中國散裂中子源靶站冷卻水凈化系統設計

李　清，何　寧，梁輝宏

中國散裂中子源靶站冷卻水凈化系統設計

李清1，何寧2，梁輝宏3

（1.中國原子能科學研究院反應堆工程技術研究部，北京 102413；2. 中國科學院高能物理研究所，北京 100049；3. 散裂中子源科學中心，廣東 東莞 523803）

散裂中子源是由加速器產生高能質子轟擊重金屬靶產生高通量脈沖中子的科學裝置。中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）主要由加速器、靶站和中子譜儀三部分組成。凈化系統作為靶站水冷系統的一個組成部分，對CSNS的安全運行起著重要作用。本文主要介紹了CSNS靶站水冷凈化系統的工藝流程設計、系統重要參數的確定、系統設備選型、控制儀表和系統布置的特點以及系統各種工況下運行操作方面的設計思路。

中國散裂中子源；靶站冷卻系統；水凈化系統；水凈化工藝

中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）項目已于2016年在廣東東莞建成，2017年8月28日首次成功獲得中子束流，2018年8月23日，國家重大科技基礎設施中國散裂中子源通過國家驗收，投入正式運行，并將對國內外各領域用戶開放。這標志著CSNS和正在運行的美國、日本與英國散裂中子源構成世界四大脈沖散裂中子源[1]。

CSNS項目一期建設包括強流質子直線加速器、快循環同步加速器、靶站、三臺中子譜儀等。靶站水冷卻系統是靶站的重要組成部分，是靶站能否正常運行的關鍵，其運行的可靠性直接關系到中子的有效利用率及輻照安全等。靶站水冷系統主要冷卻對象包括：靶體、反射體、慢化器、預慢化器、質子束窗、退耦合回路、氦容器束道水冷部、氦容器下部反射體和屏蔽段。其中靶體和反射體采用重水冷卻，其他對象采用輕水冷卻[2-4]。

輕水中的有害雜質增多或pH不妥，會造成冷卻對象以及輕水循環回路內的管道、閥門、設備等材料的腐蝕；如水質不純將結垢，影響傳熱性能；水中雜質和腐蝕產物活化會使劑量場升高，給設備維修造成困難。因此要維持合理的水質標準以保證系統設備的安全運行維護，凈化系統起著很重要的作用。

1　CSNS靶站水凈化系統工藝設計

靶站輕水冷卻系統共有兩個，分別設置了凈化系統。輕水凈化系統1連續凈化冷卻水慢化器、預慢化器、質子束窗及退耦合慢化器回路的輕水。輕水凈化系統2連續凈化冷卻氦容器束道水冷部、氦容器下部反射體和屏蔽段的輕水。輕水冷卻系統1、2的參數和指標如表1所示。

表1　輕水冷卻系統參數和指標

凈化系統設計的主要目的是保障冷卻劑水質以減小腐蝕和防止結垢。設計根據被冷卻主體結構材料的腐蝕特點以及冷卻劑中雜質的主要組成等，確定凈化系統所采用的工藝以及該工藝的流程和主要設計參數，繼而對系統的設備、儀表、布置等進行詳細設計。

靶站冷卻主體結構材料為鋁合金和奧氏體不銹鋼，冷卻劑采用輕水（H2O）。材料的腐蝕與很多因素有關，根據相似反應堆的運行經驗和文獻［5］、［6］和［7］的報道結合CSNS靶站兩種結構材料的腐蝕特點進行分析，應主要控制以下一些指標。

（1）陽離子、銅。鋁的化學性質活潑，在低于70 ℃的水中以點腐蝕和均勻腐蝕為主。而點腐蝕具有更大的危險性，銅的存在會引起還原反應從而加速鋁氧化膜的溶解，形成點腐蝕，當銅氯并存時，更加速了點腐蝕的形成。水中銅的存在對于不銹鋼的危害較小。因此陽離子主要考慮控制銅；

