盧 蓋1，高 倩

(1.海南核電有限公司，海南 昌江，572733；2.南昌凱利核技術(shù)工程開發(fā)服務(wù)有限公司?？诜止?，海南 ?？冢?72733)

核電廠正常功率運(yùn)行期間，一回路溫度、壓力穩(wěn)定，其冷卻劑中裂變產(chǎn)物、活化腐蝕產(chǎn)物通常處于穩(wěn)定狀態(tài)。但從機(jī)組降功率至卸料結(jié)束，一回路管道設(shè)備和乏燃料元件所處的溫度、壓力及水化學(xué)環(huán)境都發(fā)生一系列改變，一回路及相關(guān)輔助系統(tǒng)冷卻劑中裂變產(chǎn)物、活化腐蝕產(chǎn)物比活度也隨之變化。圖1為機(jī)組從降功率至卸料結(jié)束所經(jīng)歷主要節(jié)點(diǎn)。由于燃料包殼完整性需通過一回路冷卻劑中裂變產(chǎn)物比活度監(jiān)測(cè)，而活化腐蝕產(chǎn)物比活度決定了大修各節(jié)點(diǎn)能否順利進(jìn)行。因此，掌握大修各階段一回路及相關(guān)輔助系統(tǒng)冷卻劑中裂變產(chǎn)物、活化腐蝕產(chǎn)物比活度變化規(guī)律，對(duì)于監(jiān)督燃料元件安全和確保大修工作的順利進(jìn)行至關(guān)重要。

1 存在小缺陷燃料元件的氙和碘時(shí)釋放規(guī)律

一回路冷卻劑中放射性氙和碘是監(jiān)督燃料元件完整性的關(guān)鍵指標(biāo)。燃料元件無異常時(shí)，無論機(jī)組處于穩(wěn)定功率運(yùn)行或升、降功率狀態(tài)，一回路冷卻劑中氙和碘都處于較低水平，通常為133Xe<370 MBq/t、131I<37 MBq/t、133I<37 MBq/t[1]。

燃料元件存在缺陷時(shí)，可通過氙和碘在機(jī)組升降功率期間的變化規(guī)律，推斷出燃料元件缺陷情況。海南核電2號(hào)機(jī)組首循環(huán)中有燃料元件存在小缺陷，201大修機(jī)組降功率至冷停堆過程中，133Xe、131I和133I比活度變化趨勢(shì)見如圖2所示。由圖可見，從降功率開始至雙相中間停堆(一回路壓力15.5 MPa→2.5 MPa)，一回路冷卻劑中133Xe比活度呈明顯下降趨勢(shì)；而131I和133I比活度略有降低。當(dāng)一回路冷卻劑壓力低于2.5 MPa，冷卻劑中133Xe比活度略有上漲后便逐漸降低，而131I和133I比活度出現(xiàn)大幅上漲。

由此推測(cè)，功率運(yùn)行期間，燃料元件內(nèi)133Xe向冷卻劑中的遷移速率高于131I和133I，因此冷卻劑中而133Xe比活度比131I和133I高，但131I和133I在缺陷燃料元件內(nèi)積累量大于133Xe。降功率期間，燃料元件內(nèi)氙和碘的產(chǎn)生量逐漸減少，氙和碘向一回路冷卻劑中遷移量也逐漸降低。當(dāng)冷卻劑壓力低于2.5 MPa時(shí)，燃料元件內(nèi)部壓力低于一回路，冷卻劑從缺陷處進(jìn)入燃料包殼內(nèi)，將燃料包殼內(nèi)積累的碘和氙溶解帶出，由于存在缺陷的燃料元件內(nèi)碘和氙的積累量不同，因此冷卻劑中131I和133I比活度大幅上漲，而133Xe上漲幅度較小。

