉

(中廣核蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000)

蒸汽發生器(SG)是連接壓水堆(PWR)核電廠一、二回路的熱交換設備，SG將一回路冷卻劑中的熱量傳給二回路給水，使其產生飽和蒸汽，供給二回路動力裝置。同時，SG在一、二回路之間構成第二道放射性防護屏障，防止一回路具有放射性的冷卻劑污染二回路設備。因此，SG是壓水堆核電站最重要的設備之一。

在機組正常運行期間，雜質離子(Ca2+、SO42-、Cl-、Na+、Mg2+等)會通過給水進入SG。在SG中，高度沸騰會引起局部蒸汽覆蓋，進而導致雜質離子的溶解度在局部降低，以沉淀物的形式在傳熱管表面或縫隙區域濃縮，這種現象被稱為“雜質隱藏”。在機組降功率或降溫期間，蒸汽覆蓋程度減小，部分隱藏的雜質離子重新溶解返回到主體水中，這種現象被稱為“隱藏鹽返回”。[1-5]盡管通過給水引入到SG中的雜質離子含量水平很低，由于SG主體設備特性及二次側高溫、高壓條件，雜質離子在局部區域易發生高倍率濃縮。高倍率濃縮的雜質易形成局部有害環境，增大換熱管晶間腐蝕、應力腐蝕風險，加速SG材料腐蝕，影響其壽命，給核電廠的安全、經濟運行帶來極大挑戰。[6-8]若對縫隙區域水化學情況進行了解，并加以控制，可以降低SG材料腐蝕的風險。然而，目前在功率運行期間無法對縫隙化學情況進行直接監測，只能采用間接方法推斷SG縫隙環境的化學條件。

美國電力研究院(EPRI)采用摩爾比控制(MRC)作為控制二回路水化學的方法。[9]MRC通過維持排污中陰離子和陽離子的比值恒定，控制SG縫隙環境的pH，在此基礎上建立了隱藏鹽評估方法。隱藏鹽數據評估旨在理解主體水化學和縫隙水化學二者之間的關系，是MRC的關鍵部分，關系到MRC用于控制縫隙離子平衡的有效性。[10-13]

1 實驗方法

根據SG二次側質量平衡，即機組停機期間SG入口處與出口處的物質總量相等，建立隱藏鹽返回模型。隱藏鹽返回量(R)用以下等式表示：

R=(MSGCSG)t2-(MSGCSG)t1-WFWCFWΔt+WSCSΔt+WBDCBDΔt

式中：SG——蒸汽發生器；

C——雜質濃度，mg/kg；

M——SG介質質量，kg；

W——流量，kg/h；

FW——給水；

S——蒸汽；

BD——排污水；

t——時間，h。

國內某A、B、C三臺同類型新機組核電站在停機期間總共進行了四次隱藏鹽試驗，分別命名為A1、A2、B1、C1。

2 結果與討論

2.1 隱藏鹽返回情況評估

隱藏鹽實驗過程分為降功率、熱停平臺、降溫和170 ℃平臺四個階段，如圖1所示。四次實驗的持續時間均超過40 h，且隨各個機組停堆計劃的具體安排有所差異。其中，A1、A2兩次實驗分別進行了46 h和40 h；B1、C1兩次實驗分別進行了40 h和60 h。四次實驗中，降功率時間均約7 h，且都存在170 ℃的平臺階段。A1、A2、B1三次實驗的170 ℃平臺期較短，C1實驗的平臺期較長，約為30 h。

圖1 三臺同類型新機組在4次隱藏鹽實驗中一回路 冷卻劑系統(RCP)冷端溫度，功率，蒸汽發生器 排污系統(APG)流量監測圖Fig.1 RCP temperature,Power,APG flux of three PWR nuclear power plants during 4 hideout return experiments

圖1 三臺同類型新機組在4次隱藏鹽實驗中一回路 冷卻劑系統(RCP)冷端溫度、功率、蒸汽發生器 排污系統(APG)流量監測圖(續)Fig.1 RCP temperature、Power、APG flux of three PWR nuclear power plants during 4 hideout return experiments