（2）陰離子，主要是鹵族元素。如氯離子的存在會使鋁的氧化膜削弱處或缺陷處加速溶解作用，加速點腐蝕。水中存在氯離子會對不銹鋼造成孔蝕和晶間腐蝕。陰離子主要控制氯；

（3）不溶性固體殘渣，它們的產生是由沖刷下來的不銹鋼材料和鋁合金的腐蝕產物中的Fe+、Fe3+、Al3+、Ca2+、Cr3+、Ni2+、Mn2+等和水中的某些陰離子形成難溶性的化合物。它們會沉積或吸附在結構材料表面上妨礙熱傳導，使壁溫升高。同時活化了的腐蝕產物沉積在設備上會造成局部放射性“熱點”，還會增加輻射腐蝕作用，因此應控制不溶性固體殘渣總量；

（4）輕水的電導率通常與水中存在的陽、陰離子總濃度以及水中帶電性基團的含量有關，因此是衡量水質純度的一個重要指標。根據文獻［5］和中國原子能科學研究院的輕水492反應堆（主要結構材料是不銹鋼和鋁材）幾十年的運行數據表明[8]電導率≤2.0mS/cm時未發現嚴重腐蝕問題；

（5） pH也是影響材料腐蝕的關鍵因素，只有在最佳的pH下，才能使材料腐蝕維持在最低水平。在20～80 ℃的去離子水中，不銹鋼在相當寬的pH（pH為3～11）范圍內都能保持其鈍化性質，在水中的腐蝕速度沒有大的變化。鋁合金最低腐蝕速率的pH是5.5～6.5。因此綜合考慮建設成本可主要關注鋁合金對酸堿度的要求，取pH為5.5～6.5。

根據上文對冷卻劑水質控制指標的分析并結合EJ/T 763—1993《輕水試驗研究反應堆水質技術條件》[9]最終確定靶站水質指標如表2所示。

表2　輕水凈化系統水質指標

輕水冷卻劑的凈化有多種方法：蒸餾法、稀釋法、過濾法和離子交換法等。其中以過濾法和離子交換法聯合使用的工藝有設備簡單，操作方便，費用低，效果較好，系統占用空間小等特點，是目前國內外水冷核反應堆普遍采用的方法。根據輕水冷卻系統的相關要求（見表1和表2），本項目的兩個輕水凈化系統均采用過濾法和離子交換法聯合使用的凈化工藝。工藝流程為：增壓水泵（設置為輕水冷卻系統的旁路，因此未設置）—前機械過濾器—混合離子交換器—樹脂捕集器。

流程設計中，離子交換單元選用了單級混合離子交換器。單級混合離子交換器實現靶站水冷系統凈化功能以及其自身的主要特點分析如下：

（1）偏酸性環境的實現。

對于靶站水冷系統凈化，首先要考慮實現冷卻劑pH處于5.5～6.5的偏酸性環境，即要使冷卻劑中H+過量。實現偏酸性環境主要有兩種方法：一種方法是添加酸化劑，另一種方法就是利用離子交換樹脂的特性來實現。如果在冷卻劑中添加酸化劑，首先要考慮酸化劑的種類、濃度與pH、電導率的關系以及酸化劑對離子交換器凈化效率的影響，還要考慮到實施添加設備的選擇、安裝以及添加位置等等實際操作中的問題，這種方法比較復雜。而利用離子交換樹脂特性來實現可大大簡化系統的設計。采用這種方法就是通過離子交換劑釋放過量的H+使冷卻劑水質處于酸性環境。這可以利用陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂裝量的多少來實現。當過量的RH型陽離子交換樹脂的H+置換到冷卻劑中時，則冷卻劑呈酸性。該方案在中國原子能科學研究院492輕水反應堆和101重水反應堆上長期使用，實際運行情況表明混合離子交換器中陽、陰離子交換樹脂裝量比例為1:2時，完全可以滿足冷卻劑PH在5.5～6.5的偏酸性環境要求。

（2）凈化效率高。

混合離子交換器可以把水中含有的有害離子全部控制在水質指標的要求范圍內。如用交換器效率（除去離子量同進水離子含量之比）的概念來評定凈化效果的話，混床的交換器效率可達90%以上。

