壓水堆停堆過程中氧化運(yùn)行的研究

盧葉艇，游兆金,沈亞芳,田民順

(中核運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

在燃料元件包殼未破損的情況下，來自蒸汽發(fā)生器傳熱管、堆內(nèi)組件等設(shè)備表面的腐蝕或磨損產(chǎn)物對(duì)堆外輻射場(chǎng)的貢獻(xiàn)率超過了90%。這部分物質(zhì)(Co、Ni 和Ag 等)流經(jīng)堆芯時(shí)被活化成為60Co、58Co 和110mAg 等，沉積在堆芯和堆外設(shè)備表面，形成輻射場(chǎng)。

在停堆過程中,主冷卻劑經(jīng)過凈化和除氣,降低了溶解于其中的放射性物質(zhì)的濃度,并基本清除了可能存在的裂變產(chǎn)物(主要是惰性氣體和碘)。但這種凈化和除氣過程對(duì)降低沉積在反應(yīng)堆主、輔系統(tǒng)管道、設(shè)備內(nèi)壁面的腐蝕活化產(chǎn)物的作用較小,而它們形成了對(duì)大修期間集體劑量的主要貢獻(xiàn)。

為了降低反應(yīng)堆停役期間的劑量或縮短大修工期，在停堆前采用氧化運(yùn)行工藝，將空氣或H2O2引入主回路水中，使活化腐蝕產(chǎn)物釋放，然后通過樹脂床快速去除回路中的腐蝕產(chǎn)物，降低停役時(shí)的輻射場(chǎng)劑量。

1 源項(xiàng)的來源

1.1 中子和裂變產(chǎn)物

中子和裂變產(chǎn)物是在反應(yīng)堆的運(yùn)行中直接和必然的產(chǎn)物。其中， 中子是維持反應(yīng)堆正常運(yùn)行必不可少的條件及產(chǎn)物。裂變產(chǎn)物對(duì)人員的危害相對(duì)較小， 在燃料包殼沒有破損的情況下絕大部分裂變產(chǎn)物被包容在燃料組件內(nèi)， 僅有很少部分惰性氣體、氚和碘進(jìn)入一回路冷卻劑中。

1.2 腐蝕活化產(chǎn)物

在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，一回路材料中的鐵、鈷、鎳等通過腐蝕、磨損等方式進(jìn)入一回路冷卻劑中形成腐蝕產(chǎn)物， 腐蝕產(chǎn)物以“ 溶解沉積”的動(dòng)態(tài)平衡方式存在于一回路系統(tǒng)設(shè)備及冷卻劑中。在堆芯中被活化的腐蝕產(chǎn)物在堆芯以外的設(shè)備表面沉積就導(dǎo)致了堆芯外設(shè)備的輻射場(chǎng)的形成， 其中活化產(chǎn)物沉積量決定著輻射水平的高低?；罨a(chǎn)物種類同反應(yīng)堆一回路及相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備材料密切相關(guān)。

2 停堆源項(xiàng)的轉(zhuǎn)移

對(duì)于典型的壓水堆核電站，反應(yīng)堆功率運(yùn)行時(shí)，由于γ射線將引起水的輻照分解(2H2O+γ=2H2+O2)，為抑制水的輻照分解而產(chǎn)生危害較大的氧，通過容控箱的氫氣覆蓋使RCP冷卻劑中含有一定濃度的溶解氫，正常運(yùn)行時(shí)RCP水中溶解氫含量為25～35 ml/kg，反應(yīng)堆冷卻劑處于一個(gè)還原性的環(huán)境。但在反應(yīng)堆為定期檢查(或換料)而停堆時(shí)，由于反應(yīng)堆冷卻劑溫度的下降和硼濃度上升等因素，離子狀的58Co和鎳濃度將上升到功率運(yùn)行時(shí)的1 000倍以上。而促使腐蝕產(chǎn)物集中“釋放”的最大動(dòng)力是冷卻劑由還原性環(huán)境向氧化性環(huán)境的轉(zhuǎn)變，在濃度高時(shí)利用一回路化容系統(tǒng)的凈化床來凈化反應(yīng)堆冷卻水是非常有效的。停堆過程中，隨著溶解氫的下降到系統(tǒng)排水空氣進(jìn)入，冷卻劑由還原性環(huán)境向氧化性環(huán)境轉(zhuǎn)變，相當(dāng)部分的腐蝕產(chǎn)物開始逐步大量的釋放到主系統(tǒng)冷卻劑中，由于這段時(shí)間較長(zhǎng)而且冷卻劑中的放射性水平處于較高的水平，會(huì)大大增加此時(shí)工作人員的接受劑量。

