M310型壓水堆機(jī)組換料大修反應(yīng)堆水池水質(zhì)渾濁研究與處理

黃 成

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

M310型核電機(jī)組換料大修在裝、卸料前均需對反應(yīng)堆水池充滿含硼水，對周邊工作人員起到生物屏蔽作用。但反應(yīng)堆水池充滿水后可能因水質(zhì)渾濁導(dǎo)致裝、卸料人員無法看清反應(yīng)堆水池底部的壓力容器內(nèi)部相關(guān)部件，導(dǎo)致無法正常執(zhí)行裝、卸料工作。此時需等待反應(yīng)堆水池凈化單元對水池中水質(zhì)凈化清澈后才能執(zhí)行裝、卸料工作，使得大修主線關(guān)鍵路徑延誤，影響換料大修整體工期，造成較大經(jīng)濟(jì)損失，某核電廠就曾因反應(yīng)堆水池充滿水后水質(zhì)渾濁延誤大修關(guān)鍵路徑近16 h。

1 機(jī)組換料大修卸、裝料前反應(yīng)堆水池水質(zhì)渾濁研究分析

1.1 卸料前反應(yīng)堆水池水質(zhì)渾濁研究分析

卸料前反應(yīng)堆水池充水流程如圖1所示，反應(yīng)堆水池充水方式為利用泵將換料水箱中含硼水從反應(yīng)堆水池上部注入，此時一回路系統(tǒng)中冷卻劑(含硼水)液位約10.5 m，不會存在一回路冷卻劑倒流進(jìn)入反應(yīng)堆水池而影響反應(yīng)堆水池水質(zhì)濁度。因此，卸料前反應(yīng)堆水池充滿水后可能導(dǎo)致水質(zhì)渾濁主要因素為：

圖1 卸料前反應(yīng)堆水池充水及一回路相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行示意圖Fig.1 Schematic diagram of reactor water filling and primary circuit related system operation before discharge

1)反應(yīng)堆水池充水水源換料水箱內(nèi)水質(zhì)渾濁：機(jī)組大修前對換料水箱進(jìn)行48 h凈化，凈化結(jié)束后換料水箱內(nèi)水質(zhì)濁度約為0.02 NTU(根據(jù)歷次大修經(jīng)驗(yàn)，以濁度0.20 NTU作為反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)是否影響裝卸料判斷參考)，反應(yīng)堆水池充水水源清澈。

2)反應(yīng)堆水池內(nèi)殘留雜質(zhì)導(dǎo)致充水后水質(zhì)渾濁：機(jī)組大修卸料前反應(yīng)堆水池內(nèi)存在較多檢修工作，可能存在工作中涉及的化學(xué)品、油類等雜質(zhì)殘留，導(dǎo)致反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)渾濁。某核電廠在歷次21次換料大修中只出現(xiàn)過一次卸料前反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)影響卸料操作情況，經(jīng)調(diào)查，原因?yàn)樵诜磻?yīng)堆水池底部檢修過程中所使用的化學(xué)品殘留導(dǎo)致反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)渾濁，水質(zhì)渾濁情況如圖2所示。

圖2 某核電廠404大修因化學(xué)品殘留導(dǎo)致卸料前反應(yīng)堆水池充水后俯視圖Fig.2 Top view of the reactor pool filled with water before discharge due to chemical residues caused by 404 overhaul of a nuclear power plant

綜上，機(jī)組大修卸料前反應(yīng)堆水池充水后因水質(zhì)渾濁影響卸料工作的情況較少且導(dǎo)致水質(zhì)渾濁主要因素考慮為反應(yīng)堆水池內(nèi)檢修工作中殘留雜質(zhì)未清理干凈，只需在反應(yīng)堆水池內(nèi)的檢修工作完成后及時清理工作中所涉及的化學(xué)品、油類等雜質(zhì)，避免堆池內(nèi)大量殘留，即可有效預(yù)防卸料前反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)渾濁異常情況。

1.2 裝料前反應(yīng)堆水池水質(zhì)渾濁研究分析

某核電廠近幾次換料大修中均出現(xiàn)裝料前反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)不同程度的渾濁而存在可能影響裝料工作正常開展情況，如圖3所示。

