曲 冰,趙延鵬,謝文明,宋云龍,王 亮,宋國(guó)華,張國(guó)良

(遼寧紅沿河核電有限公司,遼寧 大連 116001)

0 引言

隨著全球能源需求顯著增加，能源短缺已經(jīng)成為本世紀(jì)亟需解決的最重要問題，有限的化石能源已經(jīng)不能滿足工業(yè)發(fā)展對(duì)能源不斷增長(zhǎng)的需求[1-2]。然而，受地理環(huán)境和結(jié)構(gòu)要求的限制，太陽(yáng)能、地?zé)崮堋L(fēng)能等可再生能源無(wú)法大規(guī)模實(shí)現(xiàn)高品位能源的轉(zhuǎn)化[3-4]。核電廠提供了全球約5.7%的能源，占全球發(fā)電量約13%，核能在解決能源需求方面具有巨大的潛力[5-6]。然而，核電站系統(tǒng)的輻射防護(hù)問題阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展[7-8]。

壓水堆核電站換料大修期間輻射劑量占其整體輻射劑量的80%-90%，世界上多個(gè)核電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，較差的水化學(xué)控制會(huì)造成較強(qiáng)的輻射[9-11]。隨著各國(guó)核工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多學(xué)者針對(duì)核電站輻射防護(hù)問題展開研究。Tian等人[12]在不同的壁面條件研究了各種湍流模型對(duì)管道內(nèi)顆粒沉積情況的影響，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)雷諾應(yīng)力模型(RSM)更有利于預(yù)測(cè)顆粒沉積問題。Mcglinchey等人[13]基于無(wú)滑移壁面邊界條件，提出了常壓下流過(guò)90°彎管的粒子沉積模型。Huseyin等人[14]研究了豎直向上的90°彎管中的氣固兩相流的流動(dòng)特性，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。結(jié)果表明，平均沉積物厚度隨氣溶體質(zhì)量流量比的增加而減小。Calvar等人[15]研究了加鋅對(duì)高溫水環(huán)境中304不銹鋼腐蝕行為的影響。結(jié)果表明，加鋅明顯抑制了高溫水環(huán)境中304不銹鋼發(fā)生的均勻腐蝕，而且這種效果隨著鋅添加量的增加而更明顯。

國(guó)內(nèi)相對(duì)于國(guó)外關(guān)于核電站輻射源項(xiàng)沉積的研究起步較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速。陳磊等人[16]使用拉格朗日粒子軌跡模型研究了硫粒子在水平管道內(nèi)的沉積問題，發(fā)現(xiàn)彎管處硫粒子的沉積速率隨著流速，粒徑和彎曲比的增加而增加。彭德全等人[17]用靜態(tài)高壓釜對(duì)304 L不銹鋼進(jìn)行了1 680 h的壓水堆一回路水條件下的腐蝕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明304 L不銹鋼在很短的時(shí)間內(nèi)(336 h)就形成了強(qiáng)耐蝕性的氧化物層。汪家梅等人[18]通過(guò)對(duì)壓水堆一回路水環(huán)境的重建模擬，研究了在氯離子濃度和溶解氧條件下304不銹鋼高溫電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。結(jié)果表明隨著氯離子濃度增加，耐腐蝕性能降低，隨著溶解氧含量的升高表面氧化膜阻抗逐漸增加。為了定量描述輸油管線彎管處由于流體方向改變引起的流場(chǎng)特性變化和管道內(nèi)部沖蝕損傷過(guò)程，杜強(qiáng)等人[19]利用Fluent軟件建立了90°彎管沖蝕物理模型，獲得了彎管管壁壓力、剪切應(yīng)力以及流體流速的分布規(guī)律。