2 一回路中活化腐蝕產(chǎn)物的釋放

核電廠一回路結(jié)構(gòu)材料腐蝕產(chǎn)物經(jīng)堆芯活化后，形成的活化產(chǎn)物主要包括58Co、60Co、59Fe、51Cr、54Mn等。功率運(yùn)行期間，一回路冷卻劑的pH、氧化還原環(huán)境和凈化流量穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)材料的腐蝕、釋放、活化、凈化過程形成動(dòng)態(tài)平衡，冷卻劑中活化腐蝕產(chǎn)物比活度較穩(wěn)定。

機(jī)組從降功率至氧化運(yùn)行，通過降低一回路冷卻劑的pH和將冷卻劑的還原性環(huán)境轉(zhuǎn)換為氧化性環(huán)境兩種方式，促使活化腐蝕產(chǎn)物在大修前集中釋放，并通過大流量?jī)艋コ?，以降低大修期間的環(huán)境劑量水平。以海南核電201大修為例，一回路冷卻劑中活化腐蝕產(chǎn)物58Co、54Mn比活度隨冷卻劑pH和氧化還原環(huán)境的變化趨勢(shì)見圖3。

2.1 一回路冷卻劑pH值降低

降功率期間，通過如下兩種方式可使一回路冷卻劑pH降低。

1)從降功率至冷停堆，一回路冷卻劑經(jīng)過4次硼化，硼濃度升高使冷卻劑pH值降低、活化腐蝕產(chǎn)物釋放速率增加。如圖3可見，硼濃度每次升高都導(dǎo)致冷卻劑中58Co、54Mn比活度增加。

2)一回路冷卻劑每次硼化都使pH調(diào)節(jié)劑(氫氧化鋰)濃度降低。另外，當(dāng)機(jī)組達(dá)熱停堆狀態(tài)時(shí)，投用化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(RCV)除鋰床持續(xù)除鋰。鋰濃度降低使一回路冷卻劑pH進(jìn)一步降低。

2.2 一回路冷卻劑由還原性向氧化性環(huán)境改變

功率運(yùn)行期間，通過RCV002BA(容控箱)對(duì)一回路冷卻劑進(jìn)行氫氣覆蓋，使溶解氫濃度控制在30～50 mL/kg(STP)，溶解氫存在使冷卻劑處于還原性環(huán)境。大修期間，通過如下兩種方式使一回路冷卻劑向氧化性環(huán)境轉(zhuǎn)變。

1)降功率前，對(duì)RCV002BA(容控箱)進(jìn)行氮?dú)鈷邭?，使溶解氫濃度逐漸降低。氧化運(yùn)行前，使溶解氫濃度<3 mL/kg，并將RCV002BA轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝飧采w，促使冷卻劑逐漸向氧化性環(huán)境轉(zhuǎn)變。

2)氧化運(yùn)行期間，向一回路冷卻劑中加入雙氧水，使一回路冷卻劑溶解氧濃度>1 mg/kg。強(qiáng)氧化作用使沉積在一回路結(jié)構(gòu)材料上的活化腐蝕產(chǎn)物集中釋放。通常在一回路加入雙氧水1 h內(nèi)，冷卻劑中各活化腐蝕產(chǎn)物和總γ比活度會(huì)出現(xiàn)峰值。

圖3 201大修58Co、54Mn比活度隨pH和氧化還原環(huán)境的變化趨勢(shì)Fig.3 The variation trend of specific activity of 58Co and 54Mnwith pH value and REDOX environment of 201 overhaul

3 一回路冷卻劑中活化腐蝕產(chǎn)物的凈化

一回路冷卻劑中各活化腐蝕產(chǎn)物比活度出現(xiàn)峰值后，主泵運(yùn)行是活化腐蝕產(chǎn)物除去的關(guān)鍵因素，冷卻劑長(zhǎng)時(shí)間大流量擾動(dòng)，可確?；罨Y(jié)構(gòu)材料表面腐蝕產(chǎn)物充分釋放。另外，由于活化腐蝕產(chǎn)物只能通過RCV樹脂床除去，所以活化腐蝕產(chǎn)物的凈化速率由樹脂床的凈化流量和效率決定。但氧化運(yùn)行前RCV除鹽床通常跟換新樹脂，除鹽效率大于95%以上。綜合考慮，一回路冷卻劑中活化腐蝕產(chǎn)物凈化效果基本取決于主泵停運(yùn)指標(biāo)和RCV凈化流量。

