VVER 機組大修輻射源項控制體系研究和實踐

謝衛平，趙喜寰，丁長龍，邸明樂，陳全利

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000）

核電廠現場的輻射源項主要包括中子、裂變產物和腐蝕活化產物。在核電廠正常運行情況下，中子與裂變產物對職業照射的貢獻較小。反應堆運行過程中，一回路材料中的鐵、鎳、鈷等通過腐蝕、磨損等方式進入一回路冷卻劑中形成腐蝕產物，腐蝕產物以“溶解-沉積”的動態平衡方式存在于一回路系統設備及冷卻劑中。腐蝕產物隨冷卻劑進入堆芯被活化，這些腐蝕活化產物在堆芯以外的設備內表面沉積導致設備周圍的輻射場升高。換料大修是核電廠最重要的生產活動之一，大修產生的集體劑量一般占年度集體劑量的80%～90%[1]。根據職業照射監測和國內外核電廠運行情況分析，壓水堆核電廠職業照射的80%來源于系統中的腐蝕活化產物[2,3]。

VVER 反應堆是國際上在運和在建的主要壓水堆堆型之一。張曄、王海平對VVER 機組的源項設計、化學控制進行了研究[4,5]，但均沒有對VVER 機組大修輻射源項控制體系開展研究。在機組停堆過程中，隨著一回路冷卻劑中水化學環境的改變，腐蝕活化產物的形態也隨之發生變化，如何建立與機組類型相適應的標準化源項控制體系是核電廠開展集體劑量控制的關鍵。本文開展了VVER 機組大修輻射源項控制措施的研究，并對實施效果進行了評價，最后提出符合VVER 機組輻射源項的控制體系。

1 大修輻射源項控制實施階段及特點

根據機組狀態和一回路水化學環境，將VVER 機組大修輻射源項控制劃分為3 個階段。各階段實施時間和采取的主要控制措施如表1 所示。

表1 VVER 機組大修輻射源項控制階段及特點Table 1 Control stages and characteristics of radiation source terms for VVER overhaul

使用濾膜對一回路樣品進行過濾，通過測量一回路冷卻劑取樣樣品、濾膜、濾液的放射性核素含量，確定不同機組狀態下一回路腐蝕活化產物的形態。VVER 機組主要腐蝕活化產物在不同機組狀態下的形態如表2 所示。

表2 VVER 機組主要腐蝕活化產物形態Table 2 The morphology of VVER main corrosion activation products

VVER 機組的輻射源項主要通過凈化系統的樹脂床進行去除，放射性核素的形態直接影響樹脂床的去除效果。因此，在制定輻射源項控制措施時需要考慮放射性核素的形態，以提高輻射源項的去除效果。

2 VVER 機組輻射源項控制體系

根據VVER 機組系統設計的特點和輻射源項特點，制定了在機組不同時間窗口下的大修全過程輻射源項控制體系（見圖1）。

圖1 VVER 機組輻射源項控制體系框圖Fig.1 The block diagram of the control system of radiation source terms of VVER

3 輻射源項控制措施及效果評價

3.1 停機前輻射源項控制措施及效果評價

水化學條件主要影響腐蝕活化產物的形態、溶解度等，在機組停機前主要通過調節一回路水化學條件來控制輻射源項。

3.1.1 pH 調節及控制

一回路冷卻劑 pHt會影響腐蝕活化產物從設備表面到燃料組件，以及從燃料組件到堆芯以外區域的遷移和釋放過程。最佳 pHt主要通過一回路的溫度、硼酸與堿性金屬離子總濃度之比進行確定，使反應堆一回路設備內表面沉積的腐蝕活化產物（60Co 和58Co）最少，通常最佳pHt處于7.0～7.2[6]。

3.1.2 溶氫控制

一回路加氫是為了限制水的輻照分解，減少對系統設備材料的腐蝕，進而降低腐蝕產物被活化的數量。低濃度的溶氫會增加NiO 和其他含鎳氧化物的穩態含量，減少了Ni在堆芯區域的沉積，進而降低了58Co 的產生量。除此之外，低溶氫還可以減少腐蝕產物向堆芯區域的轉移，降低腐蝕產物在堆芯被活化的概率，從而減少一回路的輻射源項。

