VVER型核电机组一回路冷却剂溶氢控制技术.pdf

CleaningWorld2023年6 月实用技术第3 9卷第6 期洗世界清文章编号：16 7 1-8 90 9（2 0 2 3）6-0 0 13-0 0 3VVER型核电机组一回路冷却剂溶氢控制技术章书维（江苏核电有限公司，江苏连云港222042)摘要：VVER机组在一回路溶氢控制技术上存在较大区别，其设计采用向一回路加氨辐照分解生成氢的方式代替直接注氢工艺。本文研究了VVER机组一回路冷却剂中溶氢的影响因素，分析了反应堆核功率、稳压器工况、一回路氨浓度、下泄除气流量等因素对溶氢的影响机理，建立了VVER机组一回路溶氢完整的控制技术，给出了机组启动阶段、机组调峰期间和功率运行期间一回路溶氢控制的一般方法，同时进行了停机期间一回路除气工况对溶氢去除的研究。关键词：VVER机组；反应堆；除气器；一回路冷却剂；溶氢中图分类号：TM623文献标识码：A0引言在VVER-1000电站执行的水化学标准中，一回路溶氢是由一回路冷却剂中氨在通过堆芯的辐照分解后所产生，而没有设置加氢系统。田湾核电站1-4号机组采用的是VVER-1000型反应堆堆型，一回路冷却剂采用的是弱碱还原性（氨钾硼酸体系）的化学工况控制策略，根据化学监督大纲要求，反应堆带功率运行时（机组核功率 40%），一回路溶氢需要满足2.2 4.5mg/L的要求,对应2 5 50 mL/kg(STP)。与其他压水堆相比，一回路产生溶氢的方式存在明显差别，因此VVER机组的溶氢控制更为复杂。但是，控制目标均是一致的，主要是保持一回路冷却剂维持还原性环境，抑制冷却剂辐照分解产生的氧化物质以及上充水中少量的残余溶解氧，以降低一回路系统表面和燃料包壳表面的均匀腐蚀，以及敏感不锈钢材料的应力腐蚀开裂风险。1VVER机组一回路溶氢影响因素VVER机组一回路溶氢的主要来源为氨的辐照分解反应：2NH,3H,+N2在堆芯内部该反应为可逆反应，因此一回路溶氢、氮气和氨浓度会形成复杂的动态平衡。氨的合成与分解均正比于水中吸收的辐射能，而后者又正比于堆功率。VVER机组一回路溶氢研究发现共有6个影响因素：（1）一回路氨的浓度直接影响溶氢的浓度。（2）反应堆功率直接影响冷却剂中的氨辐照分解生成溶氢的速率。（3）稳压器运行工况影响气相空间和液相空间的气体平衡。（4）除气器KPL开度影响氢气进入燃氢系统的流量，对一回路溶氢影响相对较小。（5）一回路下泄流量和一回路换水速率，直接影响一回路冷却剂的除气速率，造成一回路溶氢的损失。下泄流量由4台主泵的密封冷却水和其他下泄流组成，总流量运行范围为0.8 13 kg/s，除气器可以去除下泄流冷却剂中几乎所有的氢气、氮气、裂变气体和下泄水中少量的氨，通过燃氢系统内的氢气复合器，除去下泄流中的氢气。（6）联氨的除氧反应和热分解均会产生氮气，直接影响一回路冷却剂中氨、溶氢、溶氮的平衡关系，过剩的氮气短时间内会消耗冷却剂中的溶氢，复合反应生成氨。作者简介：章书维（198 5-），男，双学士学位，高级工程师，主要从事核电厂一回路水化学控制和监督工作。收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 2。?14清洗世界第6 期2VVER机组一回路溶氢控制2.1机组启动期间一回路溶氢控制在反应堆启动期间，一回路溶氢浓度的增加是完全依靠氨的辐照分解产生的，并且与氨的浓度和反应堆核功率成正比，为了达到溶氢的浓度需要一定时间过程。因此，为了更快速的达到技术程序要求的溶氢浓度，在达到反应堆功率之前需要在冷却剂中保证氨的初始浓度。启机期间一回路提高氨浓度的风险主要是影响一回路净化系统KBE床的安全运行。在一期机组调试中发现，当一回路硼酸为1620g/L，氨浓度达到2 0 mg/L以上时，会出现一回路冷却剂氯离子超标的风险。分析其根本原因是KBE系统使用了残余氯离子较高的阴树脂，提高一回路氨浓度后会出现阴树脂排代氯离子的现象，造成一回路氯离子超标。