壓水堆核電站一回路主要活化腐蝕產物及水化學控制措施

孫顯海

遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧大連 116000

壓水堆核電站一回路冷卻劑系統在經一回路冷卻劑運載，在堆芯中被中子活化后形成腐蝕產物。在核電站運行過程中，強化此類腐蝕產物的水化學控制對于降低污染物生成、提高核電站經濟效益的意義重大，值得關注。

1 對一回路主要活化腐蝕產物的分析

1.1 壓水堆核電站一回路常見腐蝕產物及生成機理

目前在壓水堆核電站運行中，一回路的常見腐蝕產物包括：①58CO。鎳是蒸汽發生器傳熱管主材的重要成分，大部分管材中鎳的含量超過58%，并且蒸汽發生器的傳熱管與一回路冷卻劑接觸的濕表面達到一回路系統表面的60%以上，所以隨著58Ni反應生成的58CO成為一回路監測的重要項目，根據當前的統計結果可知，58CO占核電站放射性物質含量的15%。②60CO。鈷是一回路系統中材料的主要雜質，常見于閥座、耐磨部件等位置，從化學角度來看，59CO是鈷的穩定同位素，在中子中會出現較大的反應界面，隨著運行時間的延長，會在磨蝕等作用的影響下經中子活化運行生成大量的60CO。60CO的半衰期長達5.3a，因此核電站的運行時間越長，則60CO所占比重將會不斷升高。③110mAg。從性能上來看，銀具有滿意的化學穩定性，在密封件上涂銀有助于強化密封效果。而在一回路系統中，外側的Ag外包覆層與冷卻劑接觸管道中含有大量銀，隨著相關雜質進入堆芯之后，會在中子作用下形成大量的110mAg。

1.2 常見腐蝕物對源項的貢獻

根據前文的分析結果可知，現階段壓水堆核電站一回路主要活化腐蝕產物中種類較多，而在這個過程中，不同腐蝕物對源項都會產生貢獻作用。在機組運行過程中，腐蝕產物主要集中在主系統與堆芯表面上，并形成了一層松散的腐蝕薄膜，容易產生轉移現象。該沉積膜在燃燒循環過程中會維持著沉積與溶解相互平衡的狀態，而隨著腐蝕產物移動至堆芯之后，其中的鎳、鈷等元素將會在中子作用的影響下轉變為60CO、59CO、58CO等物質，最終成為腐蝕產物沉積膜的主要成分。在一回路冷卻劑中，活化腐蝕物都會對輻射場源項的影響較為突出，其中的主要物質包括58CO、60CO、110mAg等。

2 控制措施

2.1 優化水化學控制，減少活化腐蝕產物

優化水化學控制對于降低活化腐蝕產物的生成有直接影響，從壓水堆核電站的生產過程來看，在一回路冷卻劑中需要添加硼酸為可溶中子吸收劑，并且在生產環節也習慣于通過調整硼酸濃度達到優化補償反應性的目的。但是在實際上，硼酸作為一種酸性物質，不利于腐蝕控制。所以在為了能夠達到水化學控制的目的，需要通過增添氫氧化鋰等方法將冷卻劑調整至弱堿性，所以對于一回路水化學的鋰-硼協調成為其中的關鍵。根據相關學者的研究結果，需要將一回路的pH值控制在6.9-7.4范圍內，這樣才能達到降低活化腐蝕產物產生的目的[1]。

而目前結合MIT（麻省理工學院）的試驗分析結果，通過將硼鋰協調至6.5-7.5之后，結果顯示隨著壓水堆核電站運行時間的增長，其關鍵活化腐蝕產物58CO、60CO均與pH值之間表現出相關性，pH值增加，則58CO、60CO活化腐蝕物的生成量下降，提示該方法具有可行性[2]。

在運行階段，為強化水化學控制效果，壓水堆核電站一回路在運行過程中，冷卻劑pH值控制中將Li濃度維持在2.5-2.6mg/kg范圍內，隨著時間的推移，發現水化pH值從6.9上升至7.0；之后維持著在7.0左右，遂將Li濃度下調至2.1mg/kg，之后保持2.1mg/kg的濃度直至水化pH值上升至7.2，最后維持這一pH值不變并降低Li濃度直至循環結束。從生產效果來看，在經過上述的處理后，可以將一回路放射性核素計量率降低約30%。因此根據這一結果可認為，在壓水堆核電站一回路應該嚴格遵照這一標準，認真控制pH值，最終達到減少腐蝕產物生成的目的。

2.2 停堆的氧化運行

從功能來看，氧化運行已經成為壓水核電站一回路運行的重要組成部分，其主要目的為：①降低停堆劑量率。在停堆末期通過引入氧化氫，能夠確保主系統處于酸性氧化環境中，進而加快了主系統與堆芯腐蝕物的釋放，因此通過凈化床能夠有效去除系統釋放的產物，有助于降低停堆劑量率。②縮短大修時間。在系統氧化運行期間，原本需要進行數十天的活化腐蝕產物的釋放過程可以在幾十分鐘內完成，因此可以為換料修整提供更多的時間，保證了一回路運行效率[3]。在氧化運行過程中，整個生產過程可以分為以下幾個階段進行，分別為加藥→氧化→凈化。其中當反應堆的冷卻溫度達到80℃時，可以考慮將一定量的過氧化氫注入一回路中，經壓縮空氣做吹掃之后，能夠加快系統的氧化進程。一般一回路在注入過氧化氫40min左右即可進入氧化階段，此時反應堆中冷卻溶解氧的濃度會在短時間內上升至1.0mg/kg，此時通過將一回路系統的下謝亮調整至最大標準（在這個過程中，58CO與γ放射性含量會在短時間內達到峰值，而在隨后的7-12h內110mAg的峰值也會出現）。在凈化床的作用下，冷卻劑的放射性比活度會有顯著下降。之后再凈化環節，冷卻劑的放射性比活度會按照公式（1）的方式下下降。

在公式①中，M0為反應堆的冷卻劑總量，其單位為“t”；L為凈化流量，單位為“t/h”；ε為凈化床效率；CO為凈化前的放射性比活度，單位為“MBq/m3”；C1為凈化后的放射性比活度，單位“MBq/m3”；△t為時間的間隔數量，單位為“h”。

在停堆的氧化運行過程中，當化學平臺注入過氧化氫之后，其冷卻劑的放射性水平會達到峰值，此時隨著下泄流量的增加，會發現冷卻劑的放射性有明顯下降，相互之間存在線性關系。

3 結語

在壓水堆核電站一回路會產生多種活化腐蝕產物，在化學控制過程中，相關人員需要結合生產要求，從安全生產、穩定生產角度入手，探索水化學控制的新方案，爭取為實現壓水堆核電站平穩運行奠定基礎。