圖3 某核電廠106大修裝料前反應(yīng)堆水池充水后俯視圖Fig.3 Top view of a nuclear power plant after the reactor pool is filled with water before 106 overhaul charging

1.2.1 反應(yīng)堆水池充水后導(dǎo)致水質(zhì)渾濁原因分析

為找出導(dǎo)致裝料前反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)頻繁出現(xiàn)渾濁的原因，對106大修裝料前反應(yīng)堆水池充滿水后水池中的水取樣并使用ICP-MS儀器進(jìn)行定性分析，得出分析結(jié)果如表1所示。

表1 某核電站106大修裝料前反應(yīng)堆水池充水后水中主要元素取樣分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從表1中可以看出，反應(yīng)堆水池中除硼外主要含有雜質(zhì)為Co、Ni、Cr、Fe、Mn等，這些雜質(zhì)主要來源為機(jī)組功率運(yùn)行期間蒸汽發(fā)生器傳熱管(Inconel 690型鎳基合金)、堆內(nèi)組件等設(shè)備表面產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物，這些腐蝕產(chǎn)物以可溶、膠體或不溶解顆粒形式存在反應(yīng)堆水池中。在光槍打開照射水池后，水中的膠體或不溶解顆粒類腐蝕產(chǎn)物會對光線通過時產(chǎn)生阻礙，最終導(dǎo)致反應(yīng)堆水池水質(zhì)目視渾濁，水池的可見度降低。

1.2.2 反應(yīng)堆水池充水后水中腐蝕產(chǎn)物來源分析

M310型壓水堆機(jī)組換料大修從開始降功率至裝料期間一回路冷卻劑以及反應(yīng)堆水池水質(zhì)控制如圖4所示。

圖4 換料大修卸、裝料前后一回路冷卻劑及反應(yīng)堆水池水質(zhì)控制流程圖Fig.4 Flow chart of water quality control of primary coolant and reactor pool before and after refuelling overhaul discharge and charging

機(jī)組正常運(yùn)行期間，腐蝕產(chǎn)物主要以鐵基鎳酸鹽的形式沉積在堆芯和一回路系統(tǒng)內(nèi)表面，形成一層疏松的腐蝕薄膜。機(jī)組大修下行一回路冷卻劑降溫至80 ℃平臺時向一回路冷卻劑中加雙氧水，將一回路冷卻劑由正常功率運(yùn)行期間的堿性還原性環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝匝趸原h(huán)境，使功率運(yùn)行期間一回路系統(tǒng)中產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物快速氧化溶解脫落、集中釋放，再利用一回路冷卻劑凈化單元對溶解脫落的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行集中凈化，從而達(dá)到降低大修輻射場劑量目的。但一回路系統(tǒng)中腐蝕產(chǎn)物在80 ℃平臺集中脫落后，在未能將已脫落的腐蝕產(chǎn)物凈化完全情況下停運(yùn)主泵，此時一回路冷卻劑僅靠兩臺余排泵進(jìn)行循環(huán)(如圖5所示)，循環(huán)流量由約70 000 m3/h大幅降低至約1 800 m3/h且存在一回路系統(tǒng)中部分環(huán)路的冷卻劑得不到有效循環(huán)流動，使得冷卻劑中殘留的腐蝕產(chǎn)物得不到有效凈化且冷卻劑中膠體或不溶解顆粒狀腐蝕產(chǎn)物一旦失去高速循環(huán)流量的攪動便會快速沉積在一回路系統(tǒng)管道、設(shè)備底部。

圖5 M310型壓水堆一回路相關(guān)系統(tǒng)布置簡圖Fig.5 Schematic diagram of related system layout in primary circuit of M310 PWR