为解决此问题，将KBE系统改为装填性能更优异的M800KR阴树脂，残余氯仅为总交换容量的0.0 6%，大幅小于俄方设计的残余氯0.15g/L（对应总交换容量0.3 5%）的标准。通过试验，一回路氨浓度提高至2 5mg/L，钾浓度为15 2 0 mg/L，硼酸为8 g/L，1K BE 10 氨钾饱和后阴床出口氯离子上涨到2 0 3 0 g/L，期间使一回路氯离子短时间上涨到2 0 ug/L，能够满足化学监督程序氯离子10 0 g/L的要求。启机过程一回路溶氢提升控制主要包括氨浓度控制、一回路净化系统KBE氨钾饱和控制、一回路下泄流量控制、反应堆稳压器JEF的工况控制，具体如下：（1）启机期间一回路冷却剂氨浓度控制。在机组启动阶段，采用间断加氨的方式来维持一回路氨浓度。根据物料守恒，加热至热态期间一回路氨浓度控制为15mg/L，热态到反应堆40%N额定期间一回路氨浓度控制为2 0 3 0 mg/L，当溶氢合格后再缓慢下调一回路氨浓度到平衡水平。（2）一回路净化系统KBE氨钾饱和控制。向一回路加入氢氧化钾和氨，使一回路总碱金属满足“硼酸-总碱金属协调曲线”的A区，同时使KBE的H型阳床转为氨钾饱和形态。期间，控制一回路氨浓度时，需要考虑KBE床吸收的氨的量。机组调停后再启动期间，提高一回路氨浓度会造成KBE出口的总碱金属较高，引起一回路总碱金属的快速升高。因此，需要根据一回路总碱金属浓度降低KBE的运行流量到2 3 kg/s，控制一回路总碱金属的稳定过渡。（3）一回路下泄流量控制。进入最小可监测功率状态后通知主控尽可能关闭KBA下泄流量，保证溶氢的损失量降低到最低水平。（4）反应堆稳压器工况控制。反应堆稳压器内会建立蒸汽垫，增加电加热器投入数量以提高稳压器与堆芯的搅浑速率，会造成一回路溶氢快速逃逸进入稳压器的气相，影响一回路溶氢的提升速率。因此，需要适当减少稳压器电加热器的投入数量。通过以上控制，反应堆由最小可监测功率提升至核功率40%N额定时，1 2 号机组，下泄总流量为1.3 kg/s，一回路氨为2 0 2 5mg/L，溶氢在6.0 10h达到2.2 mg/L，其中Hz/T=0.2 2 0.3 7mgLh；3 4号机组同等条件下，溶氢约需要15h才能满足要求。该差异与冲转汽轮机时停留的功率时间相关，1 2 号和3 4号机组分别在核功率40%N额定和2 5%N进行汽轮机冲转工作。2.2功率运行期间一一回路溶氢控制VVER机组功率稳定运行期间，一回路溶氢损失主要为冷却剂进入4台主泵密封冷却流0.8 kg/s和下泄0.5kg/s的流量，进入除气器除气后，以上充水的方式重新返回一回路。此时，一回路冷却剂中的溶氢、溶氮和氨的浓度是稳定的，仅取决于在上充水中的加氨量来维持此平衡。因此加氨量只需要考虑被除气器去除的氢气量，即可维持一回路水质的稳定，通过优化采用连续加氨的方式向一回路加氨，公式如下：17MNI=CHX(0.8+X)3.61.3其中：MNH,为一回路加氨速率（g/h），C H,为一回路溶氢浓度（mg/L），X 为下泄流量（kg/s）。田湾核电站3、4号机组反应堆不同功率水平和一回路冷却剂的氨和溶氢的关系如图1，得出以下结论：（1）在反应堆功率8 5%以上时，一回路氨辐照分解产生的溶氢受反应堆功率影响已经可以忽略，一回路氨浓度在燃料循环初期为8 10 mg/L，一回路溶氢浓度为2.8 3.8 mg/L之间。在燃料循环末期，会进行降低一回路溶氢减少活化腐蚀产物，一回路氨浓度会下调至4 6 mg/L，溶氢浓度会下调停机前约2.3 mg/L。（2）在反应堆功率8 5%时，一回路氨辐照分解产生溶氢的平衡浓度与反应堆功率呈明显的正相关性。