漳州能源富集10B應用的可行性分析

費羅杰

(中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

調硼是核電廠一回路反應性控制的重要方式之一，其中10B起關鍵性作用，在整個壓水堆壽期中，通過消耗硼對堆的剩余反應性進行控制,本文通過查找文獻，對比分析，對漳州能源富集10B應用的可行性進行分析，提出可行性方式方案，從而對最終實施提供必要的倫理依據。

1 10B介紹

天然硼元素有兩種穩定的同位素，即10B和11B，豐度分別為19.78%和80.22%。其中10B對中子有很強的吸收特性，10B對熱中子的吸收截面為3837巴，自然豐度的硼對熱中子的吸收截面接近于750巴，而11B僅為0.005巴，因此10B對熱中子的吸收截面是自然豐度硼的5倍還多，是石墨的20多倍，是傳統防護材料混凝土的500多倍。硼是一種非常好的中子吸收材料，而其中起決定作用的10B。

2 10B工業生產狀況

10B的富集在國際上已不是難題，19世紀50年代就已經開始工業生產，主要方式方法有三種。

2.1 三氟化硼—乙醚絡合物化學交換精餾法制作10B

英國在1957 年以前采用該方法, 其裝置的參數:塔高5 m, 直徑25～38 mm, 填料為狄克松。塔板的當量高度為1 cm, 分離因子α=1.026, 溫度限制在75 ℃, 塔高的真空度:柱底6.7 kPa, 柱頂2.7 kPa, 流量100 ml/h, 塔釜干燥, 全部汽化, 塔釜供熱穩定, 用水冷凝器, 材質為銅質蛇管, 移走過程中分解的產物, 分解率0.5%/h, 系統中的含水上限為0.01%。產量(10B 豐度98%)300 g/a[1]。

2.2 三氟化硼—甲醚絡合物化學交換精餾法

三氟化硼—甲醚絡合物的分離, 塔直徑102 mm, 規模是公斤級產量,10B 豐度為95%;美國的中試裝置的數據:塔直徑76.2 mm, 高9.14 m, 填料為Stedman。生產裝置:塔直徑457 mm, 總高107 m, 材質為蒙乃爾, 填料為6.4 mm Cannon, 理論塔板數380 塊, 回流比700∶1,10B 95%生產能力3 t/a;系統中含水的上限0.01%,絡合物的分解率(127 ℃)為0.6%/d;用隔膜泵輸送, 材質為不銹鋼、蒙乃爾、聚三氟氯乙烯。1964年, 蘇聯格魯吉亞科學院報道的參數[1]:真空度20 kPa, 柱高14.9 m,10B生產能力10 g/d;1967年, 蘇聯采取二級精餾[2], 1號塔:D1=128 mm,H1=20.78 m;2號塔:D2=70 mm,H2=22.12 m, 在壓力為20～27 kPa、溫度為100 ℃時,10B 生產能力20 kg/a[1]。

2.3 三氟化硼—苯甲醚化學交換精餾法

1961年,美國將該方法投入中試,由于常壓、常溫操作,有較高的分離因子,25 ℃時為1.032,20 ℃時為1.013,當時他們認為,如果絡合物的分解能成功地得到控制,本項技術是很有吸引力的。1970年,蘇聯莫斯科門捷列夫化工學院報道了在分離硼同位素時苯甲醚或苯乙醚中雜質的最大允許濃度。1975年日本公開特許介紹了硼同位素分離裝置,解決了苯甲醚絡合物分解的雜質的分離。1991年,俄羅斯莫斯科門捷列夫化工學院發表的“多管質量交換柱中三氟化硼與三氟化硼—苯甲醚絡合物的化學同位素交換法分離同位素硼”一文,用了三根直徑為78 mm、高度為46.5 m、內填有3.5 mm×3.5 mm×0.2 mm的填料柱子進行。1997年,莫斯科門捷列夫化工學院卡塔里科夫教授來華講學,闡明三氟化硼—苯甲醚化學交換精餾法是當今分離10B的實用方法。經過幾十年的工業發展，10B的產量已經完全滿足工業化的需求[1]。

2.4 我國10B工業生產狀況

2009年,大連伯恩科技有限公司通過化學交換法，成功分離出了10B，并在大連建成了300 kg/a的10B粉生產線，填補了我國工業化生產的空白，富集及豐度達到了96.5%，技術和質量水平都達到了國際先進水平，完全能夠滿足核電廠富集硼的需求。

富集10B的工業化生產為核電應用富集10B提供了充足的原材料，為富集10B在核電廠的應用提供了基礎。

3 核電廠硼相關系統

化學和容積控制系統(RCV)是反應堆冷卻劑系統(RCP)的一個主要的輔助系統。它在反應堆的啟動、停運及正常運行過程中都起著十分重要的作用，它為反應堆冷卻劑系統的水容積控制、化學控制和反應性控制提供了手段。化學控制原理如圖1所示。

圖1 RCV控制原理圖Fig.1 RCV Control schematic diagram

利用RCV系統進行反應性控制，加硼——在上充泵吸入口注入預先規定數量的硼，即可進行反應性控制。

反應堆硼和水補給系統(RBM)是化學和容積控制系統(RCV)的支持系統，為化學和容積控制系統主要功能的實現起輔助作用，只要通過設定值，系統可配置各種濃度的硼溶液，為化容系統提供充足的負反應性。硼化時，發出“硼化”的指令，打開閥門，流量計計算硼酸注入量，閥門和流量計都是可控，且可微量控制硼酸注入量，這為富集硼的使用提供了系統設備支持，在不改變電廠設備情況下，可以完全實現富集硼的使用，通過閥門控制，富集硼注入量可以得到精準統計，從而對膨化稀釋達到完美控制。

