桂璐廷

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海200233）

0 引言

離子交換技術(shù)是目前為止應(yīng)用最廣泛、最有效的核電一回路水凈化處理技術(shù)。在CAP1000電站中，通過化容系統(tǒng)的樹脂床來將反應(yīng)堆冷卻劑的純度和放射性水平維持在可接受的限值以下。通過去除反應(yīng)堆冷卻劑中離子形式或顆粒形式的裂變產(chǎn)物、活化產(chǎn)物、離子雜質(zhì)和腐蝕產(chǎn)物，化容系統(tǒng)可以維持反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的化學(xué)性質(zhì)。目前，CAP1000的化容系統(tǒng)設(shè)置有兩臺混床和一臺陽床，每臺樹脂床的樹脂裝量均為1.42m3?；齑矁?nèi)以2∶1的比例分別裝填了OH型陰樹脂和Li型陽樹脂；陽床內(nèi)則全部裝填了H型陽樹脂。根據(jù)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，這3臺樹脂床均需在停堆期間進(jìn)行更換，因此在每個換料周期會產(chǎn)生4.26m3的帶放廢樹脂［1］。本文將探討通過對樹脂床配置的改動來減少放射性廢物產(chǎn)生量的可行性。

1 運(yùn)行現(xiàn)狀［1］

AP系列電站的化容系統(tǒng)通過混床去除離子態(tài)腐蝕產(chǎn)物和一些離子態(tài)裂變產(chǎn)物。通常一臺混床運(yùn)行，另一臺混床備用。備用混床可作為除硼床，以減少燃料壽期末調(diào)硼所產(chǎn)生的放射性廢液量。陽床可以作為混床凈化的補(bǔ)充，在燃料破損時提供進(jìn)一步的凈化；同時陽床還可以去除反應(yīng)堆冷卻劑中多余的鋰。正常運(yùn)行期間陽床只在除鋰時投入，使用率很低。但由于僅有一臺除鋰床，因此該臺陽床必須在停堆時更換，以保證下一循環(huán)期間的除鋰能力。

2 改進(jìn)方案

根據(jù)EPRI［2］的建議，為了減少廢樹脂的產(chǎn)生量，可設(shè)置兩臺并聯(lián)的陽床，其中一臺使用鋰型陽樹脂，一臺使用氫型陽樹脂。鋰型陽床用于正常運(yùn)行期間的凈化，氫型陽床用于除鋰或在必要時除銫。在這兩臺陽床前設(shè)置兩臺陰床，其中一臺陰床用于正常凈化，一臺陰床用于在壽期末除硼，設(shè)置方式與原設(shè)計(jì)一致。一臺氫型陽床可通過除鋰操作來進(jìn)行鋰化，并在下一次燃料循環(huán)期間作為正常凈化的陽床使用。

考慮到原混床內(nèi)陰樹脂容積為0.95m3，陽樹脂容積為0.47m3。為了保證改進(jìn)后的凈化效率至少與原設(shè)計(jì)一致，在改進(jìn)方案中設(shè)置了四臺樹脂床，包括兩臺陰床和兩臺陽床，所有樹脂床的樹脂裝量均為0.95m3。正常運(yùn)行期間，凈化用陰樹脂量為0.95m3，與原設(shè)計(jì)一致；凈化用陽樹脂也為0.95m3，比原設(shè)計(jì)增加100%；用于除鋰的陽樹脂量為0.95m3，比原設(shè)計(jì)減少33%。

根據(jù)樹脂樣本，凈化流量應(yīng)為8～50BV／h。現(xiàn)在每個樹脂床的容積均為0.95m3，因此適用的凈化流量范圍為7.6～47.5m3／h。AP系列電站化容系統(tǒng)的凈化流量為22.7m3／h，滿足現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

3 可行性論證

3.1 除鋰能力

由于一回路冷卻劑中的硼酸使冷卻劑pH處于酸性范圍，為了減少金屬腐蝕，會加入LiOH作為pH控制劑。由于Li－6中子吸收截面很大（960b），在堆內(nèi)會生成大量的氚，因此一般采用高純的 Li－7來作為pH 控制劑［3］。

