長燃料循環一回路水質跟蹤與探討

李洪亮 雷水雄 蒲代偉

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

國內大部分壓水堆核電廠都已實施或即將實施18個月換料的長周期換料模式。

本文圍繞核電廠長燃料循環管理后，一回路水化學中硼、鋰等參數的改變，引起的冷卻劑水化學環境變化對電廠運行產生的不利影響及該如何采用化學手段消除影響展開分析。通過大量樣品數據的比對、分析，為長燃料循環后核電廠一回路水化學研究、優化提供評價及參考。

1 長燃料循環后一回路水化學環境

一回路水化學指標不僅是維持電廠可靠運行的重要參數之一，也是衡量壓水堆運行狀態的重要指標。因核電廠燃料循環周期延長，為控制反應性，要求電廠在運行初期階段有更高的硼濃度，而高硼濃度會導致冷卻劑偏酸性，會引發一回路結構材料的腐蝕。也會使得冷卻劑內活化腐蝕產物遷移，導致一回路輻射場增強。

長燃料循環后堆芯冷卻劑水化學參數的改變，會對機組運行產生什么影響，如何通過化學干預手段消除不利因素，發揮核電廠一回路水化學控制作用？將通過以下兩個方面延伸、探討：提升硼濃度；提高鋰濃度。

2 硼濃度提升

至今為止，采用硼酸進行化學補償控制，仍然是壓水堆反應性控制的一個重要手段。由于長循環燃料富集度提高、燃耗加深，為滿足反應性控制的需求，所以在長燃料周期期初需要提升硼酸濃度。

2.1 硼酸控制反應性

堆芯內硼有兩種穩定同位素，即10B和11B，天然豐度分別為19.8%和80.2%。由于10B的中子吸收截面（3837靶）遠高于11B的中子吸收截面（0.005靶），因此反應堆的反應性控制以10B為主。

在冷卻劑中10B因吸收中子發生反應而不斷地被消耗。10B作為反應性控制的主要手段，隨著機組運行冷卻劑中的10B豐度逐漸降低。經過對秦山基地某運行機組一個長燃料循環周期內冷卻劑中10B的監測，首次得到了長燃料循環冷卻劑中10B豐度變化趨勢，也為機組燃料可靠性的計算提供了數據支持。

2.2 影響10B豐度的主要因素

通過一個長燃料循環周期10B豐度數據的整理、分析，結合機組運行功況變化，總結出10B豐度變化的規律，并歸納出影響10B豐度的主要因素。

2.2.1 堆芯燃耗

堆芯燃耗是10B豐度減小的主要因素。在機組運行過程中，10B作為中子吸收劑，與中子發生 反應，保持堆芯處于穩定的功率運行狀態。而隨著堆芯燃耗的加深，冷卻劑中10B豐度逐漸減小[1]。

2.2.2 硼回收

壓水堆核電站的硼大部分是回收的，所以隨著反應堆運行年限的增加，系統中10B的消耗會不斷積累，導致各種硼酸箱及一回路中的10B實際豐度低于天然豐度。因此使用回收硼也是導致機組長燃料循環運行期間，一回路10B豐度逐漸降低的一個因素。

2.2.3 硼化操作

假設機組降功率調門試驗、停機小修啟停等工況中對一回路硼化操作，所有注入一回路硼的豐度都按自然硼的豐度進行計算，那所有的硼化操作都會使一回路10B的豐度升高。但通過硼化操作變化相同的硼濃度，壽期末比壽期初的10B豐度變化大得多。主要是因為壽期末冷卻劑中的10B豐度比壽期初的低，影響更大。

綜上所述，通過數據的積累，掌握了冷卻劑中10B豐度的變化規律和干預10B豐度的化學控制手段，消除了長燃料循環對于機組安全的不利影響。若壽期運行中發現冷卻劑中10B豐度變化趨勢，將會影響到反應性控制，則可以在一回路冷卻劑稀釋液中，使用天然豐度的硼酸修正冷卻劑中的10B豐度，以保證堆芯反應性控制的需求，確保機組安全、穩定運行。

3 鋰濃度提升

硼、鋰協調是化學控制堆芯冷卻劑pH值的主要手段，長燃料循環初期階段高硼濃度會導致冷卻劑偏酸性。由于堆芯構件等設備的防腐和控制腐蝕產物活化需求，在長燃料周期初就要提升堿化劑氫氧化鋰的濃度，以維持冷卻劑合理的pH值，從而減緩堆芯結構材料的腐蝕、減少腐蝕產物的活化和遷移，并降低一回路放射性環境強度。