3.1 主泵停運(yùn)指標(biāo)對(duì)凈化效果的影響

氧化運(yùn)行期間，主泵為一回路冷卻劑的凈化提供壓頭，主泵流量為2.4×104t/h，其流量大，擾動(dòng)效果好。主泵停運(yùn)后，由余熱排出泵提供壓頭，流量為640 t/h，由于其流量遠(yuǎn)小于主泵流量，溶解在冷卻劑中的活化腐蝕會(huì)產(chǎn)物會(huì)重新沉積至設(shè)備表面，導(dǎo)致大修期間環(huán)境劑量升高。

海南核電氧化運(yùn)行期間主泵停運(yùn)指標(biāo)見表1，在燃料包殼未出現(xiàn)缺陷情況下，冷卻劑中133Xe、131I比活度遠(yuǎn)低于限值，主泵停運(yùn)條件基本由58Co和總γ比活度決定。以海南核電101、102、201三次大修為例，三次大修主泵停運(yùn)指標(biāo)及主泵停運(yùn)后核島主要設(shè)備周圍環(huán)境劑量率見表2。由表2可見，主泵停運(yùn)時(shí)一回路冷卻劑58Co和總γ比活度越高，各主要設(shè)備周圍環(huán)境劑量率也越高。因此，若主泵停運(yùn)是非主線工作，建議主泵運(yùn)行時(shí)間竟可能長(zhǎng)，確保58Co和總γ比活度盡可能低。

表1 氧化運(yùn)行期間主泵停運(yùn)指標(biāo)

表2 101、102、201大修主泵停運(yùn)指標(biāo)及主要設(shè)備周圍環(huán)境劑量率的關(guān)系

3.2 RCV凈化流量對(duì)凈化速率的影響

一回路冷卻劑中活化腐蝕產(chǎn)物只能通過RCV系統(tǒng)過濾器和混樹脂床除去，當(dāng)一回路冷卻劑中58Co和總γ比活度峰值確定后，RCV凈化流量的大小決定了冷卻劑滿足主泵停運(yùn)條件的快慢。

以海南核電102和201大修為例，由于兩次大修期間，從一回路冷卻劑58Co和總γ比活度出現(xiàn)峰值至冷卻劑滿足主泵停運(yùn)期望條件期間，RCV凈化流量均不穩(wěn)定，以這段時(shí)間RCV凈化流量的加權(quán)平均值作為等效凈化流量。兩次大修的冷卻劑58Co和總γ比活度、RCV等效凈化流量和主泵滿足停運(yùn)期望值所用時(shí)間見表3。由表可見，RCV等效凈化流量越大，冷卻劑中活化腐蝕產(chǎn)物的凈化速率越快。

表3 102和201大修RCV等效凈化流量對(duì)凈化速率影響Table 3 The influence of RCV equivalent purificationflow on purification rate of the overhauls 102 and 201

4 穩(wěn)壓器開人孔前后放射性指標(biāo)反彈現(xiàn)象及原因分析

氧化運(yùn)行期間一回路冷卻劑中活化腐蝕產(chǎn)物峰值出現(xiàn)后，在RCV樹脂床的凈化作用下，其比活度遵循指數(shù)函數(shù)下降趨勢(shì)[2]。但在穩(wěn)壓器開人孔前、后階段，一回路冷卻劑活化腐蝕產(chǎn)物比活度會(huì)出現(xiàn)兩次明顯反彈。以海南核電101、102、201三次大修為例，58Co和總γ反彈后比活度已超出換料水池充水的限值要求(58Co<2000 MBq/t；總γ<4000 MBq/t)，具體數(shù)據(jù)見圖4。因此，查明穩(wěn)壓器開人孔前后放射性指標(biāo)反彈原因，預(yù)測(cè)反彈幅度，對(duì)于確保換料水池充水等節(jié)點(diǎn)順利進(jìn)行至關(guān)重要。