文獻(xiàn)調(diào)研表明，關(guān)于相應(yīng)水化學(xué)條件下的沉積問題研究較少。在實(shí)驗(yàn)研究方面，多數(shù)學(xué)者直接對(duì)核電站大修期間進(jìn)行參數(shù)測(cè)量或單一對(duì)材料進(jìn)行相應(yīng)水化學(xué)環(huán)境的測(cè)試而得出結(jié)論，很少有人通過(guò)一回路實(shí)驗(yàn)臺(tái)的仿建與實(shí)驗(yàn)得出更準(zhǔn)確的沉積規(guī)律。為解決核電站運(yùn)行期間的輻射防護(hù)問題，基于壓水堆核電站的主要運(yùn)行設(shè)施及其位置排布，本文自主設(shè)計(jì)并搭建了活化腐蝕產(chǎn)物(Fe、Cr、Mn、Co和Ni)沉積特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，使用90°水平彎管，測(cè)試不同過(guò)氧化氫含量下Fe、Cr、Mn、Co和Ni五種元素沿周向和軸向上的沉積情況。彎管活化腐蝕產(chǎn)物沉積特性的實(shí)驗(yàn)研究可以為核電站運(yùn)行期間降低核電站管道中的粒子輻射強(qiáng)度提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

基于壓水堆核電站的主要運(yùn)行設(shè)施及其位置排布，本文自主設(shè)計(jì)并搭建了90°水平彎管、多角度測(cè)量、粒子濃度可控的核電站一回路沉積測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可測(cè)試在核電站一回路大修期間管道內(nèi)腐蝕產(chǎn)物濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律、金屬元素的沉積特性、彎管的沉積熱點(diǎn)區(qū)域。如圖1和圖2所示，整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，主要部分由儲(chǔ)液罐、溫控器、變頻電機(jī)、閘閥、取樣器、實(shí)驗(yàn)彎管、電磁流量計(jì)組成，主要保證管路的勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。支管路由浮子流量計(jì)、閘閥、除鹽床、過(guò)濾器組成。除鹽床主要作用是過(guò)濾流體中陰陽(yáng)粒子，過(guò)濾器的主要作用是過(guò)濾掉流體中直徑過(guò)大的金屬粒子，減少對(duì)管道的沖蝕沉積。循環(huán)管路均由PP-R管材連接。

圖1 沉積特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖1-三相電源，2-變頻器，3-電機(jī)，4-離心泵，5-閘閥，6-閘閥，7-浮子流量計(jì)，8-除鹽床，9-隔膜式壓力表，10-取樣器，11-測(cè)試彎管，12-電磁流量計(jì)，13-儲(chǔ)液罐，14-PID溫控儀，15-球閥，16-氮?dú)夤蓿?7-注液器

圖2 沉積特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表1是金屬元素沉積實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所需要的主要儀器設(shè)備，表2是沉積實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所要加入的金屬粒子種類，以及實(shí)驗(yàn)前處理所需藥品。金屬粒子的質(zhì)量按照總水量400 L進(jìn)行計(jì)算。

表1 主要設(shè)備參數(shù)

表2 主要成分用量

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為研究和分析各金屬元素(Fe、Cr、Mn、Co和Ni)在壓水堆下行實(shí)施氧化凈化操作期間不同過(guò)氧化氫濃度下在彎管中的沉積規(guī)律，本文進(jìn)行了4組過(guò)氧化氫工況實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)初始階段，各工況均投入0.6 mg/kg濃度的氫氧化鋰，并加入硼酸模擬核電站實(shí)際的酸性環(huán)境，然后分別加入16 mL、20 mL、24 mL和30 mL的過(guò)氧化氫(30%濃度)來(lái)構(gòu)建四種不同工況。依照體積等比的原則，實(shí)驗(yàn)下的四種過(guò)氧化氫工況可換算至M310及相似類型的壓水堆機(jī)組在氧化階段300 m3水裝量下所需的實(shí)際過(guò)氧化氫(通常使用30%濃度)，分別為12 L、15 L、18 L、22.5 L。通過(guò)對(duì)比分析得出最低沉積量的過(guò)氧化氫含量工況，從而總結(jié)出核電站運(yùn)行系統(tǒng)中最優(yōu)水化學(xué)條件。