3.1 冷卻劑p H值控制

機組功率運行情況下，堆芯冷卻劑的pH300℃值，主要取決于反應堆冷卻劑內的硼酸和氫氧化鋰相對濃度。進入長循環燃料管理后，由于壽期初反應堆冷卻劑中的硼濃度高，降低了原設計中反應堆冷卻劑的pH300℃值。

長燃料循環壽期初將硼濃度提高到1 900 mg/kg，仍按照原有的B-Li協調控制，控制鋰濃度為3.0mg/kg，不能到達國際上使用的推薦值——pH300℃值在6.90~7.20[2]。

長燃料循環后，為了提高冷卻劑的pH300℃值，同時考慮高鋰濃度運行對燃料包殼鋯合金的腐蝕風險，須適當提高一回路堿化劑氫氧化鋰濃度。將壽期初的鋰濃度提高至3.5 mg/kg，并采用分段式硼-鋰協調曲線協調控制冷卻劑pH300℃值。優化后的B-Li協調控制曲線，如圖1所示：

（1）壽期初的鋰濃度維持在3.5 mg/kg，直到pH300℃達到7.0。

（2）通過減少鋰濃度維持pH300℃＝7.0。

（3）鋰濃度維持在2.2 mg/kg直到pH300℃達到最佳值7.2。

（4）通過減少鋰濃度維持pH300℃＝7.2。

這樣的分段式控制方式既可以保證機組在臨界后，又可以達到防腐最優pH300℃值范圍。

當主系統Li濃度低于協調曲線下限時，通過REA006BA向冷卻劑中添加氫氧化鋰；若主系統鋰濃度超出協調曲線上限，投RCV003DE，除去過量的Li，使主系統Li濃度滿足B-Li協調曲線要求（見圖1），從而實現冷卻劑pH300℃值的精準控制，降低系統設備腐蝕風險，減少結構材料的腐蝕及腐蝕產物遷移和沉積。

圖1 長燃料循環優化后B-Li協調控制pH值曲線

3.2 冷卻劑放射性環境

機組功率運行情況下，對冷卻劑中腐蝕產物的產生量進行跟蹤，一方面監督燃料包殼的完整性；另一方面，其也是評價硼、鋰協調控制堆芯防腐水平的重要指標。

一回路中主要結構材料為奧氏體不銹鋼、鎳基合金、與冷卻劑接觸的材料、含鈷合金，以及含銻和含銀的各種材料。由于這些構件及材料的腐蝕及腐蝕產物的活化，使60Co、58Co和110mAg等成為一回路的主要核素。尤其是傳熱管材料中58Ni活化產生的58Co一直是電站的關鍵核素，一直備受關注。

為掌握長燃料循環B-Li協調pH300℃值曲線優化，對一回路放射性環境產生的影響，化學人員對冷卻劑的放射性參數進行了有目的性的、長時間的跟蹤與分析。參比運行機組不同燃料循環中58Co數據，從而為判斷長燃料循環后冷卻劑放射性環境變化提供數據支持。

根據不同燃料循環，從冷卻劑中58Co的監測數據趨勢（見圖2）可以看出，從混合堆芯過度到長燃料循環管理，采用優化的B-Li協調控制后，反應堆冷卻劑中腐蝕活化產物58Co的含量沒有增加，而且還有減少的趨勢。這表明，采用優化的B-Li協調pH300℃控制，可以保證良好的水化學品質，有效地起到抑制結構材料的腐蝕、遷移和沉積，降低冷卻劑輻射強度，并盡可能地降低一回路系統的腐蝕速率。放射性腐蝕產物量的減少，減輕了凈化系統壓力，延長了凈化床的使用周期；減少了放射性樹脂的使用和固化，減輕了放射性廢物處理系統運行壓力，并節省了放廢物質處理費用。

圖2 不同燃料循環58Co數據趨勢

4 結論

長燃料循環后，反應堆冷卻劑水化學參數的改變對機組產生的不利影響，通過化學控制手段得到了很好的解決，同時也提高了機組的經濟效益。

（1）在反應堆運行中期，若發現冷卻劑中10B豐度變化趨勢，將會影響到反應性控制，則可以在一回路冷卻劑稀釋液中，使用天然豐度的硼酸修正冷卻劑中的10B豐度，以保證堆芯反應性控制的需求，確保機組安全、穩定運行。

（2）長燃料循環后，通過冷卻劑硼、鋰協調優化控制，減少了堆芯及一回路材料的腐蝕，降低了一回路放射性環境強度，使得大修人員計量率水平降低。另一方面，腐蝕產物量的減少，節省了大量的放射性廢物處理費用，保護環境的同時，也提高了機組的經濟效益。