3 氧化運(yùn)行

3.1 氧化運(yùn)行歷史、分類、原理和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

壓水堆核電機(jī)組強(qiáng)迫氧化運(yùn)行興起于歐美核電大國(guó)，20世紀(jì)末國(guó)內(nèi)核電站核電廠相繼從日本、法國(guó)等國(guó)家引入化學(xué)氧化運(yùn)行方案，通過停堆期間向一回路系統(tǒng)引入氧化劑，使腐蝕產(chǎn)物快速、集中釋放，實(shí)現(xiàn)集中處理。

氧化運(yùn)行分為強(qiáng)迫氧化運(yùn)行和自然氧化運(yùn)行，兩種方式存在差異，但基本原理一致，都是通過與主系統(tǒng)中的腐蝕活化產(chǎn)物進(jìn)行氧化反應(yīng)，使其從堆芯和管道的表面剝落進(jìn)入冷卻劑中，使這些腐蝕活化產(chǎn)物被化容系統(tǒng)的凈化床和過濾器捕獲，從而到達(dá)降低主系統(tǒng)放射性的目的。

國(guó)際上最流行的是強(qiáng)迫氧化法，也就是加雙氧水氧化法。典型壓水堆M310機(jī)組《化學(xué)和放射化學(xué)技術(shù)規(guī)范》中票C.1.5 圖1“氧化冷停堆”的“降溫過程T≤120 ℃注入空氣氧化”“降溫過程T≤80 ℃注入H2O2氧化”。

自然氧化運(yùn)行主要在秦山地區(qū)實(shí)施過，秦一廠從R111開始至R118，方家山204大修，秦二廠308大修都使用自然氧化運(yùn)行。

3.2 強(qiáng)迫氧化運(yùn)行

強(qiáng)迫氧化運(yùn)行工藝技術(shù)，就是根據(jù)主冷卻劑系統(tǒng)中腐蝕活化產(chǎn)物的溶解度隨溫度變化特點(diǎn)，在主系統(tǒng)降溫過程中,在冷停堆至80 ℃(溶解度最大)時(shí)，向主系統(tǒng)注入一定量的氧化劑(雙氧水)，使系統(tǒng)迅速達(dá)到氧化性環(huán)境，促使疏松的表面腐蝕產(chǎn)物集中釋放，通過化學(xué)容積控制系統(tǒng)凈化床除去腐蝕產(chǎn)物，提高了對(duì)冷卻劑的凈化效果。同時(shí)通過氧化運(yùn)行，容器和管道表面生成新的保護(hù)膜，阻止進(jìn)一步釋放。這樣原需幾天的釋放過程被縮短至幾十分鐘完成，使主回路的劑量盡快達(dá)到可以接受的水平，降低設(shè)備、管道的輻射水平,達(dá)到有效降低大修集體劑量水平的目的。同時(shí)加雙氧水也是為了將二價(jià)鐵離子氧化成三價(jià)鐵離子，保證換料水池的澄清。

3.3 自然氧化運(yùn)行

自然氧化運(yùn)行工藝技術(shù)，機(jī)組停堆下行階段仍按照現(xiàn)有加雙氧水的操作規(guī)程、化學(xué)和放射化學(xué)技術(shù)規(guī)范對(duì)主系統(tǒng)的溶氫、硼濃度、鋰濃度、放射性活度濃度、各容器氫含量等指標(biāo)進(jìn)行控制，但在主系統(tǒng)降溫至80 ℃時(shí)不向主系統(tǒng)加入雙氧水：在開蓋前采用穩(wěn)壓器通大氣及堆頂放氣閥開啟時(shí)自然引入氧化劑(空氣)的運(yùn)行方式。在接下來的幾個(gè)階段，隨著空氣中氧氣的不斷進(jìn)入，主系統(tǒng)也開始有一個(gè)緩慢氧化的過程，尤其是在停冷的投入、穩(wěn)壓器消汽腔、主系統(tǒng)排水、開壓力容器頂部放氣閥和排水至壓力容器法蘭面等幾個(gè)主要操作階段，隨著氧氣的大量進(jìn)入使系統(tǒng)水質(zhì)中的溶解氧濃度升高，緩慢氧化過程中主系統(tǒng)核素也會(huì)有峰值出現(xiàn)。