當(dāng)雙氧水注入一回路后，在主泵大流量擾動(dòng)下，主管道和壓力容器中的活化腐蝕產(chǎn)物通常在1 h內(nèi)會(huì)出現(xiàn)峰值。但穩(wěn)壓器內(nèi)部冷卻劑(約36 m3)只能通過穩(wěn)壓器噴淋閥與主管道內(nèi)冷卻劑進(jìn)行攪勻，雙氧水進(jìn)入穩(wěn)壓器內(nèi)耗時(shí)較長(zhǎng)，其內(nèi)部冷卻劑活化腐蝕產(chǎn)物峰值出現(xiàn)時(shí)間較主管道和壓力容器也偏晚。這導(dǎo)致后續(xù)凈化過程中，穩(wěn)壓器中冷卻劑的活化腐蝕產(chǎn)物始終比主管道和壓力容器偏高。主泵停運(yùn)后，一回路冷卻劑擾動(dòng)變小，穩(wěn)壓器噴淋流量減小，穩(wěn)壓器內(nèi)部活化腐蝕產(chǎn)物凈化速度進(jìn)一步減緩。

穩(wěn)壓器開人孔前、后階段，一回路進(jìn)行兩次排水：1)穩(wěn)壓器開人孔前，一回路液位由+24.9 m排至+22.1 m，穩(wěn)壓器內(nèi)約8.4 m3冷卻劑注入主管道和壓力容器中；2)開人孔后，一回路液位繼續(xù)排至+12.8 m，穩(wěn)壓器內(nèi)約28 m3冷卻劑注入主管道和壓力容器中。穩(wěn)壓器內(nèi)高放射性冷卻劑兩次向主管道和壓力容器注入，使穩(wěn)壓器開人孔前、后階段，主管道冷卻劑出現(xiàn)兩次放射性指標(biāo)反彈。

結(jié)合表2中三次大修主泵停運(yùn)時(shí)58Co和總γ比活度和圖3中穩(wěn)壓器開人孔放射性指標(biāo)反彈幅度，可看出主泵停運(yùn)時(shí)58Co和總γ比活度越，穩(wěn)壓器開人孔放射性指標(biāo)反彈幅度也越大。因此，主泵停運(yùn)指標(biāo)的選擇也決定了穩(wěn)壓器開人孔前、后階段一回冷卻劑放射性指標(biāo)的反彈幅度。

5 卸料后乏池放射性反彈原因分析

大修前，乏池處于封閉自循環(huán)狀態(tài)，其冷卻劑經(jīng)系統(tǒng)樹脂床的長(zhǎng)期凈化，58Co和總γ比活度基本小于5 MBq/t。準(zhǔn)備換料前，一回路、反應(yīng)堆水池、堆內(nèi)構(gòu)件貯存池、燃料轉(zhuǎn)運(yùn)艙供水和乏池冷卻劑互通，壓力容器中乏燃料被完全轉(zhuǎn)移至乏池后，乏池恢復(fù)封閉自循環(huán)狀態(tài)。此后階段乏池冷卻劑58Co和總γ比活度會(huì)出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，并超出乏池冷卻劑期望值。以海南核電201大修為例，卸料前后乏池冷卻劑58Co和總γ比活度及增長(zhǎng)趨勢(shì)見圖5。由于乏池冷卻劑放射性指標(biāo)上漲可能導(dǎo)致對(duì)乏燃料狀態(tài)存在誤判，查明放射性指標(biāo)上漲原因?qū)τ诒O(jiān)督乏燃料安全狀態(tài)至關(guān)重要。