圖2 三臺同類型新機組在4次隱藏鹽實驗中單價 離子的返回量隨實驗時間的變化趨勢Fig.2 The return amount of monovalent ions of three PWR nuclear power plants during 4 hideout return experiments

圖3 三臺同類型新機組在4次隱藏鹽實驗中 多價離子的返回量隨實驗時間的變化趨勢Fig.3 The return amount of multivalent ions of three PWR nuclear power plants during 4 hideout return experiments

2.2 SG局部化學環境酸堿性判斷

本研究采用ALC(Free Concentrable Alkalinity)指標表征SG隱藏鹽整體所形成的化學環境；用MRI(Molar Ratio Indicator)指標評價縫隙中可溶離子之間關系，進而衡量SG縫隙區域的化學環境，為后續燃料循環建立新的摩爾比、優化MRC控制程序提供依據。其中，ALC計算方式為：ALC=∑陽離子—∑陰離子，單位為：g鈉/SG；MRI計算方式為：MRI=([Na]+[K])/([Cl]+[Excess SO4])，其中[Excess SO4]是硫酸根離子與鈣離子返回量之差。MRIcrevice是縫隙MRI值，由縫隙處K+、Cl-、Na+、Excess SO42-返回量計算，無單位。MRIOverall max由K+、Cl-、Na+、Excess SO42-最大返回量計算，無單位。

對于立式SG，雜質濃縮的區域主要包括管束上部沉積物和可能存在的干區、表面沉積物、支撐板縫隙區域和淤渣堆處。[14]在傳熱管表面及沉積物底部雜質濃縮倍率為102～103，在流動受限區域雜質的濃縮倍率高達104～106。[9]ALC計算方式為陽離子減去陰離子當量，若ALC和MRI大于1，說明縫隙環境呈堿性，陽離子釋放量較多，有利于保持SG的抗腐蝕能力，延長使用壽命。表1是四次隱藏鹽實驗數據評估的ALC和MRI計算結果。根據表1中ALC和MRI的計算結果可知，四次隱藏鹽試驗數據計算的SG縫隙化學環境呈堿性。

表1 四次隱藏鹽實驗中的ALC及MRI數值

以隱藏鹽評估得到的縫隙區域雜質離子返回量為輸入值，對SG局部縫隙區域的pH(T)進行評估，得到運行溫度下(284 ℃)、不同濃縮倍率下的SG局部縫隙區域的pH。濃縮pH(T)可以與ALC、MRI指標共同判斷隱藏鹽形成的化學環境。圖4所示為三臺同類型新機組在四次實驗中，10～107濃縮倍率范圍下計算得到的中性pH與縫隙處的pH。從圖中可以看出，四次實驗中中性pH隨濃縮倍率上升有緩慢下降的趨勢，而縫隙處pH都表現出先升高后降低的趨勢。與不同濃縮倍率下的中性pH相比，四次實驗中機組的縫隙pH都呈相對堿性環境。在偏堿性的環境中，SG組件有利于保持更好的防腐蝕性能[13](中性pH指當前溫度、壓力、濃縮倍率下溶液呈中性時的pH數值，縫隙pH指利用隱藏鹽返回實驗結果計算得到的當前離子環境、溫度、壓力、濃縮倍率下的溶液pH數值)。

圖4 通過計算得到三臺同類型新機組在4次 隱藏鹽實驗中高溫下不同濃縮倍率(CF)時， 中性pH及縫隙處pHFig.4 Calculated neutral pH and crevice pHversus log (concentration factor value) of three PWR nuclear power plants during 4 hideout return experiments

圖4 通過計算得到三臺同類型新機組在4次 隱藏鹽實驗中高溫下不同濃縮倍率(CF)時， 中性pH及縫隙處pH(續)Fig.4 Calculated neutral pH and crevice pHversus log (concentration factor value) of three PWR nuclear power plants during 4 hideout return experiments

3 結論

致謝

作者感謝中廣核蘇州熱工研究院方軍工程師、高中宇工程師、聶敏工程師、喬航工程師在論文寫作過程中給予的建設性意見及幫助。