彎管測(cè)試樣片取樣位置示意圖如圖3所示。彎管軸向角位置見圖3(a)，在彎管周向角φ=0°(彎管最外側(cè))的截面上，試片序號(hào)1～4號(hào)分別與軸向角30°、45°、60°、75°的位置對(duì)應(yīng)。如圖3(b)所示，在彎管軸向角為θ=45°，2號(hào)位處的截面上，試片序號(hào)2號(hào)對(duì)應(yīng)周向角0°處，5-9號(hào)則分別與60°、120°、180°、240°、300°對(duì)應(yīng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)開始前先進(jìn)行試片和彎管的安裝預(yù)處理。首先使用600目、1 000目的水砂紙打磨試片正面至光亮后，使用無(wú)水乙醇溶解測(cè)試管段硅膠并進(jìn)行干燥，然后將干燥好的試片反面向外嵌入凹槽內(nèi)，并使用硅膠涂覆在測(cè)試管段接縫處，放在室溫下干燥24 h后，最后將測(cè)試管段用螺母安裝于管道中，并用墊片做密封。為了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，流體中的硼酸和單水氫氧化鋰不被除鹽床中的樹脂吸收，預(yù)處理期間對(duì)樹脂進(jìn)行沖洗。

預(yù)處理完成后，開始正式實(shí)驗(yàn)。首先將400 L去離子水注入儲(chǔ)水箱，啟動(dòng)加熱器與PID溫控儀，使溫度加熱至60°，然后將硼酸和氫氧化鋰加入至儲(chǔ)水箱中，開動(dòng)變頻器并調(diào)至相應(yīng)頻率，最終緩慢打開凈化支路閥門至支路流量為30 L/h。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為38 h，分別在第0 h、0～8 h、8～12 h、12～15 h、15～18 h、18～22 h、23 h持續(xù)注藥。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間，同時(shí)創(chuàng)建過(guò)氧化氫工況。從儲(chǔ)水箱取出約1.5 L樣品溶液，并稱量20 mL的30%的H2O2溶液與相關(guān)元素粒子加入樣品溶液。在水浴鍋中加熱至80°后在第23 h時(shí)倒入儲(chǔ)水箱中。取樣時(shí)間分別為0 h、8 h、12 h、15 h、18 h、23 h、24 h、28 h和38 h。

圖3 彎管中(a)軸向角θ和(b)周向角φ的位置

2 結(jié)果與討論

2.1 彎管周向元素沉積特性分析

為了分析確定最佳實(shí)驗(yàn)工況，本文首先對(duì)不同過(guò)氧化氫實(shí)驗(yàn)工況下五種元素的沉積量在周向方向上的分布情況進(jìn)行了分析。由于元素的沉積量數(shù)值較小，為了更直觀分析元素沉積量的變化，定義無(wú)量綱沉積數(shù)如下

(1)

式中Mx——某元素的無(wú)量綱沉積數(shù);

mx——某元素的實(shí)際沉積量數(shù)值;

m0——沉積量權(quán)重值，本文取1×10-10g。

無(wú)量綱值越大說(shuō)明某元素的實(shí)際沉積量越大。

圖4和圖5分別是不同過(guò)氧化氫濃度下Fe元素與Cr元素的無(wú)量綱沉積數(shù)隨周向角的變化(軸向角θ=45°截面)。從圖4中可以看出Fe元素沉積量沿周向分布較為均勻，實(shí)際所需15 L過(guò)氧化氫工況下的無(wú)量綱沉積數(shù)相對(duì)較小。如圖5所示，Cr元素分布與Fe元素的元素沉積量沿周向分布相似，沉積量較為均勻，同樣在實(shí)際所需15 L過(guò)氧化氫工況下，元素沉積量相對(duì)較小。

圖4 Fe元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨周向角的變化

圖5 Cr元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨周向角的變化

圖6表明Mn元素與Fe、Cr元素的周向分布存在明顯差異，Mn元素的無(wú)量綱沉積數(shù)沿周向分布不均勻。不同過(guò)氧化氫濃度下Mn的最大無(wú)量綱沉積數(shù)出現(xiàn)在不同的圓周角位置。12 L和22.5 L過(guò)氧化氫條件下最大無(wú)量綱沉積數(shù)周向角分別為120°和60°，而15 L和18 L過(guò)氧化氫條件下無(wú)量綱沉積數(shù)均在240°周向角處達(dá)到最大值。雖然不同過(guò)氧化氫條件下元素的最大無(wú)量綱沉積數(shù)在不同的位置，但在15 L過(guò)氧化氫條件下，Mn元素?zé)o量綱沉積數(shù)總體上仍然是最小的。