5.1 一回路冷卻劑的影響

卸料前一回路冷卻劑總γ和58Co比活度高于乏池，卸料期間一回路與乏池連通，導(dǎo)致乏池總γ和58Co比活度升高。以海南核電201大修為例，結(jié)合一回路與乏池連通前各自冷卻劑體積及冷卻劑總γ和58Co比活度，一回路冷卻劑導(dǎo)致乏池總γ和58Co比活度上漲幅度的理論計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值見表4?？紤]卸料期間RCV系統(tǒng)對(duì)冷卻劑的持續(xù)凈化，兩數(shù)值基本吻合。但結(jié)合圖5乏池冷卻劑最大反彈幅度可看出，一回路冷卻劑的影響并非導(dǎo)致乏池冷卻劑總γ和58Co比活度大幅上漲的主要原因。

5.2 乏燃料元件表面釋放活化腐蝕產(chǎn)物

乏燃料被完全轉(zhuǎn)移至乏池后，乏池處于封閉自循環(huán)狀態(tài)。與卸料前相比，乏池除新轉(zhuǎn)入的乏燃料外，乏池的水化學(xué)環(huán)境、物理擾動(dòng)、凈化流量均為發(fā)生改變，因此不會(huì)導(dǎo)致乏池相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備表面活化腐蝕產(chǎn)物的釋放。由此，可推斷乏池總γ和58Co比活度上漲是由乏燃料表面釋放活化腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)致。

功率運(yùn)行期間，一回路冷卻劑中的活化腐蝕產(chǎn)物傾向于在溫度較高的燃料元件表面沉積。氧化運(yùn)行后，乏燃料元件表面活化腐蝕產(chǎn)物仍有持續(xù)輕微釋放。壓力容器未開大蓋前，乏燃料所處一回路冷卻劑容積在200 m3左右，RCV凈化流量在20～27 m3/h。乏燃料被轉(zhuǎn)移至乏池中，乏池水容積為1 260 m3左右，凈化流量約為60 m3/h，乏池冷卻劑的凈化速率明顯小于一回路冷卻劑。另外，卸料階段乏燃料在一回路和乏池中所處的水化學(xué)環(huán)境相同，短期內(nèi)可認(rèn)為其表面活化腐蝕產(chǎn)物釋放速率基本不變，在凈化流量變小情況下，乏池冷卻劑活化腐蝕產(chǎn)物比活度會(huì)呈明顯上長(zhǎng)趨勢(shì)。

對(duì)海南核電101、102和201三次大修乏池冷卻劑總γ進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)見表5?？梢?01大修乏池冷卻劑總γ的反彈幅度明顯大于其他兩次大修。這是因?yàn)?01大修期間，乏燃料轉(zhuǎn)移至乏池后，對(duì)乏燃料進(jìn)行了超聲檢查，而101和102大修未進(jìn)行此操作。超聲檢查加劇乏燃料表面活化腐蝕產(chǎn)物的溶解與釋放，因此反彈也最為嚴(yán)重，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了乏池冷卻劑放射性指標(biāo)大幅反彈是由乏燃料表面釋放活化腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)致。

6 總 結(jié)

綜合海南核電三次大修經(jīng)驗(yàn)，有如下幾點(diǎn)可供以后大修著重借鑒：1)降功率期間，著重關(guān)注一回路冷卻劑中放射性氙和碘的變化，可判斷燃料元件是否存在缺陷及缺陷類型；2)氧化運(yùn)行期間，延長(zhǎng)主泵運(yùn)行時(shí)間，選擇合適的主泵停運(yùn)指標(biāo)，即可降低大修期間核島廠房的環(huán)境劑量率，又可降低穩(wěn)壓器開人孔階段冷卻劑放射性指標(biāo)反彈幅度；3)增大RCV凈化流量，可縮短一回路冷卻劑凈化至期望值所用時(shí)間；4)乏燃料轉(zhuǎn)移至乏池后，需跟蹤乏池放射性指標(biāo)反彈情況，確保乏池處于持續(xù)凈化狀態(tài)。