核电厂大修氧化运行分析与改进

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 核电厂大修氧化运行分析与改进 【摘 要】核电站主回路中腐蚀 产物的氧化净化是核电站大修的辐射源 项控制中最重要的一环。本文通过对比 两种氧化运行方式，强调了强迫氧化运 行在大修中的重要性，然后分析了核电 厂主要的大修辐射源项，并分析了如何 通过运行、化学控制多方面提高氧化运 行的效率，最后对于氧化运行发现的问 题提出了自己的建议。 中国论文网 /8/view-12936477.htm 【关键词】氧化运行；大修；双 氧水；放射性 中图分类号： TM623 文献标识 码： A 文章编号： 2095- 2457（2018）04-0005-004 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 Analysis and improvement of Qinshan nuclear power plant overhaul oxidation operation SUN Chao WEI Jun-an WANG Ji- huan HE Bin （CNNC Nuclear Power Operation and Management Co.， Ltd. Haiyan ，Zhejiang） 【Abstract】Nuclear power plant oxidation corrosion product in the main loop of purification is the most important part of nuclear power plant overhaul of the radiation source control. In this paper， by comparing the two kinds of oxidation operation mode ，emphasizes the importance of forced oxidation operation of overhaul， and then analyzed for nuclear the main radiation source of power plant overhaul ，and analyses how to improve the efficiency of oxidation operation by chemical control and -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 operation ，finally put forward own proposal in the oxidation operation problems. 【Key words】Oxidation operation； Overhaul； hydrogen peroxide； Radioactive 0 前言 在核 堆核电厂，工作人员年 集体剂量的 80% 以上来源于换料大修 中对一回路设备的检修，核电厂核岛主 系统及辅助系统有很多维修工作，如 2014 年某核电机组第 15 次换料大修检 修项目多达 3784 项，其中多半在核岛 系统。由于大部分工作接触放射性，运 行和检修人员长期暴露在这种环境中势 必会对生理健康构成伤害，此外核电厂 大修均设置大修综合指标用于衡量大修 质量和大修的控制水平，其中对辐射安 全方面提出了很高要求，如集体剂量、 最大个人剂量、体内污染、体表污染、 区域污染事件、放射性固体废物产生量、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 废液超限值排放次数等都与大修期间辐 射控制紧密相关。由此看来，如何降低 大修期间系统设备放射性水平就成为一 项至关重要的前提工作。 在停堆过程中，由于溶于反应堆 的放射性气体（主要是惰性气体和碘） 都通过稳压器和容控箱扫气的方式除去 了，系统的放射性主要是功率运行期间 产生的活化腐蚀产物，主要分布于堆芯、 冷却剂和其它主系统设备、管道及其相 连接系统的设备和管道里。目前大多数 核电厂都采用停堆过程中选择合适的时 机进行氧化运行，从而去除系统设备这 些活化腐蚀产物，有效控制这部分辐射 源项可大大降低大修的集体剂量。 1 氧化运行简介 1.1 氧化运行原理与特点 核电厂氧化运行分为强迫氧化运 行和自然氧化运行。两种方式存在差异， 但基本原理一致，都是通过与主系统中 的腐蚀活化产物进行氧化反应，使其从 堆芯和管道的表面剥落进入冷却剂中， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 使这些腐蚀活化产物被化容系统的净化 床和过滤器捕获，从而到达降低主系统 放射性的目的。 （1）强迫氧化运行：反应堆在 停堆过程中，主系统降温至 80左右， 达到双氧水适宜的氧化反应温度，快速 将适量一定浓度的双氧水通过化容系统 添加箱注入到主系统中。