堆芯補水箱硼濃度低于技術規格書限值問題分析及建議

鄒宇飛

摘要：采用非能動安全系統設計的核電廠最大限度使用了自然驅動力，例如堆芯補水箱就是利用冷熱流體的密度差進行自然循環注入。在三個壓力等級的應急補水水源中，只有堆芯補水箱在正常運行工況下是與RCS相通的。并且由于硼水濃度更高，堆芯補水箱硼濃度會在較短的時間內由于濃度擴散而低于要求限值。本文主要濃度降低的原因進行簡要分析，評估濃度擴散的影響，并針對現有措施提出優化方案，進行簡要對比。

關鍵詞：堆芯補水箱;硼濃度;技術規格書;濃度梯度

1、堆芯補水箱硼濃度低于限值問題

取樣發現，堆芯補水箱的硼濃度要低于技術規格書中要求的限值。分析后可能原因為：因為入口電動閥常開，一回路低濃度硼水與堆芯補水箱高濃度硼水通過入口平衡管線進行交換。

如果有組分的濃度梯度存在，則每一種組分都有向其低濃度方向轉移，以減弱這種濃度不平均的趨勢，組分在濃度梯度作用下由高濃度向低濃度方向的轉移過程稱為傳質[1]。傳質過程遵循斐克定律：J≡-D?ρ，其中：J為擴散通量;D為擴散系數，主要依靠試驗來確定;?為拉普拉斯算符;ρ為質量濃度。

濃度梯度越大，則擴散通量也越大。堆芯補水箱含的硼水濃度通常在3400～3700ppm。而為了確保RCS具有負的慢化劑溫度系數，冷卻劑的硼濃度在功率運行時通常不能太高，一般要求要小于某個臨界值（大約1400ppm，不同電廠略有差異）。堆芯補水箱正常運行時入口閥常開，通過平衡管線與RCS相連，一回路低濃度硼水與補水箱內高濃度硼水就會在濃度差的驅動下進行擴散。

溫度梯度和壓力梯度的存在也會產生擴散，分別稱為熱擴散和壓力擴散，這些擴散的結果也會導致濃度擴散[1]。堆芯補水箱的入口平衡管線頂端溫度約為160℃，而冷段溫度卻可以達到280℃，巨大的溫差產生很大的流體密度差，所引起的自然對流造成的濃度擴散是需要考慮的[2]，但是由于沒有合適的經驗公式，分析中將忽略這一部分的影響。取樣水體積大約為20L，這造成了補水箱壓力降低，也會導致一回路的低濃度硼水進入堆芯補水箱。

2、現階段采取的措施以及遇到的問題

2.1、現階段采取的補硼措施

一旦堆芯補水箱硼濃度取樣不合格，就需要利用化容系統調整其硼濃度，化容系統流程如下圖1所示。補水的主要操作步驟為：

（1）隔離凈化回流：關閉穩壓器輔助噴淋隔離閥和化容系統凈化回流隔離閥;

（2）補硼通道在線：將堆芯補水箱補硼通道上的閥門打開;

（3）啟動補硼：啟動化容系統補水泵向堆芯補水箱補水;

（4）恢復在線：恢復設備的正常在線。

2.2、補硼過程遇到的問題

根據實際運行經驗，在利用化容系統進行堆芯補水箱補硼時，常因以下兩個問題而導致補硼不成功：

（1）凈化回流管線止回閥（圖1閥門②）存在一定的內漏，導致硼水通過凈化管線反向注入到RCS冷腿;

（2）補水返回管線卸壓閥（圖1閥門①）打開，導致硼水通過凈化回流管線注入到RCS。

3、優化方案及對比

根據硼濃度低于限值要求產生的原因和補硼時遇到的困難，可以從兩個方面來提出優化方案：一個是防止堆芯補水箱與RCS的硼水交換;另一個是從修改化容系統設計入手，解決補硼困難問題。

3.1、將堆芯補水箱入口電動隔離閥關閉

將常開的堆芯補水箱入口電動隔離閥關閉，可以防止二者進行交換，從而解決了硼濃度降低的問題。但是這會帶來另外一些問題：首先，堆芯補水箱入口閥是一個非安全相關的閥門，電源取自非安全相關的電源，如果將其關閉則在事故工況下將不能保證其可靠打開;其次，如果提高入口閥門的安全等級，將增加投資，同時需要重新進行安全分析。此外，在安注觸發時將造成水錘問題。

可見，修改入口閥的狀態不是一個合適的選擇。

3.2、將補水返回管線卸壓閥變更為氣動逆止閥

在向堆芯補水箱補硼時將補水返回管線卸壓閥關閉，這可以防止補硼過程中硼水注入到一回路。但是將補水返回管線卸壓閥關閉，會帶來RHX殼側超壓的風險。

綜合來看，這是一個可行的方案。為了降低在補硼期間RHX殼側超壓而卸壓閥不能及時打開的風險，可以在規程中增加相關監視要求，加強對穩壓器液位和下泄運行的監視，一旦出現超壓的風險，及時打開補水返回管線卸壓閥。

此外，將補水返回管線卸壓閥關閉后，可以適當增加補水流量，利用補水泵出口高壓使補水返回管線止回閥的可靠密封，防止反向泄漏。

3.3、將補水管線上的手動隔離閥變更為電動隔離閥

將補水管線上的手動隔離閥（圖1閥門③）變更為電動隔離閥。在向堆芯補水箱補硼時遠程手動關閉。補水子系統屬于縱深防御系統，該閥門正常處于鎖開的狀態。在變更為電動閥后，為了滿足該項要求，可以在將其遠程打開后，將其斷電并將電源上鎖。缺點是增加了投資，并且電源的安全等級要有一定的提高。

3.4、方案對比

綜合分析，方案2和3是較好的解決方案。除此以外，為了保證了取樣結果的準確性，取樣前還應該首先向堆芯補水箱內補充硼水，保證取樣的水為堆芯補水箱硼水而非來自平衡管線。

參考文獻

[1]賈力，方肇洪，錢興華.高等傳熱學.-北京：高等教育出版社，2013.3.

[2]Ostrach S.Comnective phenomena in fluids heated from below.Trans ASME 1957.