（3）間斷運行時，對出水水質影響較小。

（4）交換終點明顯。混床在交換末期，其出水質量下降很快，這有利于準確判斷樹脂是否失效和實現自動控制。

（5）設備少、裝置集中、所占空間較小。

單級混合離子交換器也存在下述缺點：

（1）樹脂交換容量的利用率較低；

（2）樹脂分層再生操作復雜；靶站水冷系統凈化樹脂不進行再生處理，這一點已不重要。

（3）樹脂磨損率大；靶站水冷凈化系統不進行再生處理，這一點已不重要。

通過以上的分析，流程中采用單級混床是能完全滿足系統設計要求的。

CSNS靶站正常開機情況下，由被冷卻對象水慢化器、預慢化器、質子束窗、退耦合回路與輕水冷卻系統1；氦容器束道水冷部、氦容器下部反射體、屏蔽段靶體與輕水冷卻系統2分別構成了封閉回路。此時冷卻劑總容量分別為7.1 m3和2.76 m3的輕水在主泵作用下將被冷卻對象的熱量帶出。凈化系統設置為輕水冷卻系統的旁路，進水來自輕水冷卻系統換熱器出口總管，流經一臺前過濾器去除固體狀態雜質和懸浮物，進入兩臺既可串聯又可并聯使用的離子交換器，以去除腐蝕產物、有害雜質，再經樹脂捕集器濾去破碎樹脂后至輕水冷卻系統波動箱。

2　系統主要參數確定

在凈化工藝確定后，即可對凈化系統的主要設計參數“凈化流量”加以確定。凈化系統設計要求在最大腐蝕產物產生速率下，在設計流量下，能確保冷卻劑的水質控制指標。凈化流量的計算通常是按腐蝕產物的產生速率與混合離子交換器去除離子的速率相平衡來求得。以輕水凈化系統1為例計算如下[10]：

式中：

—— 凈化系統流量，L/h；

以上計算未考慮裂變產物及放射性水平，但計算所用的腐蝕產物產生速率、可溶性腐蝕產物含量和混床出口雜質含量均取值保守，所以有足夠的設計余量。結合文獻[6,8]所報道的數據和文獻[7]所報道的最佳流量范圍，確定輕水1、2凈化系統流量。

凈化系統不獨立設置動力水泵。對凈化系統阻力損失進行核算，回路阻力計算是在已知管道、設備、閥門的規格尺寸參數和數量以及系統設備、管道具體布置的情況下根據給定的介質流量計算的。對計算阻力損失考慮15%的余量，輕水1凈化系統計算壓降為48.9 m，輕水1冷卻系統提供給本系統揚程為65 m，滿足要求，輕水，2凈化系統計算壓降為38.93 m，輕水2冷卻系統提供給本系統揚程為68 m，滿足要求。

通過上述計算，完成輕水1、2凈化系統主要工藝參數的設計和計算。其相關計算結果和系統設計依據的有關參數為：系統工作壓力≤0.6 MPa；系統設計壓力0.8 MPa；系統工作溫度≤35℃；系統設計溫度50℃；系統設計流量0.71 m3/h（系統1）、0.28 m3/h（系統2）；系統運行時間5 000 h/年。

3　系統設備

（1） 增壓水泵

凈化系統主要是在開機期間隨機運行，在停機期間對已失效的樹脂不再進行再生，因此不需設置水泵提供動力。劑凈化系統雖未設置水泵，為了驗證主冷卻劑所提供動力的可靠性也同樣進行了系統流阻計算。

（2） 閥門

系統入口和出口閥設置為可就地手動并可在主控室遠程控制的電動調節閥。對于輸送和灌裝樹脂管道上的閥門則采用全開式球閥，此閥門結構能避免固體顆粒的聚集，不產生妨礙閥門開關的隱患，避免放射性物質的泄漏。系統其他位置主要采用了截止閥。