这种氧化运行 方式的特点是氧化反应比较剧烈，效率 较高，腐蚀活化产物能够迅速从管道上 剥离而被化容净化床和过滤器吸收，在 相对较短的时间内达到降低主系统放射 性的目的。 （2）自然氧化运行：停堆过程 中主系统降温降压达到 50，压力达到 常压时，开启稳压器通大气阀 V01- 07A/B。紧接着主系统排水至 4.9 米， 开堆顶放气阀，拧出 48 个主螺栓，反 应堆顶盖吊出，至此主系统冷却剂完全 与大气相通。随着压力边界开孔，空气 进入系统内部后产生一定的弱氧化作用， 促使腐蚀产物进一步剥离而进入冷却 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 剂中，与强迫氧化运行相比，由于空气 中氧含量较小，且主系统的流量有限， 所以这种氧化运行方式极其缓慢。 1.2 两种氧化运行方式的实际对 比 （1）在压水堆机组的停堆降温 过程中，随着主系统硼化和温度降低， 运行期间附着于堆芯内部构件表面、主 系统设备和管道内壁的腐蚀活化产物以 粒子形式溶解于主冷却剂中，使主冷却 剂活度浓度会逐渐升高，主泵停运后， 由于流速降低，过滤和净化效率下降， 导致主系统中放射性核素浓度继续上升。 在没有采用强迫氧化运行时，随着压力 边界开孔，空气进入系统内部后产生一 定的弱氧化作用，促使腐蚀产物进一步 剥离而进入水中，主冷却剂的放射性水 平明显升高，且延续时间较长。图 1 显示了某核电厂第一次换料大修时上述 过程的变化趋势。根据历史经验现场的 辐射水平会在低水位时达到峰值。同时， 在卸料前进行换料水池充水时，较多的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 腐蚀活化产物由堆芯进入换料水池，使 换料水池水中的辐射水平增加，也使换 料操作区域的辐射水平升高。在开展检 修作业时，大修集体剂量将因作业现场 辐射水平的增加而增加，如泵体、阀门 的检修、SG 堵板和卸料作业等，同时 也会增加检修作业时人员、设备和场所 的污染风险。 （2）某核电厂在 第二次换料大修的停堆过程中进行了氧 化运行试验。氧化运行时主冷却剂活度 浓度变化趋势如图 2。主系统温度低于 180时，腐蚀活化产物活度浓度明显 上升，说明随着 PH 值降低和温度下降， 有大量腐蚀活化产物溶解进入主冷却剂。 注入双氧水后， 主冷却剂活度浓度迅 速上升，当溶解氧浓度达 1ppm 时出现 峰值，但主泵未停，大流量下泄流通过 化容系统的过滤和净化作用使其活度浓 度迅速下降。与图 1 相比较，氧化运行 能在较短的时间内降低主冷却剂活度浓 度，为大修作业创造了较好的现场环境 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 条件，如图 3 所示，SG 室辐射水平得 到有效降低。 2 大修主要辐射源项在系统中的 分布 从多次大修中测得的现场剂量来 看，在核岛众多系统中，以下系统存在 着较大的放射性：化学与容积控制系统、 停堆冷却系统、过剩下泄系统、取样系 统、疏排水系统、稳浩髋缌芄芟吆托 寡古欧殴芟叩取旅嬷鹨环治鲋骼淙醇 料低臣吧鲜龈飨低车姆派湫郧榭觯 2.1 主冷却剂系统 某核电厂一回路主系统是一个闭 式二环路，主要由压力容器、主泵（2 台） 、蒸汽发生器（2 台） 、稳压器（ 1 台）和主管道组成。辐射源项从压力容 器的堆芯活性区产生，由于主冷却剂的 高速流动，在多种因素的作用下沉积于 上述主要设备的内表面，造成设备内表 面的污染。压力容器顶盖和下封头部件 的辐射也是堆芯污染扩散所致。 尽管主冷却剂的流量达到 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 30000m3/h 左右，但设备内表面的辐射 水平仍有较大的差别，这主要取决于设 备内表面的结构。在正常工况下，蒸汽 发生器、主泵和主管道等主设备在停堆 一周后内表面的剂量率为 20- 30mGy/h（大修期间对开口部位的直接 测量数据） ，局部可高达 100mGy/h。上 述几个主设备的壁厚达到 70mm 左右， 起到了良好的屏蔽效果，外表面的辐射 剂量率仅 0.3-1mGy/h。而化容系统、停 冷系统和安注系统等与主管道接口的死 管段，受结构的影响而无法彻底净化， 容易形成放射性热点，管道外表面剂量 率可高达 10mGy/h 以上。 2.2 化学与容积控制系统 化学和容积控制系统包括再生热 交换器、下泄热交换器、过滤器、树脂 床、容控箱和上充泵等。一回路的下泄 流经过滤器和树脂床去除了存在于冷却 剂中的固态和离子态放射性物质，在净 化系统前端的设备内冷却剂的活度浓度 较高，使得设备、管道内表面污染严重， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 设备外表面剂量率较高，尤其是结构复 杂的设备如再生热交换器、下泄孔板和 下泄热交换器，在冷停堆的过程中，较 大放射性颗粒在设备、管道内表面沉积 后，外表面剂量率达 15mGy/h。