在低低水位檢修工作結(jié)束，使用換料水箱將一回路系統(tǒng)液位由8.5 m充水至10 m過程中，會將沉積在一回路系統(tǒng)管道、設(shè)備底部的腐蝕產(chǎn)物攪起，使得一回路系統(tǒng)充水后水中混合有大量的腐蝕產(chǎn)物。而裝料前反應(yīng)堆水池充水方式為將換料水箱中水通過一回路系統(tǒng)充水管線直接注入一回路系統(tǒng)，再利用壓力容器頂部開蓋使其與反應(yīng)堆水池連通情況將一回路系統(tǒng)中水注入反應(yīng)堆水池，如此便將腐蝕產(chǎn)物帶入反應(yīng)堆水池，最終導(dǎo)致反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)渾濁，如圖6所示。

圖6 裝料前一回路系統(tǒng)及反應(yīng)堆水池充水流程示意圖Fig.6 Schematic diagram of primary circuit system and water filling process of reactor pool before loading

為驗(yàn)證以上分析，對某核電廠305大修期間卸、裝料前后一回路系統(tǒng)及反應(yīng)堆水池水質(zhì)進(jìn)行跟蹤分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 某核電廠305大修期間卸、裝料前后一回路系統(tǒng)及反應(yīng)堆水池水質(zhì)分析趨勢圖Fig.7 Water quality analysis trend diagram of primary circuit system and reactor pool before and after unloading and loading during 305 overhaul of a nuclear power plant

圖8 優(yōu)化后換料大修裝、卸料前后一回路冷卻劑及反應(yīng)堆水池水質(zhì)控制流程圖Fig.8 Flow chart of water quality control of primary coolant and reactor pool before and after refuelling overhaul discharge and loading

從圖7中可以看出，實(shí)際大修期間卸、裝料前后一回路冷卻劑及反應(yīng)堆水池水質(zhì)濁度變化趨勢與理論分析一致，因80 ℃集中氧化凈化平臺凈化時間較短(從雙氧水注入一回路系統(tǒng)至主泵停運(yùn)共8 h，調(diào)研同行電廠最少約14 h)，主泵停運(yùn)時一回路冷卻劑濁度達(dá)1.13 NTU(調(diào)研同行電廠平均約0.2 NTU)，一回路冷卻劑中存在大量腐蝕產(chǎn)物還未能得到有效凈化情況下停運(yùn)主泵，致使腐蝕產(chǎn)物沉積在一回路系統(tǒng)管道、設(shè)備底部。低低水位檢修結(jié)束一回路充水時將沉積的腐蝕產(chǎn)物攪起導(dǎo)致一回路冷卻劑充水后濁度達(dá)0.79 NTU，反應(yīng)堆水池充水至19.5 m后濁度達(dá)0.34 NTU。

其次，一回路冷卻劑中Co、Ni、Mn等腐蝕產(chǎn)物計(jì)數(shù)率變化趨勢與冷卻劑濁度變化趨勢一致，一回路冷卻劑中腐蝕產(chǎn)物與濁度之間呈正相關(guān)性，進(jìn)一步說明一回路冷卻劑和反應(yīng)堆水池水質(zhì)渾濁與腐蝕產(chǎn)物之間呈必然關(guān)系。

2 機(jī)組換料大修卸、裝料前反應(yīng)堆水池水質(zhì)渾濁改進(jìn)策略

針對因反應(yīng)堆水池檢修工作中雜質(zhì)殘留、80 ℃集中氧化凈化平臺凈化時間不足等因素可能導(dǎo)致機(jī)組大修卸、裝料前反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)渾濁情況，結(jié)合機(jī)組大修整體工期及機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行工況綜合考慮，分別從水質(zhì)前端控制和機(jī)組運(yùn)行方式優(yōu)化兩方面對反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)渾濁情況進(jìn)行預(yù)防。

2.1 水質(zhì)前端控制

1)機(jī)組換料大修前對換料水箱進(jìn)行48 h凈化后，對換料水箱取樣分析濁度(期望值要求<0.1 NTU)。若換料水箱水質(zhì)濁度不滿足期望值，則建議繼續(xù)凈化直至滿足期望值，確保卸料前反應(yīng)堆水池充水水源清澈。