（3） 前過濾器

系統的前過濾器主要目的是去除水中不溶性的固體微粒、膠體物質和懸浮物，延長樹脂的使用壽命。在過濾介質的材料使用上，主要可選用綢布、尼龍布以及其他一些合成的纖維材料或適當篩目的不銹鋼絲網等。本項目選用了過濾精度為10mm的不銹鋼絲濾網濾芯，使冷卻劑中的不溶性固態懸浮物被阻留在前機械過濾器內。

隨著凈化系統運行時間的加長，前機械過濾器放射性強度會逐漸增大，為滿足工作人員的輻射防護要求，過濾器設有100mm厚外殼鉛屏蔽；不溶性固體物積累使過濾效率降低，影響凈化流量，一旦發現，可進行更換。柱體同系統管道間采用螺紋接頭和耐壓金屬軟管連接便于拆卸，柱體上設有兩個支耳由叉車運送至熱室。該設備設計為可拆卸，濾芯安裝在濾筒上可更換。

設計參數如下（輕水1與輕水2凈化相同）：

設計壓力：0.8 MPa

設計溫度：50 ℃

外形尺寸：750×1 620

安裝方式：立式

材料：承壓部分為S30403，屏蔽外殼為S30408

數量：1臺

（4） 混合離子交換器

離子交換器主要用于去除冷卻劑中離子狀態腐蝕產物、有害雜質和活化產物，其本身也具有過濾固態懸浮物的能力。離子交換器計算的主要任務包括：計算樹脂一次裝量；驗算工作壽期；確定交換器尺寸；估算交換器的流動水阻力。以輕水凈化系統1為例計算過程如下：

1）樹脂一次裝量

混合離子交換器樹脂的工作壽期不宜太短，太短需經常更換樹脂，給操作帶來許多不便；其工作壽期也不宜太長，因混合離子交換器在工作中吸收了大量放射性核素，樹脂處于很強的輻射場下工作，如時間過長，樹脂會受輻照分解而破壞。根據文獻[6, 8]所報道的數據其壽期定為1年。計算結果見表3所示。

表3　樹脂裝量計算

本計算為設備的進一步設計提供了主要設計參數。

2）驗算混合離子交換器的工作壽期

陽、陰離子交換樹脂的工作壽期分別為[10]：

式中：1、2——分別為陽、陰離子交換樹脂的工作壽期，h；

1、2——分別為陽、陰離子交換樹脂的用量，m3；

1、2——為進入混合離子交換器水中陽、陰離子的含量[3]，mg/L；1=0.3×10-3、2=7.4×10-4

——凈化流量，0.71 m3/h；

——樹脂床個數，2；

——輻照和溫度對交換容量的影響系數，一般取0.10～0.15，取中間值：0.125；

1、2——分別為陽、陰樹脂在混合離子交換器中的有效交換容量。

732#：550～700 mg/L 717＃：250～300 mg/L

1=550 mg/L2=250 mg/L

以上估算值均大于樹脂設計壽期1年（5 760 h），可保證凈化系統滿足設計要求。

3）確定混合離子交換器的尺寸

混合離子交換器過濾面積和高度對于離子交換效果和樹脂使用壽期有較大影響，因此其高徑比值非常關鍵。根據文獻[7]的公式，混床的流速采用范圍10～15 m/h。在計算中主要根據離子交換樹脂的工作特性，對于流速較保守的選取為10 m/h。計算如表4所示。

表4　混合離子交換器高度和直徑計算

經計算離子交換器筒體為300 mm×1 080 mm。

4）計算混合離子交換器的流動水阻力

在系統阻力計算中，選用如下公式對離子交換器的水頭損失進行計算：[10]

式中：——水流速，m/h；

——樹脂層高度，m；

——樹脂的平均直徑，mm；

離子交換器最終設計為：內裝均勻混合的R-H+和R-OH-型核級陽、陰離子交換樹脂。每臺裝量約0.08 m3，陽陰樹脂體積比為：1:1.5。CSNS靶站水冷凈化系統所使用的離子交換樹脂不考慮再生，樹脂失效后可通過樹脂充排口進行更換。柱體同系統管道間采用法蘭、耐壓金屬軟管連接便于拆卸，柱體上設有兩個支耳由叉車運走。