圖6 Mn元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨周向角的變化

圖7表明，Co元素沿圓周方向的無(wú)量綱沉積數(shù)分布比Mn更不規(guī)則，在12 L、15 L、18 L和22.5 L過(guò)氧化氫濃度下，最大無(wú)量綱沉積數(shù)出現(xiàn)在圓周角分別為0°、240°、120°和60°。Co的整體無(wú)量綱沉積數(shù)以18 L過(guò)氧化氫的條件最小。如圖8所示，與其他四種元素的無(wú)量綱沉積數(shù)相比，Ni的無(wú)量綱沉積數(shù)在所有元素中最小，但分布最不均勻。不同工況下無(wú)量綱沉積數(shù)范圍的圓周角位置存在顯著差異。18 L的過(guò)氧化氫條件下的無(wú)量綱沉積數(shù)主要集中在圓周角0°和60°處。通過(guò)分析不同過(guò)氧化氫條件下的元素?zé)o量綱沉積數(shù)，發(fā)現(xiàn)在15 L的過(guò)氧化氫條件下元素?zé)o量綱沉積數(shù)的周向分布最小。元素在彎管周向角15°～345°的區(qū)域沉積較為嚴(yán)重。

圖7 Co元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨周向角的變化

圖8 Ni元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨周向角的變化

2.2 彎管軸向元素沉積特性分析

圖9至圖13分別是Fe、Cr、Mn、Co和Ni五種元素在不同過(guò)氧化氫條件下沿彎頭軸向方向的沉積分布情況(周向角φ=0°截面)。如圖9所示，不同過(guò)氧化氫條件下Fe元素的無(wú)量綱沉積數(shù)沿軸向變化不同。12 L過(guò)氧化氫下Fe元素沿軸向的無(wú)量綱沉積數(shù)先增加后減少，而在22.5 L過(guò)氧化氫條件下，沉積數(shù)的變化則相反。在15 L過(guò)氧化氫的條件下，F(xiàn)e元素的無(wú)量綱沉積數(shù)的平均值為0.652，相對(duì)較小。但22.5 L過(guò)氧化氫條件下Fe元素的無(wú)量綱沉積數(shù)具有較大值，在30°軸向角處達(dá)到2.083。圖10表明Cr元素的無(wú)量綱沉積數(shù)在12 L和22.5 L過(guò)氧化氫條件的變化趨勢(shì)與Fe元素相同。Cr元素在18 L過(guò)氧化氫條件下沉積量先增加后減少，而Fe元素的無(wú)量綱沉積數(shù)在相同條件下緩慢減少。沿軸向變化的整體分析表明，Cr元素的無(wú)量綱沉積數(shù)在15 L過(guò)氧化氫的條件下最小，而Cr元素的無(wú)量綱沉積數(shù)在12 L過(guò)氧化氫條件下最大。

圖9 Fe元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨軸向角的變化

圖10 Cr元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨軸向角的變化

圖11 Mn元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨軸向角的變化

從圖11可以看出，不同過(guò)氧化氫條件下Mn元素的無(wú)量綱沉積數(shù)的軸向變化趨勢(shì)與Cr元素一致。然而，Mn元素的無(wú)量綱沉積數(shù)明顯小于Fe元素和Cr元素?？傮w而言，在15 L過(guò)氧化氫條件下，Mn元素的無(wú)量綱沉積數(shù)相對(duì)較少。圖12表明Co元素和Fe元素之間的無(wú)量綱沉積數(shù)的變化也是相似的。元素Co和Fe的區(qū)別在于18 L過(guò)氧化氫條件下的變化是相反的。在軸向角范圍內(nèi)，15 L過(guò)氧化氫條件下的無(wú)量綱沉積量在75°軸向角處達(dá)到最小值0.037 94。圖13描述的是Ni元素沿軸向上的沉積分布規(guī)律。在圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同過(guò)氧化氫條件下Ni元素的沉積量與其他四種元素相比保持在最低水平，并且沿軸向角度波動(dòng)很大，這明顯與其他元素不同。元素在彎管軸向角30°～75°的區(qū)域沉積較為嚴(yán)重。