4 強(qiáng)迫氧化與自然氧化的優(yōu)異性

4.1 強(qiáng)迫氧化的優(yōu)點(diǎn)

1)降低停堆劑量率和大修人員照射劑量；

2)減小腐蝕產(chǎn)物對(duì)燃料性能影響；

3)減小腐蝕產(chǎn)物和輻射場(chǎng)累積；

4)縮短腐蝕產(chǎn)物去除時(shí)間，為大修贏得時(shí)間；

5)氧化劑通常選擇過氧化氫，它具有強(qiáng)氧化性，反應(yīng)后生成水，不向系統(tǒng)引入雜質(zhì)的特征。

4.2 強(qiáng)迫氧化的遇到的問題

1)顆粒腐蝕產(chǎn)物大量釋放，部分在低流速區(qū)域沉積形成熱點(diǎn)。

2)部分PWR發(fā)生嚴(yán)重110mAg累積問題，對(duì)氧化運(yùn)行性能產(chǎn)生明顯影響。

3)高濃度的過氧化氫可能加速凈化床樹脂的老化。

4.3 自然氧化運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)

1)降低停堆劑量率和大修人員照射劑量；

2)減小腐蝕產(chǎn)物對(duì)燃料性能影響；

3)減小腐蝕產(chǎn)物和輻射場(chǎng)累積；

4)不需要添加雙氧水的操作；

5)自然氧化期間主系統(tǒng)可不間斷降溫、無需對(duì)R廠房?jī)?nèi)工作人員清理及封閉R廠房，使得大修主線工作更為順暢，可節(jié)省大修關(guān)鍵路徑2～3 h。

4.4 自然氧化運(yùn)行的遇到的問題

1)不利于亞鐵離子完全氧化成三價(jià)鐵，可能形成綠色亞鐵膠體，使換料水池渾濁;

2)主冷卻劑活化腐蝕產(chǎn)物峰值的出現(xiàn)時(shí)間上存在不確定性。

5 氧化運(yùn)行的評(píng)價(jià)

通過上面的比較可以看出，自然氧化和強(qiáng)迫氧化的原理基本相同，都是將燃料組件及管道中的活化產(chǎn)物釋放，然后通過凈化床去除。自然氧化和加雙氧水氧化各有優(yōu)缺點(diǎn)，但從總體上來講，建議后續(xù)以加雙氧水氧化運(yùn)行為主，自然氧化為輔，兩者可以交替進(jìn)行。

1)大修人員照射劑量的多少，但由于每次大修檢修項(xiàng)目、檢修時(shí)間不同，很難進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2)換料水池是否出現(xiàn)渾濁。

3)大修工期，沒有因?yàn)檠趸\(yùn)行導(dǎo)致大修工期延誤。

6 研究與探索

后續(xù)的研究方向主要以降低減少系統(tǒng)中源項(xiàng)、降低停堆源項(xiàng)的釋放或加大源項(xiàng)的釋放，最終降低機(jī)組大修的劑量。

(1)降低減少系統(tǒng)中源項(xiàng)

通過一回路注鋅等方式降低系統(tǒng)中及燃料包殼上的腐蝕(活化)產(chǎn)物，從而降低停堆過程中一回路放射性的釋放總量，降低大修劑量。

(2)降低源項(xiàng)的釋放

降低燃料組件中活化產(chǎn)物釋放，使其停留在堆芯，降低氧化運(yùn)行時(shí)的峰值，降低產(chǎn)生熱點(diǎn)的可能。主要可以自然氧化運(yùn)行、通過提前停運(yùn)主泵，只運(yùn)行停冷泵等方式，使沉積物保留在燃料包殼表面。

(3)加大源項(xiàng)的釋放

氧化運(yùn)行方式使用強(qiáng)迫氧化運(yùn)行，加快堆芯活化腐蝕產(chǎn)物的釋放，同時(shí)在降溫期間，主泵運(yùn)行會(huì)提高一回路匯總沉積物的遷移速度，堆芯內(nèi)沉積物的溶解速度會(huì)隨主泵運(yùn)行數(shù)量增加而增加。所以可以考慮保持多臺(tái)主泵同時(shí)運(yùn)行，更大限度的將燃料中的活化產(chǎn)物釋放，降低換料操作區(qū)域的輻射水平，同時(shí)在開展檢修作業(yè)時(shí),大修集體劑量將因作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)輻射水平的降低而降低,如泵體、閥門的檢修、SG堵板和卸料作業(yè)等。