因此在机组低功率运行时，为保证一回路溶氢满足2.2 4.5mg/L的要求范围，除了考虑一回.15第3 9 卷章书维.VVER型核电机组一回路冷却剂溶氢控制技术43.83.63.4.50%功率(.7.8u)/博想3.2465%功率+75%功率X85%功率2.8100%功率2.62.42.24.06.08.010.012.014.016.018.0氨浓度/(mg-L)图13、4号机组反应堆功率与一回路冷却剂溶氢的关系图路溶氢损失量的同时，还需要考虑反应堆功率对氨辐照分解产生溶氢的速率的影响，因此需要根据经验数据提高一回路的氨平衡浓度。一回路冷却剂中氨、溶氢的浓度在机组运行过程中的对应情况，并非通过理论计算就能完全得出，而是与各机组的实际情况有关，在田湾1-4号机组的实际运行过程中均存在差异。在功率运行期间，通过调整一回路氨浓度和下泄流量，能够实现溶氢的任意浓度的控制和调节，实现寿期末降低溶氢减少腐蚀活化产物的控制目标。2.3调峰期间一一回路溶氢控制VVER机组调峰期间一回路水质控制存在特殊性，主要是溶氢和总碱金属控制存在困难。机组降功率阶段，反应堆功率的变化和稳压器气相空间的扩容均会造成一回路溶氢在短时间的快速下降，如反应堆功率由10 0%下降至8 0%时，Hz约为0.30.6mgL；当反应堆升功率阶段，当一回路换水使下泄流量增加时，溶氢同样出现快速下降的情况。因此根据一回路氨浓度、溶氢浓度与反应堆功率的关系，在降功率前需要提高一回路氨浓度，关闭一回路下泄，将一回路溶氢提高到3.0 mg/L以上，以保证足够的控制余量。调峰期间，一回路注清水和硼酸溶液时，需要联动加联氨以去除上充水中的溶解氧。由于联氨在一回路中热分解和除氧等化学反应均会产生氮气，额外的氮气会短时间消耗溶氢复合成生成氨，使一回路溶氢会出现快速下降，停止加入联氨后溶氢又缓慢增加。一回路溶氢在2.2 4.5mg/L范围内，额外的氮气引入，氨的合成与氮浓度成一次函数关系。因此，为减少一回路溶氢在调峰时的波动幅度，在升功率注水和解毒阶段，需要严格控制联氨加入量，2.4停机期间一回路溶氢控制机组停堆期间，一回路降功率前溶氢为2.2 2.4mg/L，需要将一回路溶氢控制到0.5mg/L以下，以保证一回路解密封时不会出现氢气聚集产生爆炸风险。因此需要对一回路冷却剂进行除气，其工作原理是在冷却状态下将一回路下泄流量增大到12 13 kg/s，一回路水装量约3 0 0 m，保证一回路冷却剂至少三倍的体积进行除气器除气。期间，稳压器气相空间的氢气会重新溶解到一回路冷却剂中，导致一回路溶氢出现反弹上涨0.3 0.7mg/L。当累计进行19 2 4h的连续除气，除气体积达到8 0 0 10 0 0 m时，一回路溶氢能够达到0.5mg/L的解密封要求。为保证反应堆一回路解密封后氢气不发生聚集，一回路还需要进行氮气吹扫，保证吹扫气体中H，0.8%，之后才能够对反应堆解开密封，使机组进入维修冷停状态。3结论通过对田湾核电站1-4号VVER-1000型机组的实际运行研究，一回路溶氢在不断控制优化后已经取得了良好的效果，能够实现机组功率调节和各种瞬态下的溶氢控制以及反应堆额定功率下的溶氢浓度控制，保证一回路溶氢满足程序要求。（1）启机期间一回路氨浓度提高至2 0 3 0 mg/L，能够保证一回路溶氢在反应堆 40%N额定时满足2.2mg/L的控制要求。一回路冷却剂净化系统会出现氯离子的排代现象，导致一回路氯离子增加，使用较低残余氯的阴树脂能够改善此问题，使之满足化学监督程序。（2）在反应堆功率8 5%时，一回路氨辐照分解产生溶氢的平衡浓度与反应堆功率呈明显的正相关性；当反应堆功率8 5%时，氨辐照分解速率受反应堆功率影响已经可以忽略。（3）联氨加入到一回路中会使冷却剂中溶氢、溶氮和氨三者的平衡打破，造成一回路溶氢快速下降，因此功率运行期间需要严格控制联氨加入量以减少溶氢波动。（4）停机期间一回路大流量除气工况可以有效去除一回路冷却剂中的溶氢，经过3 倍的除气体积使一回路溶氢降低至0.5mg/L以下。参考文献：1王宇宙，一回路冷却剂净化系统的优化运行 .中国核电，2 0 0 9,2(0 2)：116-12 5.