过滤 器和净化床吸附了大量的放射性物质， 废过滤器滤芯表面剂量率达几百 mGy/h，净化床表面剂量率超过 1 Gy/h。而净化系统后端的设备，包括容 控箱和上充泵等，冷却剂经净化效率超 过 90% 的净化设备过滤后，其外表面 的辐射剂量率小于 0.1mGy/h。 2.3 停堆冷却系统 停堆冷却系统承担了停堆过程中 的余热导出功能，属于安全相关系统。 反应堆从功率运行至停堆过程中 （4A、4B 模式） ，随着温度、压力的下 降，燃料组件表面的放射性颗粒会逐步 脱落至冷却剂，并且在停冷系统投入冷 却剂后冷却至 80左右时冷却剂活度浓 度达到最大值。因此，停冷系统是污染 最严重的系统之一，停冷泵、停冷热交 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 换器、阀门和管道外表面剂量率达 0.5- 2mGy/h，最高可达到 10mGy/h。 3 核电厂大修氧化运行的良好实 践与分析 前文通过对比得出强迫氧化运行 所具有的优势，对核岛主、辅系统辐射 源项分布的情况作了论述。其实通过运 行、化学等多方面的控制，完全可以通 过氧化运行大幅度的降低这些放射性。 接下来介绍一些氧化运行经验并加以分 析，看如何使氧化运行的效率达到最大 化。 3.1 氧化运行的化学影响因素和 应对措施 双氧水仅含有氢和氧元素，发生 反应不会引入其他杂质离子，因此核电 厂一般选择双氧水作为氧化剂。它的氧 化反应受诸多因素影响，主要有双氧水 的浓度和用量、温度、PH 值、冷却剂 中的 H2 等。可在运行和化学方面进行 严格控制，从而保证双氧水在主系统中 充分发挥其氧化作用。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 （1）核电厂采用瓶装双氧水， 化学成分为 H2O2，历次大修浓度均为 30%。用量遵循的原则是：双氧水与主 系统中溶解氢反应之后，依靠自身分解 至少还能保证主系统冷却剂中的氧浓度 在 5ppm 以上。由于双氧水化学性质不 稳定，在常温下也会发生分解反应 2H2O22H2O+O2。纯的过氧化氢在 常温常压下可以自然分解，由于分解活 化能较高，过氧化氢在低温、避光、无 催化剂存在时分解速率并不大。实验证 明，在 30下，纯的过氧化氢或者高浓 度的过氧化氢溶液的分解率为 1%/年， 100下，分解率为 2%/天。因此 30% 浓度的瓶装双氧水溶液只需要确保在运 输途中和使用过程中尽量做到低温、避 光、不发生剧烈的晃动、避免和催化剂 接触，应该不会大量的发生分解反应。 这就要求氧化运行人员做到： 1）使用正规厂商新制的双氧水 溶液。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 2）尽量缩短双氧水的添加时间， 防止在环境中就发生了分解。 3）分析人员精确计算氧化运行 所需要的双氧水的用量，防止出现不够 量的情况。为了氧化运行的整体效果， 应该一次性添加足够量的双氧水。 4）将双氧水倒入到化容系统的 添加箱时，要确保箱体已经使用除氧水 进行了多次的冲洗，一方面避免添加箱 含有的杂质被带入到主系统，另一方面 避免箱体内表面附着了金属离子催化剂 加速了过氧化氢的分解。 （2）从主冷却剂放射性活度浓 度变化趋势图中我们看到随着硼化和温 度的降低，大量的活化腐蚀产物从堆芯 和管壁剥落下来进入到主系统，根据这 一点可以在中间停堆 B 阶段，继续降温 从 18080过程中，保持尽可能快 的降温速度，接近 28/h， （主系统冷 却到 80前，设冷水的热负荷会变得很 大，必须保证设备冷却水系统及一回路 海水系统两个系列可运行）紧接着双氧 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 水在 4B 阶段主系统温度达到 80时被 加入主系统，因为这个温度对应的是该 阶段主系统压力下的氧化反应最佳温度 值。 （3）影响主系统 PH 值的 主要是硼酸的浓度和 LiOH 的浓度。其 中硼酸在停堆的 4B 阶段达到了 2400ppm，浓度很高，硼酸的酸性随着 温度的降低逐渐变大，但是硼酸属于弱 酸性，浓度和温度的变化对主系统 PH 的贡献不算太大，真正影响主系统 PH 值的是强碱 LiOH。在功率运行时为了 防止主系统设备在酸性环境下被氧化腐 蚀，需要向主系统添加 LiOH 来调节 PH 使系统偏碱性，功率运行时的 PH 大约为 7.2-7.4。由于硼吸收中子变成了 Li，所以要不断通过各种运行方式来控 制 Li 的浓度以维持 PH 在一定的范围内 （1、初期通过备用的净化床进行除锂。 2、通过除锂床全流量除锂 3、通过换水 的方式间接去除主系统中的锂） 。由于 双氧水氧化反应的最佳 PH 值在 3.5 左 右（STP ） ，所以在停堆前尽量的降低主 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 系统中的 Li 浓度，降低系统的 PH 值。 （4）由于水在堆芯会发生辐照 分解反应生成氧，而氧在功率运行期间 容易造成设备的腐蚀，正常情况下通过 维持化容容控箱的 H2 压力在 0.1- 0.16MPa，以维持主冷却剂溶解氢浓度 为 25-35ml/kgH2O（STP 标准状态下） 的方式来抑制水的辐照分解。然而主系 统含有大量氢是氧化运行不得不考虑的 问题，在向主系统注入双氧水进行氧化 运行前，要分步降低主系统氢浓度： 1）降功率前 3 天：关闭容控箱 的氢气供应管线的阀门，同时打开供氮 气阀门维持容控箱的压力。间断开启稳 压器扫气，容控箱扫气至衰变箱，使主 环、稳压器的溶解氢浓度控制在约 20ml/kgH2O。 2）降功率前 24 小时：主环、稳 压器的溶解氢浓度控制在 15ml/kgH2OCH220ml/kgH2O。 3）降功率前 12 小时：主环、稳 压器的溶解氢浓度控制在 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 5ml/kgH2OCH215ml/kgH2O。 4）RCS 在热停堆工况：主环、 稳压器的溶解氢浓度控制在 3ml/kgH2O，容控箱气态氢控制在 2%。 5）主系统从热停堆至 4B 工况： 继续进行稳压器、容控箱扫气，主环、 稳压器的溶解氢浓度控制在 3ml/kgH2O，容控箱气态氢控制在 2%。 6）主系统达 80，确认 RCS、PZR 溶解氢3ml/kgH2O、VCT 气态氢2% 。向主系统中注入双氧水。 （5）氢气浓度的有效控制可以 防止出现各种氢爆的可能。在向主系统 添加了双氧水之后，冷却剂中的氧含量 会不断升高，一部分氧气在容控箱释放 出来，造成压力升高，所以在注入p 氧水之后要做如下操作： 1）隔离容控箱氮气并供压空进 行持续的扫气。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 2）通过取样系统管线直接将容 控箱中的含氧废气（放射性很低）排到 烟囱中去。 3）提前准备一个空衰变箱做含 氧接受。这是为了防止废气管线阀门动 作排放到衰变箱，因此最好修改废气排 放的压力定值，稍微调高防止废气排放 阀频繁动作。 3.2 运行控制方式对氧化运行的 影响 除了化学因素以外，良好的运行 方式的控制对于氧化运行的效果也起到 了很大的作用。 （1）停冷系统的运行方式控制： 氧化运行后腐蚀产物会在流量小，管径 小的管道和设备中堆积。如果两个停冷 系列同时运行，一列作冷却，一列作低 压下泄运行，作压下泄的系列最大流量 为 19m3/h，而参与循环冷却的停冷系 列中的流量为 450m3/h，由此作低压下 泄的停冷系列的流量仅为循环冷却系列 流量的 4.2%。流量差异很大，会造成 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 18 大部分活化腐蚀产物在低压下泄的系列 堆积，导致放射性大大增加，因此如果 两个停冷均投入运行，则应在停主泵前 5 小时切换。作低压下泄运行的停冷系 列放射性很大，切换成冷却（大流量） 运行后，该列沉积的放射性重新回到主 系统，导致主系统放射性核素增加，因 此需延长主泵运行时间。为减少对停冷 系统的污染，只投入停堆冷却系统一个 系列运行进行堆芯冷却及低压下泄，将 大修期间检修项目较多的系列作备用， 只进行硼化操作。根据大修计划项目， 并在大修前确定氧化运行期间停冷系统 的运行方式，即是否只投入一个停冷系 列及哪个系列参与氧化运行。此外过剩 下泄由于流量较小，仅为 2.2m3/h，所 以应在氧化运行期间隔离过剩下泄管线。 在主泵停运后将 V02-002 至 V02-043 之 间的下泄管线隔离，以便降低下泄管系 辐射水平。 （2）与主环相连的死管中有大 量的放射性物质积聚，在氧化运行后对 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 19 这些管道进行清洗，可有效降低现场剂 量。如备用上充管道和停冷系统热段注 射支管，停冷系统运行时热段注射支管 的出口阀始终处于关闭，氧化运行时产 生的活化产物在这里堆积，严重增加了 管道附近的剂量水平。同样的问题还出 现在一些流量较小的管线，如取样管线 和硼浓度测量管线。 （3）为了使双氧水能够发挥最 大氧化效果，要防止双氧水进入一些循 环流动性差的管道和设备中。如辅助喷 淋管线在主系统降温到 120时，打开 了辅助喷淋阀用于加快降低稳压器中的 温度。应在添加双氧水前关闭辅助喷淋 阀 V02-006。 （4）由于主泵运行时主系统冷 却剂流量较高，有助于提高氧化运行的 效率，所以应该在氧化运行结束之后才 能停止主泵运行，为此设置了停主泵的 化学条件，确认主系统核素分析连续两 次达到停止主泵指标：总 2.00E+7Bq/L、Sb1221.50E+7Bq/L、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 20 Sb1247.00E+6Bq/L、Co585.00E+5Bq/ L、I1315.00E+4Bq/L 、Xe1332.00E+5 Bq/L。同时还可以综合参考现场主