非能動安全殼熱量導出系統換熱水箱水質研究

馬惠昀，李麗娟，于沛，郭澤華

1. 中國核電工程有限公司，北京 100840

2. 哈爾濱工程大學 核科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001

3. 黑龍江省核動力裝置性能與設備重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

“華龍一號”非能動安全殼熱量導出系統（passive containment heat removal system，PCS）[1-4]和二次側非能動余熱排除系統（passive residual heat removal system，PRS）共用一個換熱水箱。由于PCS 和PRS 都是用于應對超設計基準事故的措施，換熱水箱在系統備用期間基本處于靜置狀態。長期靜置會導致水箱中出現微生物滋生、空氣中鹽分溶解[5]和水蒸發現象，從而使得水箱中水的鈉離子、氯離子、氟離子和硫酸鹽等雜質含量逐漸增加，造成換熱水箱中設備和管道結垢腐蝕[6]，進而致使設備換熱能力下降或設備損壞，最終導致PCS 和PRS 失效。

由于長期靜置換熱水箱的水質管理在核電廠及類似工業生產過程中的應用屬于創新性的工藝[7-8]，國內外核電同行相關的研究及實驗報告較少，對長期靜置換熱水箱的水質[9-11]變化狀況和管理措施的研究成為長期靜置換熱水箱工藝設計迫切需要解決的問題。

1 研究方法

為了研究PCS 水箱長期靜置后的水質變化狀況，并提供有效的水質管理措施，根據“華龍一號”PCS 水箱設計了水箱實驗體，開展長期靜置水質研究及水質管理研究實驗。通過定期取樣分析水中的離子含量、電導率以及pH 值等參數，確定水質管理措施。

1.1 研究裝置

如圖1 所示，水箱實驗體上設有U 形管，U 形管的尺寸采用與工程設計相同的設計參數，即U 形管位于外部的豎直部分，采用直徑600 mm的不銹鋼管，其上覆蓋防風防雨蓋板。水箱本體和U 形管之間用直徑60 mm 的不銹鋼管連通，不銹鋼接管連接處設置孔板（孔板上設置3 個3 mm直徑的小孔），模擬工程上U 型水封與水箱本體的連通，這樣的設置保證U 形管與空氣的接觸，接觸面積與工程設計近似。以上設置都盡可能地模擬和體現外部環境對水質的影響。

圖1 實驗水箱結構示意

U 形管及其上覆蓋防風防雨蓋，外部覆蓋并包裹細絲密網，以減少飛蟲、樹葉、爬蟲進入等外部環境對水體的影響。立方體水箱上部操作口設置硅膠密封，以保證立方體水箱模擬工程設計的近似度。

1.2 研究內容

2 臺水箱實驗體放置于“華龍一號”核電站附近，以保證與“華龍一號”PCS 水箱外部環境一致。2 臺水箱實驗體首次充水后進行定期取樣，2#水箱不加藥，用于長期靜置水質研究，同時作為1#加藥水箱的對照組；1#水箱進行加藥（H2O2）實驗，維持水箱內H2O2質量分數在50±20×10-6，用于水質管理研究。

2 PCS 水箱長期靜置水質研究

對2#水箱U 型管和水箱本體中水進行定期取樣檢測，并對檢測結果進行具體分析。

2.1 2#實驗水箱水中部分離子質量分數變化趨勢分析

實驗檢測了2#實驗水箱U 型管水中及水箱本體水中的鈉、氯、氟、硫酸根離子的質量分數，變化趨勢如圖2 所示。

圖2 2#實驗水箱水中部分離子質量分數變化情況

從圖2 可以看出，水箱U 型管中水的鈉、氯、氟、硫酸根離子質量分數與水箱本體中水的各離子質量分數初期近似，隨著靜置時間的增加，U 型管中水的離子質量分數逐漸高于水箱本體水中的。這是由于水箱U 型管與大氣連通，且沿海地區空氣中鈉、氯、氟、硫化物含量較高，導致水箱U 型管中水的鈉、氯、氟、硫酸根離子質量分數隨時間分別提升965%、624%、80%、1 325%。