根據機組運行實踐，在燃料循環壽期末前3個月開始將一回路溶氫控制在2.2 mg/L 內，一回路總γ 體積活度與溶氫呈同步變化趨勢，整體上隨溶氫濃度的降低而減少。VVER 機組壽期末溶氫和一回路總γ 體積活度趨勢如圖2 所示。

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圖2 VVER 機組壽期末溶氫和一回路總γ 體積活度趨勢圖Fig.2 The trend of dissolved hydrogen and total γ volume activity of the primary circuit at the end of the life cycle of VVER

3.1.3 一回路貯存水箱介質凈化

大修開始前，對一回路冷卻劑貯存水箱、乏燃料水池存儲的介質通過系統進行凈化，從而可以降低一回路升液位、主回路與乏燃料水池聯通時的放射性。根據歷次大修的實踐經驗，對一回路冷卻劑貯存水箱、乏燃料水池的介質凈化效率可以達到90%以上。凈化前后對比如表3所示。

表3 一回路冷卻劑貯存水箱、乏燃料水池的介質凈化效果Table 3 The media purification effect of primary circuit coolant storage tank and the spent fuel pool

3.2 停機階段輻射源項控制措施及效果評價

在機組停機過程中一回路主要腐蝕活化產物的形態發生變化，通過凈化系統可以更加高效地去除放射性產物。在主泵停運一回路介質失去動力后，仍可以通過外接動力沖洗設備或者局部系統運行實現對相關系統設備的沖洗和凈化。

3.2.1 停機過程中KBE 系統連續凈化一回路介質

從機組降功率開始，投運1 個KBE 系列過濾器并以最大流量（36 t/h）凈化一回路介質。當機組進入最小可監測功率水平的注硼階段，投運另1 個KBE 系列過濾器，并保持2 個KBE系列過濾器（一臺陽床+一臺混床）以最大的流量（約43 t/h）聯合凈化一回路介質，并盡可能延長凈化時間，以提高對一回路放射性的凈化效果。根據運行實踐，KBE 系統在該階段對離子態54Mn、59Fe、58Co、60Co 的凈化效率可達到 100%，但對以膠體形式存在的122Sb、124Sb、110mAg 的凈化效率僅有30%左右。KBE凈化流程如圖3 所示、凈化效果如圖4 所示。在KBE 連續凈化期間，一回路的總γ 放射性水平持續下降。KBE 的凈化時長主要受制于主泵的停運時間，并與機組的大修關鍵路徑密切相關。

圖3 KBE 凈化流程簡圖Fig.3 The sketch of the KBE purification process

圖4 KBE 過濾器凈化期間一回路總γ 趨勢圖Fig.4 The trend of total γ in the priary circuit during the purification period of the KBE filter

3.2.2 KBB 聯合大流量凈化

圖5 KBB 聯合大流量凈化流程簡圖Fig.5 The sketch of the KBB combined high flow purification process

圖6 KBB10AT001 投運前后放射性對比圖Fig.6 The comparison of radioactivity of KBB10AT001 before and after commissioning

3.2.3 一回路液位升降過程的輻射源項控制

在主泵停運、KBA 系統隔離后，一回路無法通過KBE、KBB 系統進行凈化。此時，對一回路進行升降液位的操作，只能通過燃料水池和含硼水貯罐水凈化系統（FAL）的樹脂床對乏燃料水池和一回路貯存水箱內的介質進行循環凈化。

在一回路升液位時采用放射性水平低的含硼水貯存系統（JNK）的水箱進行補水，在降液位時使用同1 個JNK 水箱接收來自一回路的冷卻劑并通過FAL 系統樹脂床進行凈化，以確保JNK 水箱內的介質始終處于較低的放射性水平。在壓力容器與乏燃料水池聯通期間，通過FAL 系統樹脂床持續進行凈化。通過FAL 系統樹脂床對乏燃料水池和JNK 水箱進行持續凈化，凈化效果分別可以達到35%～80%、95%左右。兩者凈化效果的差異主要與冷卻劑容量、凈化時間有關。