離子交換器經長時間積累，劑量會大幅增加，為滿足工作人員的輻射防護要求，柱體設有鉛屏蔽，屏蔽層厚度為100 mm。主要設計參數如下：

設計壓力：0.8 MPa

設計溫度：50 ℃

外形尺寸：1 003 mm×1 855 mm（輕水1凈化）850 mm×1 814 mm（輕水2凈化）

安裝方式：立式

材料：承壓部分為S30403，屏蔽外殼為S30408

數量：2臺

（5） 樹脂捕集器

樹脂捕集器布置在兩臺離子交換器后，系統的出口。該設備作為系統的最后一道屏障，收集、阻擋破碎樹脂進入冷卻劑中。

采用與前過濾器相同產品。

設計壓力：0.8 MPa

設計溫度：50 ℃

外形尺寸：750 mm×1 620 mm

安裝方式：立式

材料：承壓部分為S30403，屏蔽外殼為S30408

數量：1臺

4　儀表和控制

為保證運行操作人員的健康，降低現場操作頻度，設計中采用了遠程監測和控制措施。

（1）系統投入運行時，出入口電動閥的啟閉是在主控室執行，主控室同時對該系統凈化流量、壓力和泄漏報警監控，發現異常及時通知維修人員。為便于巡檢人員了解系統運行狀況，現場工藝間也設有檢測儀表。

（2）強放設備機械過濾器和離子交換器設γ劑量探頭，參數由輻射防護控制室監控。

（3）系統電導率作為主要控制指標，pH值、流量和壓力作為系統運行參考指標。系統設有在線工業電導率儀，隨系統運行。一次表傳感器分別設在離子交換器進出口，進口檢測回路內輕水的電導率，出口監測系統凈化后的水質指標，判斷離子交換樹脂是否失效。凈化系統過程測量參數的設置和要求如表5所示。

表5　輕水1/2凈化系統過程測量參數

5　系統布置

系統在設備、管道閥門和監測儀表的布置設計中，采用了滿足安裝、操作和維修的最優化方案。系統布置在具有不銹鋼敷面的靶站水冷工藝間內。系統布置符合有關的維修、在役檢查與輻射防護的要求。混合離子交換器和機械過濾器為強放射性設備，均設置有鉛屏蔽，貼近設備表面設有γ劑量探頭，為維修人員提供準確劑量參數，以便正確制定維修方案。另外在設計中過程中我們使用了PDSOFT 配管軟件，建立了形象、直觀的三維模型，便于設計的修改和檢查以及運行人員培訓和檢修人員查閱。

6　系統運行操作

（1） 正常運行狀態

正常運行時兩個系統分別約0.7 m3/h、0.3 m3/h輕水從輕水冷卻系統換熱器出口主管分流支管引出，溫度不超過35℃，壓力約0.6 MPa，流經前過濾器去除固體狀態雜質和懸浮物，進入兩臺串聯使用的離子交換器，以去除腐蝕產物、有害雜質和裂變產物，再經樹脂捕集器濾去破碎樹脂后至輕水冷卻系統輕水波動箱，此時水質達到凈化后的水質指標，又無泄漏現象即為正常運行狀態。

系統運行時電導率作為主要控制指標，當電導率不能滿足≤2 μS/cm時即可判定離子交換器失效需進行更換。通過前過濾器和樹脂捕集器前后壓力差值可監測設備的工作狀態。系統出口裝有一臺遠傳流量計，可對系統流量進行監測。

按輕水冷卻系統水質技術條件規定，需定期檢測水質（包括事故狀態），系統在正常運行時，取樣可隨時在取樣裝置中操作，避免因取樣造成對周圍環境的污染。

（2） 預期運行狀態

1）斷電狀態

發生全裝置斷電事故時，本系統無需動作。

2）系統壓力和流量波動

考慮離子交換樹脂的允許工作流速在10～30 m/h（兩系統流量范圍分別約0.5～1.5 m3/h；0.3～1.0 m3/h），根據系統設計流量0.7 m3/h、0.3 m3/h，輕水冷卻系統流量和壓力的變化對本系統影響可忽略。