圖12 Co元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨軸向角的變化

圖13 Ni元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨軸向角的變化

圖14 不同H2O2體積下五種元素的總沉積量

2.3 彎管元素沉積量分析

本文分析了四種過(guò)氧化氫實(shí)驗(yàn)條件下Fe、Cr、Mn、Co和Ni元素的的沉積量，可以直觀分析了核電站的最佳工況。圖14顯示了所有元素在不同過(guò)氧化氫濃度下的總沉積量。隨著過(guò)氧化氫濃度的增加，所有元素的總沉積量先減小后增加，說(shuō)明沉積實(shí)驗(yàn)中存在一個(gè)最優(yōu)的過(guò)氧化氫濃度值，可以使管道中各元素的無(wú)量綱沉積數(shù)最小。在15 L過(guò)氧化氫條件下的最小總沉積量是1.67×10-9g。15 L過(guò)氧化氫的工況對(duì)應(yīng)的最佳化學(xué)環(huán)境為20 mL H2O2和0.6 mg/kg LiOH。

由于所有元素的總沉積量不能反映單個(gè)元素的沉積情況，本文進(jìn)一步分析了各元素沉積之間的差異。圖15顯示了不同過(guò)氧化氫條件下各元素的總沉積量。如圖15所示，各種元素對(duì)應(yīng)的最佳過(guò)氧化氫條件不同，但主要集中在15 L和18 L兩個(gè)工況。Fe和Co在18 L過(guò)氧化氫工況下沉積量最小，Cr、Mn和Ni三種元素在15 L過(guò)氧化氫工況下有最小沉積量。另外，F(xiàn)e和Cr元素的沉積量遠(yuǎn)大于其他三種元素，Ni元素的沉積量在五種元素中最小。四種工況下的Ni元素沉積量最小值分別為2.04×10-10g、1.23×10-10g、1.45×10-10g和1.75×10-10g。

圖15 不同H2O2體積下單個(gè)元素的沉積量

3 結(jié)論

水化學(xué)環(huán)境是影響壓水堆核電站堆外輻射場(chǎng)強(qiáng)度的重要因素。為確定核電站實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的最佳水化學(xué)環(huán)境，進(jìn)而為核電站運(yùn)行期間的輻射防護(hù)創(chuàng)造有利條件，本文基于壓水堆核電站的主要運(yùn)行設(shè)施及其位置排布，搭建了一回路活化腐蝕產(chǎn)物沉積特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)，研究不同過(guò)氧化氫含量下主要活化腐蝕產(chǎn)物(Fe、Cr、Mn、Co和Ni)沿彎管周向和軸向上的沉積特性。主要結(jié)論如下：

(1)Fe、Cr、Mn、Co和Ni五種元素的無(wú)量綱沉積數(shù)分析表明，彎管中腐蝕產(chǎn)物在軸向角30°～75°與周向角15°～345°區(qū)域沉積較為嚴(yán)重。

(2)主要活化腐蝕產(chǎn)物的總沉積量分析表明，隨著過(guò)氧化氫濃度的增加，活化腐蝕產(chǎn)物總沉積量先減小后增加，15 L過(guò)氧化氫條件下的最小總沉積量是1.67×10-9g。

(3)采用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)得到的最佳水化學(xué)環(huán)境是加入20 mL H2O2(30%濃度)并維持0.6 mg/kg LiOH。以典型的M310機(jī)組為例，其氧化階段一回路水裝量為300 m3，按照本文中的換算關(guān)系，實(shí)際機(jī)組最佳水化學(xué)環(huán)境為注入15L H2O2(30%濃度)并維持0.6 mg/kg LiOH，核電站在該工況下實(shí)施氧化操作，可以有效抑制Ni元素和Cr元素的沉積。