水箱本體中水的各離子質量分數均遠遠小于水箱U 型管，鈉、氯、氟、硫酸根離子質量分數分別提升121%、64%、12%、202%。這是由于水箱U 型管水中的各離子質量分數增加后從孔板中擴散至水箱本體水中，導致水箱本體水中硫酸鹽質量分數略有增加。說明U 型管與水箱本體之間的孔板起到了良好的隔離作用，降低了空氣中離子對水箱內水質的影響。

2.2 2#實驗水箱中水的電導率變化趨勢分析

電導率是用來描述物質中電荷流動難易程度的參數，可以反映出水中離子總質量分數的變化。圖3 為實驗水箱U 型管和水箱本體中水的電導率變化趨勢。

圖3 2#實驗水箱中水的電導率變化情況

從圖3 中可以看出水箱U 型管中水的電導率與水箱本體中水的電導率初期近似，隨著靜置時間的增加，U 型管中水的電導率逐漸高于水箱本體，這與水箱中離子質量分數變化趨勢一致。同樣說明U 型管內離子質量分數高于水箱本體的離子質量分數，也能表明U 型管與水箱之間的孔板起到了良好的隔離作用。

2.3 2#實驗水箱中水的pH 值變化趨勢分析

pH 值表示的是水溶液的酸堿性強弱程度，pH 值過低可能會導致設備腐蝕，同時pH 值也可以側面反映空氣中雜質（硫化物、氮氧化物、CO2）對水質的影響。圖4 為25 ℃時實驗水箱U 型管和水箱本體中水的pH 值變化趨勢。

圖4 2#實驗水箱中水的pH 值變化情況

從圖4 中可以看出，實驗水箱U 型管和水箱本體中水的pH 值整體變化不大且pH 值近似。說明海邊空氣含鹽量雖高，但基本不會影響靜置水箱中水的pH 值。

2.4 2#實驗水箱中水濁度變化趨勢分析

濁度是指溶液對光線通過時所產生的阻礙程度，體現了溶液的渾濁程度，濁度單位為NTU，表明儀器在與入射光成90°角的方向上測量到的散射光強度。圖5 為實驗水箱U 型管和水箱本體中水的濁度變化趨勢。從圖5 中可以看出，水箱U 型管中水的濁度與水箱本體水中的初期近似，隨著靜置時間的增加，U 型管中水的濁度略高于水箱本體，但總體來看濁度的數值變化不大。這是由于U 形管及其上覆蓋的防風防雨蓋和外部包裹的細絲密網阻擋了大部分外界的塵土和雜物，保證了水箱內的水質。而水箱U 型管中水的濁度大于水箱本體中水的濁度表明了U 型管與水箱之間的孔板起到了良好的隔離作用。

圖5 2#實驗水箱中水的濁度變化情況

3 PCS 水箱水質管理研究

對1#水箱U 型管和水箱本體進行定期取樣檢測，并與2#水箱水質進行對比。

3.1 PCS 水箱水中部分離子質量分數變化趨勢分析

實驗分別檢測了2 個實驗水箱U 型管和水箱本體中水的鈉、氯、氟、硫酸根離子的質量分數。

從圖6 中可以看出2 個實驗水箱U 型管中水的鈉、氯、氟、硫酸根離子質量分數與水箱本體中水的離子質量分數初期近似，隨著靜置時間的增加，離子質量分數增加幅度為：2#水箱U 型管＞1#水箱U 型管＞1#水箱本體＞2#水箱本體。這是由于U 型管與大氣連通，空氣中的離子溶于水中導致U 型管水中離子質量分數較高。