4 10B在電廠應用的益處

4.1 優化pH

研究表明pH在6.9以上有助于反應堆運行，為了維持反應堆pH，必須添加一定的氫氧化鋰，但高鋰狀態下對電廠運行存在危險，對燃料包殼有一定的腐蝕作用，通過提高硼富集度，可以降低硼酸使用量，從而可以減少鋰用量，保持pH在更安全狀態下運行。功率運行期間的優化硼-鋰協調曲線如圖2所示。

圖2 功率運行期間的優化硼-鋰協調曲線[2]Fig.2 Optimization of B- Li coordination curve during power operation[2]

由于漳州能源1、2號機為長循環運行工況，水質要求將嚴酷。圖3為實施長循環后的硼-鋰協調曲線。

圖3 實施長循環后的硼-鋰協調曲線[2]Fig.3 Boron lithium coordination curve after long cycle[2]

為了保持堆芯足夠的剩余反應性，需要壽期初較高的反應性，需添加更多的硼酸，導致pH過低，為了保持pH，就需要提供更多的氫氧化鋰，可能會增加燃料包殼腐蝕的風險。根據計算，壽期初硼濃度減少100 mg/kg，pH可增加0.03。

圖4 LiOH恒定時pH(冷卻劑300 ℃)和硼濃度的關系曲線[3]Fig.4 Relationship curves of pH (coolant 300) and boron concentration at constant LiOH[3]

從圖5可以看出，核電廠若采用富集硼，將現有富集度提高到30%，壽期初的硼濃度(1200 mg/kg)將減少1/3，pH(300 ℃)將增加0.12，隨著富集度的升高，完全能夠保值pH大于6.9，降低燃料包殼腐蝕風險。

圖5 不同10B富集度下的B和Li關系曲線[5]Fig.5 B and Li curves under different enrichment rates of boron-10[5]

4.2 減少腐蝕產物產生的放射性

核電運行過程中，往往會產生腐蝕產物，而水質pH對其影響較大。

從圖6中可以看出，pH優化后可以顯著減少腐蝕產物在堆芯的積累，從而降低了一回路放射性。

圖6 不同pH洗鐵-鎳氧化物的溶解性[3]Fig.6 Dissolution of iron nickel oxides at different pH values[3]

4.3 提升機組經濟性

據統計，一座百萬千瓦核電廠一年產生的硼酸廢液約為2000 m3，每年產生濃縮廢液為20 m3，硼酸價格1000美元/m3，瀝青固化費用100美元/m3，硼酸廢液處理費用2000美元/m3，如果采用富集60%豐度的10B，每年減少約1/3廢液，節約新鮮硼酸的替換1333美元，節約硼酸廢液處理費用133 000美元，節約固化費用3333美元，節約地質處置費用26 667美元，節約總費用164 333美元[4]。漳州能源兩臺機組，按核功率2424萬kW折合，大約可節約費用約40萬美元。

4.4 提高反應性計算精度

百萬機組，每堆每循環消耗大約5.54 kg10B，循環壽期初每天大約消耗18 g10B,使硼濃度下降約0.1 mg/kg，循環壽期末每天大約核消耗2 g10B，壽期末10B豐度大約會達到17.7%～18.2%[6]，與壽期初明顯有差距，而在硼化稀釋過程中，未曾考慮這方面原因，包括核設計也未曾考慮該情況，導致反應性計算會有不準確性的情況存在，采用富集硼可抵消這方面帶來的不確定性。

4.5 其他益處

通過提高硼富集度，可增強反應堆的能力，可使用含有高豐度鈾235的燃料，經驗表明可以增加使用混合氧化物(MOX)燃料的數量，可以增加燃燒和循環周期，每個循環的燃料消耗將減少，因此，最終所需的燃料費用、廢液處理費用、中間和最后的儲存費用都減小。

使用富集硼，水化學性質將變好，由雜質產生的沉淀減少，因此鐵素體，鎳的活性減小，從而降低核電廠中的藥劑加入率，脅強腐蝕(金屬超應力引起的腐蝕)引起的蒸汽發電機管束破裂減小。使用富集硼也可以降低對環境的污染、減小藥劑加入率、減少核反應堆操作系統中堆芯內燃燒吸收棒的數目。

5 國內外電廠應用情況

世界各地高功率的核電廠已開始采用富集硼，換料設計優化后變成長循環的堆也在積極研究采用富集硼，富集硼的使用優勢明顯，表1為采用富集硼的電廠。

在后續電廠中，我國也在積極展開富集硼運用的研究。

6 總結

漳州能源富集10B的應用，可以有效地提高壽期初的pH，減少材料的腐蝕速率，降低輻射劑量，延長一回路使用壽命，還能提高電廠的經濟性。且同類型電廠中已采用富集10B，效果良好。通過分析、對比、調研、探索，我們發現，富集10B的使用帶來的效益遠不止于此。從設備、系統角度考慮，使用富集硼完全具備條件。漳州能源使用富集10B十分可行。