3）滲漏監測

本系統所有設備同管道相連接的法蘭均設置滲漏測點，一旦發現信號報警可通過關閉V01和V04D電動閥切斷同主系統的聯系并停機檢修。

4）本系統設備或管道發生泄漏、破裂

可在操縱臺通過關閉V01和V04D電動閥切斷同主系統的聯系，并停機檢修。

（3） 系統檢修

當系統出口電導率值達到＞2 μS/cm時即可考慮更換離子交換器。過濾器和捕集器的進出口壓差增量達到約0.15 MPa或過濾器四周劑量場大于允許劑量限制時即可考慮更換。

當過濾器、離子交換器和捕集器更換時，系統停機后通過保護氣體系統提供的氮氣將設備內的水壓入輕水貯存罐。利用閥門切斷設備同系統的連接使用叉車將需要更換的設備運到廢物貯存房間。

運行單位根據其所具有的實際工作條件對更換下的設備進行處置。過濾器可打開上部封頭對濾芯進行更換。離子交換器可打開屏蔽體整體貯存或通過水力輸送將已失效的廢樹脂排入放射性廢物貯存桶內進行存儲。

7　結論

CSNS靶站水冷凈化系統的設計，全面考慮了其功能性、安全性、流程最優化、設備合理化、儀表選型合乎要求、系統運行時的可操作性以及對操作人員和維修人員的輻射防護等因素。希望本文能夠為其他具有相似性的設計工作提供一些有益的借鑒。系統自2017年運行至今完全滿足設計要求，運行良好。

［1］ 李岱素，潘慧．填補我國脈沖中子應用領域的空白：中國散裂中子源通過國家驗收［J］．廣東科技，2019（2）：22-23．

［2］ 王芳衛，梁天驕，殷文，等．散裂中子源靶站和中子散射譜儀的概念設計［J］．核技術，2005．28（8）：593-597．

［3］ 陳鶴鳴，馬春來，等．核反應堆材料腐蝕及其防護［M］．北京：原子能出版社，1984：2-5．

［4］ 仲言．重水研究堆［M］．北京：原子能出版社，1988：452-501．

［5］ 第十設計院等．純水制備［M］．北京：國防工業出版社，1972：96-100．

［6］ 輕水試驗研究反應堆水質技術條件：EJ/T 763—1993［S］．1993．

［7］ 王兆祥，等．船舶核動力裝置原理與設計［M］．北京：國防工業出版社，1980：293-318．

Design of Cooling Water Purification System for China Spallation Neutron Source Target Station

Li Qing1，He Ning2，Liang Huihong3

（1.Reactor Engineering Technology Research Division，China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China；2. Institute of High Energy Physics Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3. Spallation Neutron Source Science Center，Dongguan of Guangdong Prov. 523803，China）

Spallation neutron sources is a scientific facility for producing high flux, pulsed neutron beams form a heavy-metal target bombarded with high energy protons from an accelerator. The China Spallation Neutron Source (CSNS) is mainly composed of accelerator, target station and neutron instruments. The water purification system, as a part of the target station cooling system, is very important for the safe operation of the CSNS. This paper introduces the scheme design of the water purification system for the target station cooling system. This paper mainly introduces the process of the system design, the determination of the important parameters of the system, the selection of the system equipment, the characteristics of the control instrument and system arrangement, and the design ideas of the operation of the system under various working conditions. In the design, there are many considerations about the maneuverability of the system in the future and the radiation protection of operators and maintenance personnel. The design of the CSNS target station water purification system takes into account factors such as functionality, safety, process optimization, equipment rationalization, instrument selection in accordance with the requirements. Since 2017, the system has fully met the design requirements and is running well. It is expected this design can provide some useful reference for other similar work.

CSNS; Target station cooling system; Water purification system; Process design of water purification

TL5

A

0258-0918（2022）02-0303-08

2021-01-05

李 清（1970—），男，北京人，高級工程師，學士，現主要從事反應堆工程技術相關研究