REA水箱氧含量升高原因分析

□王 勇 曹紅梅 謝征宇

一、REA系統(tǒng)概述

(一)功能。反應(yīng)堆硼和水補給系統(tǒng)是重要的核輔助系統(tǒng)之一，它的設(shè)計和配置是保證化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(RCV)完成反應(yīng)堆反應(yīng)性控制、化學(xué)控制和容積控制的功能，在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCP)的小泄漏或管道的小破口事件中為其提供所需的含硼水，以保證燃料元件的運行條件在允許的范圍內(nèi)，以及在所有預(yù)計運行事件中反應(yīng)堆處于安全停堆并維持反應(yīng)堆次臨界狀態(tài)。

(二)系統(tǒng)組成。REA系統(tǒng)按照功能可分為四個回路，即補水回路、硼補充回路、硼酸配制回路及化學(xué)添加劑配制回路。其主要設(shè)備有供兩個機組共用兩個除鹽除氧水貯存箱(9REA001/002BA)、每個機組兩臺除鹽除鹽除氧水輸送泵(1-2REA001/002PO)、每個機組分別使用的一個硼酸溶液貯存液和兩機組共用的一個硼酸溶液貯存液、兩個機組共用一個硼酸溶液配置箱、每個機組兩臺硼酸溶液輸送泵。

二、氧氣對核電廠運行安全的影響分析

正常運行期間，核電廠一回路處于高溫高壓狀態(tài)下，一回路中溶解的氧氣超出其規(guī)定值時，會加劇一回路材料的氧化腐蝕，而產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物經(jīng)過反應(yīng)堆堆芯經(jīng)堆芯輻照后會形成活化的腐蝕產(chǎn)物，活化的腐蝕產(chǎn)物在高溫高壓的反應(yīng)堆冷卻劑中溶解、沉淀、運動，增加了反應(yīng)堆放射性，也增加了反應(yīng)堆停堆換料期間人員整體劑量。

核電廠主回路承壓邊界上的主要材料有不銹鋼、鋯合金、鎳基合金以及碳鋼等。根據(jù)相關(guān)研究顯示，在高溫水環(huán)境中，鎳基合金產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的時間隨著水中溶解氧的含量增加而急劇縮短。反應(yīng)堆冷卻劑正常運行溫度下(約290℃)，不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂所需的氯離子濃度也是急劇下降的，特別是在冷卻劑中溶解氧低于1ppm時，氯離子含量即便是很小，不銹鋼也會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。由此可以看出，冷卻劑中的溶解氧是核電廠主回路承壓邊界上的主要材料應(yīng)力腐蝕開裂的敏感物質(zhì)。因此，控制反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的溶解氧含量是至關(guān)重要的。

三、除鹽除氧水貯存箱氧含量升高原因分析及解決方法

(一)除鹽除氧水貯存箱工作原理。9REA001/002BA是一個帶浮頂?shù)乃?，隨著水位的升降，浮頂也跟著升降，浮頂與箱體通過膠囊連接，膠囊外部充有背壓水，以保證膠囊能自由的升降。在浮頂上還有一個連通大氣的彎管，也就是平常所說的鵝頭管，鵝頭管的作用是防止水箱內(nèi)部產(chǎn)生真空，其下部浸沒水中15cm。

(二)氧含量升高原因分析及解決方法。某核電廠在每次對9REA001/002BA進行充水操作后，水箱水氧含量均高于原來水箱水或補給水氧含量中高值，以下對水箱水氧含量高的原因進行簡單分析。9REA001/002BA在沒有充水的情況下，整個水箱內(nèi)部的溫度是與外面的環(huán)境溫度一致的，約25℃且內(nèi)部不存在溫差，水箱里的水只有水分子在進行擴散運動。由于鵝頭管與大氣相通的，在其接觸面周圍空氣會溶解進入水中，隨著時間的增加以及擴散運動的進行，空氣通過鵝頭管進入水中溶解得越來越多，水箱上部的水中氧含量高于水箱下部，如時間無限長，在分子擴散運動的作用下，整個水箱里的水氧含量一致。

正常補水工況下，9REA001/002BA補水流量為60m3/h，補水管公稱直徑d0=114.3mm，管內(nèi)徑近似為d=100mm，經(jīng)計算可得除鹽除氧水的流速約為2.123m/s，35℃水的動力粘度約為0.73×10-3pa.s,代入雷諾數(shù)計算公式可知補水管中的雷諾數(shù)約為3.32×105，大于2,000，因此補水管中水流為紊流。

由于上述計算中未考慮實際因素對射流的影響，即假設(shè)射流空間無限大、流體的溫度和密度相同，下面分別考慮假設(shè)的影響。罐底對射流的影響，自由射流一般都是紊流。由于射流是紊流流動，流動不但沿圓管軸線方向運動，而且還發(fā)生劇烈的橫向運動，所以射流與靜止的流體不斷地相互參混，進行質(zhì)量和動量交換，從而帶動周圍原來靜止的流體一起向前運動。離噴口愈遠，被射流帶動的質(zhì)量愈多，射流呈喇叭形的擴散狀。而射流的下部由于流體空間比較小，帶動周圍靜止流體會受到限制，從而使射流下部擴散不充分，使射流下線向上傾斜。由于進入水罐的水是35℃，一般比水箱原來的水溫高，所以密度也比原來的水小。所以，水進入罐子時會受到浮力，并向上運動。綜上考慮，取樣點應(yīng)該在射流區(qū)外，即取樣點取到的是水罐原來的水的氧含量。

綜上所述，當(dāng)給9REA001/002BA補水時，除氧水從離開管口到取樣點之前橫向動能損失殆盡，無法充分攪拌水箱底部，由于補水比原來水箱的溫度要高(補水溫度35～38℃左右)，所以密度也就比原來水箱的水小，補水進入水箱后在浮力的作用下往上運動，形成對流，迫使上部相對較高氧含量的水往下運動到達水箱底部。結(jié)合平時給水箱補水，一般是8m左右開始，當(dāng)補水到了11.3m時，水箱上部原來相對較高氧含量的水從8m往下運動了6.6m左右，接近水箱的底部。水箱正常的取樣回路直接從水箱底部引出。這樣取樣回路取的是原來在水箱上部的、高氧含量的水。這就導(dǎo)致每次補水后氧含量增高的現(xiàn)象。

基于以上的分析，補水后，如果水箱在線打循環(huán)，通過攪拌，取樣分析氧含量應(yīng)該會降下來，為了驗證以上結(jié)論是否正確，某電廠按規(guī)程在線給某一除鹽除氧水貯存箱打循環(huán)，氧含量將至化學(xué)規(guī)范值以下。且在水箱初次充入除鹽除氧水前應(yīng)對其進行充分排氣，防止水箱中水復(fù)氧。