3.2.4 通過系統介質對系統設備進行沖洗和凈化

通過啟動系統相關水泵為介質提供動力，并利用系統內的介質實現對高放系統、設備進行沖洗和凈化，同時將系統的樹脂床帶入沖洗回路去除放射性。VVER 機組利用該原理對KBA 系統、余熱排出系統進行沖洗和凈化，沖洗和凈化效果如表4 所示。

表4 KBA 系統、JNA 系統沖洗和凈化效果Table 4 Flushing and purification effect of the KBA system and the JNA system

由于KBA 系統設備管線多、流程長，在沖洗過程中放射性核素的遷移存在較大的不確定性，可能導致部分設備管線輻射水平上升。這時需要充分利用KBE 樹脂床對系統內的放射性核素進行去除，應按次序先后對KBA40管線和KBA10 管線進行沖洗，實現對輻射源項的有效去除。當余熱排出系統使用結束后，利用凈化后的JNK10/40BB001 介質對含硼水貯存系統-安全殼噴淋系統-安注系統-含硼水儲存系統（JNK-JMN-JNG-JNK）進行循環沖洗，并使用FAL 樹脂床對JNK10/40BB001 介質進行凈化。

3.2.5 通過外接動力沖洗設備對系統設備進行沖洗

根據大修降級測量和輻射水平普查結果，應在機組狀態達到允許外接動力沖洗設備時，立即對主要作業區域和人員通道附近的放射性熱點組織進行沖洗。此外，當需要進入高劑量率放射性介質儲罐、閥門抽芯后劑量率水平較高的閥腔進行作業時，應在作業前使用外接動力沖洗設備進行沖洗。

VVER 機組成功實施了對JNK 水箱檢修作業前的沖洗，實施后整項作業集體劑量降低90%以上。王志兵等[7]對JNK 水箱檢修集體劑量控制措施進行了研究。VVER 機組典型系統設備通過外接動力設備沖洗效果如表5 所示。通過外接動力沖洗設備是在系統隔離檢修后進行作業時的源項控制的主要手段。

表5 VVER 機組典型系統設備通過外接動力設備沖洗效果Table 5 The flushing effect of the typical system equipment of VVER through the external power equipment

3.3 啟機階段輻射源項控制措施及效果評價

由表2 可知，在維修冷停堆和換料冷停堆期間，一回路處于酸性氧化環境，相應的腐蝕活化產物基本上都以離子態的形式存在，通過系統樹脂床對放射性的去除效果最好。當一回路相關設備回裝完成后，應提前建立上充下泄并以大流量投運KBE 系統，以實現對一回路冷卻劑的有效凈化。

4 結論

從實踐可以看出，VVER 機組建立的大修輻射源項控制體系可以有效的降低一回路、檢修系統設備的放射性，并對降低電站人員的受照劑量有重要的意義。本文中提出的源項控制方式也可以供其他反應堆機組參考。當然，VVER 機組實施的源項控制體系仍存在可以繼續優化和改進的方面，具體有：

（1）VVER 機組在停機過程中使用KBE 樹脂床可以有效地降低一回路放射性水平，但過長的凈化時間會影響大修工期。后續將根據實際情況制定一回路放射性凈化的限值以進一步規范凈化時間。

（2）與CPR1000/M310 等其他壓水堆型相比，VVER 機組在停堆前未實施氧化運行，這將導致一回路沉積的腐蝕活化產物釋放緩慢。大多數腐蝕活化產物核素呈現不溶形態，盡管KBE 樹脂床在投運期間的去除效率高但其總去除量有限。將來可以考慮進行VVER 機組氧化運行的可行性研究。

（3）隨著輻射源項控制技術研究的發展，VVER 機組可考慮通過注鋅、燃料超聲波去污等新技術進一步完善輻射源項控制方法和體系。