圖6 2 個實驗水箱水中部分離子質量分數變化情況

水箱本體水中離子質量分數低于U 型管，說明U 型管與水箱本體之間的孔板起到了良好的隔離作用，降低了空氣中離子對水箱本體水質的影響。

1#水箱U 型管中水的鈉、氯、氟、硫酸根離子質量分數增加幅度小于2#水箱U 型管，分別為229%、134%、31%和900%，說明加藥后可以抑制U 型管內水中離子質量分數的增加，加藥效果顯著。而1#水箱本體中水的離子質量分數增加幅度大于2#水箱本體，分別為176%、82%、25%和641%，是由于1#水箱加藥時需開啟1#水箱本體加藥口，1#水箱本體與空氣接觸，從而導致1#水箱本體水中的離子質量分數增加。

3.2 PCS 水箱中水的電導率變化趨勢分析

圖7為2 個實驗水箱的U 型管和水箱本體中水的電導率變化趨勢。

圖7 2 個實驗水箱中水的電導率變化情況

從圖7 中可以看出電導率變化趨勢與離子質量分數的變化趨勢近似。同樣說明U 型管與水箱之間的孔板起到了良好的隔離作用，也能表明加藥可以抑制離子含量的增加。

3.3 PCS 水箱中水的pH 值變化趨勢分析

圖8為25 ℃時2 個實驗水箱U 型管和水箱本體中水的pH 值變化趨勢。從圖8 中可以看出，2 個水箱U 型管和水箱本體中水的pH 值數據整體變化不大，2#水箱U 型管及水箱本體中水的pH 值略高于1#水箱U 型管，1#水箱本體pH 值最低。這是由于H2O2為弱酸，加入1#水箱后導致1#水箱本體中水的pH 值降低，而1#水箱U 型管與水箱之間孔板的隔離作用導致了1#水箱U 型管中水的pH 值略高于1#水箱本體。

圖8 2 個實驗水箱中水的pH 值變化情況

3.4 PCS 水箱中水的濁度變化趨勢分析

圖9為2 個實驗水箱U 型管和水箱本體中水的濁度變化趨勢。從圖9 中可以看出濁度大小順序為：2#水箱U 型管＞1#水箱U 型管＞1#水箱本體＞2#水箱本體，且水箱U 型管中水的濁度隨時間增加而增加，而水箱本體內水的濁度略有增加但變化不大。這是由于U 型管與大氣連通，導致空氣中顆粒物和雜質進入U 型管內，但總體來說濁度的數值變化不大，這是由于U 形管及其上覆蓋的防風防雨帽和外部包裹的細絲密網阻擋了大部分外界的塵土和雜物，保證了水箱內的水質。而水箱U 型管水的濁度大于水箱本體水的濁度表明了U 型管與水箱之間的孔板起到了良好的隔離作用。

圖9 2 個實驗水箱中水的濁度變化情況

4 結論

PCS 水箱長期靜置后會受到空氣中離子的影響，未加藥的水箱U 型管內水的鈉、氯、氟、硫酸根離子質量分數隨時間分別提升965%、624%、80%、1 325%，未加藥水箱本體內水中硫酸鹽的質量分數均遠遠小于水箱U 型管，鈉、氯、氟、硫酸根離子質量分數分別提升121%、64%、12%、202%；而加藥后的水箱U 型管中水的鈉、氯、氟、硫酸根離子質量分數增加幅度小于未加藥水箱U 型管，分別為229%、134%、31%和900%，說明加藥可以抑制U 型管內水中離子質量分數的增加，效果顯著。水箱設置的U 型管水封（孔板）能起到良好的隔離作用，降低空氣中離子對水箱內水質的影響，保證了水箱本體的水質。通過添加雙氧水，能有效抑制水箱中鈉、氯和硫酸根離子含量的增加。

本文針對“華龍一號”PCS 換熱水箱的水質變化過程開展模擬實驗研究，得到了PCS 水箱長期靜置后的水質變化參數，并提供有效的水質管理措施，對國內外核電站中長期靜置水箱的運行管理提供了理論支持。