2)機(jī)組大修下行80 ℃集中氧化凈化平臺期間，對一回路冷卻劑取樣分析濁度(期望值<0.2 NTU)。若濁度不滿足期望值，則建議繼續(xù)保持主泵啟動對一回路冷卻劑進(jìn)行循環(huán)凈化直至濁度滿足期望值后停運(yùn)主泵。

3)裝、卸料前反應(yīng)堆水池充水前，對反應(yīng)堆水池底部進(jìn)行檢查確認(rèn)是否殘留有化學(xué)品、油脂等雜質(zhì)。如有，則需聯(lián)系清潔人員清理干凈，避免殘留的化學(xué)品、油脂等雜質(zhì)導(dǎo)致反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)渾濁。

2.2 機(jī)組運(yùn)行方式優(yōu)化

1)裝、卸料前反應(yīng)堆水池充水前，將相關(guān)凈化單元做好在線準(zhǔn)備工作，待滿足凈化單元投運(yùn)條件后第一時間投運(yùn)，對水質(zhì)進(jìn)行凈化。

2)裝料前反應(yīng)堆水池充水過程中，待反應(yīng)堆水池充水至水位超反應(yīng)堆水池凈化單元泵吸入口后(如圖6所示)，即投運(yùn)反應(yīng)堆水池凈化單元，開始對水池進(jìn)行同步充水和凈化，較大程度提高反應(yīng)堆水池凈化單元凈化效果，以及充分利用充水時間同步實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化，額外增加凈化時間，進(jìn)一步降低反應(yīng)堆水池水質(zhì)濁度。

針對以上預(yù)防反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)渾濁可行性優(yōu)化方案，結(jié)合某核電廠206大修實(shí)際驗(yàn)證，結(jié)果如圖9所示。

圖9 某核電廠206大修期間卸、裝料前后一回路系統(tǒng)及反應(yīng)堆水池水質(zhì)分析趨勢圖Fig.9 Water quality analysis trend diagram of primary circuit system and reactor pool before and after unloading and loading during the 206 overhaul of a nuclear power plant

在80 ℃集中氧化凈化平臺一回路冷卻劑濁度峰值達(dá)7.19 NTU情況下，因氧化凈化時間由8 h延長至12 h，使主泵停運(yùn)時一回路冷卻劑濁度凈化至1.56 NTU(305大修氧化凈化時間為8 h，一回路冷卻劑濁度由峰值1.62 NTU凈化至主泵停運(yùn)時1.13 NTU)。低低水位檢修結(jié)束一回路充水后，一回路冷卻劑濁度為1.98 NTU；因裝料前反應(yīng)堆水池凈化單元投運(yùn)時機(jī)由反應(yīng)堆水池水位19.5 m提前至約11 m，使得反應(yīng)堆水池水質(zhì)濁度由凈化單元剛啟動時的0.66 NTU降低至反應(yīng)堆水池液位19.5 m時的0.30 NTU(305大修低低水位檢修結(jié)束一回路充水后一回路冷卻劑濁度0.79 NTU，反應(yīng)堆水池充水至19.5 m后濁度0.34 NTU)，充分利用充水時間同步實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化，凈化效果明顯。

3 結(jié)論

本文根據(jù)M310型壓水堆機(jī)組在換料大修前準(zhǔn)備、大修下行及低低水位檢修結(jié)束上行至裝料整個過程中，一回路冷卻劑及反應(yīng)堆水池水質(zhì)變化情況進(jìn)行分析，最終考慮導(dǎo)致反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)渾濁的主要因素為堆池內(nèi)檢修工作中化學(xué)品或油類等雜質(zhì)殘留、水中存在大量膠體或不溶解顆粒狀腐蝕產(chǎn)物；并結(jié)合機(jī)組大修整體工期及機(jī)組大修期間各系統(tǒng)運(yùn)行工況綜合考慮，針對以上因素分別制定相應(yīng)的改進(jìn)策略。經(jīng)實(shí)際實(shí)施驗(yàn)證后效果顯著，能夠有效改善反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)渾濁度，從而避免因反應(yīng)堆水池充水后水質(zhì)渾濁影響裝、卸料主線工作的正常開展而影響大修工期所帶來的較大經(jīng)濟(jì)損失。