Li－7的中子吸收截面很低（0.039b），一般不產(chǎn)生感生放射性。同時，冷卻劑中的B－10的中子反應(yīng)會產(chǎn)生 Li－7［3］：

其反應(yīng)速度正比于單位冷卻劑體積重靶核密度（硼濃度）與中子通量的乘積，中子通量又與堆功率成正比。對于堆功率為2 750MW 的核電站，冷卻劑硼濃度為1 000mg／L 時，Li－7濃度增值約為每天106μg／L。以冷卻劑質(zhì)量為200t計(jì)，則每天將產(chǎn)生20g的Li－7?？紤]到反應(yīng)堆冷卻劑硼濃度是呈直線下降的，因此取Li－7的日平均產(chǎn)量為10g，則在一個燃料循環(huán)壽期內(nèi)大約會產(chǎn)生6kg的Li－7。

由于過高的鋰濃度會加速鋯合金腐蝕，因此在功率運(yùn)行期間鋰濃度限值為3.5mg／L，在熱態(tài)零功率期間濃度限值為6mg／L。隨著硼濃度的降低，在壽期末鋰濃度可低至0.2mg／L［4］。

以6mg／L來估算，在運(yùn)行初期溶解在整個反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中大約有2kg的Li－7；在一個燃料循環(huán)內(nèi)B－10的中子反應(yīng)大約會產(chǎn)生6kg的Li－7；保守估計(jì)從鋰型樹脂床上會有大約1kg的Li－7被其他陽離子置換出來。由于堆芯內(nèi)其他損耗考慮有50%的裕量，因此假設(shè)一個燃料循環(huán)內(nèi)除鋰床大約需要去除13.5kg的Li－7。

以羅門哈斯公司的核級氫型陽樹脂Amberlite IRN 99為例，其體積全交換容量為2.4eq／L。除鋰所使用的陽樹脂容積為0.95m3，鋰離子為1價(jià)，單位摩爾重量為6.94g。根據(jù)公式：

式中，MLi為除鋰量（kg）；Ex為樹脂交換容量（eq／L）；n為鋰離子與樹脂結(jié)合時所體現(xiàn)的價(jià)位；V為樹脂容積（m3）；m為鋰的單位摩爾質(zhì)量（g）。

根據(jù)計(jì)算，0.95m3的 Amberlite IRN 99理論除鋰量為15.8kg，滿足除鋰容量的要求。

3.2 除硼和凈化效果

改進(jìn)后的方案中陰樹脂量與改進(jìn)前一致，陽樹脂量比改進(jìn)前增加100%。因此改進(jìn)后陰樹脂的除硼和凈化效果應(yīng)不會比改進(jìn)前降低。但考慮到除鋰陽床已使用了一個燃料壽期，其交換容量可能會因?yàn)檩椪盏仍蚨陆担?］。

受輻照后交換容量的下降程度與樹脂交聯(lián)度有關(guān)。隨交聯(lián)度（DVB）的不同，在經(jīng)過一個燃料循環(huán)的輻照后，交換容量會降低5%～30%，DVB越高則交換容量下降越少。在化容系統(tǒng)中一般選用DVB為16%的核級樹脂，因此保守估計(jì)其交換容量不會降低超過10%。參考鋰型陽樹脂Amberlite IRN 318的交換容量，降低后的交換容量仍可達(dá)2.16eq／L。根據(jù)表1，反應(yīng)堆冷卻劑中主要的陽離子雜質(zhì)為鋰（1價(jià)）、鋁（3價(jià)）、鈣（2價(jià)）和鎂（2價(jià)）。

表" 反應(yīng)堆冷卻劑水化學(xué)限值

陽樹脂容積為0.95m3，根據(jù)公式：

式中，Vpurification為能夠凈化的水量（m3）；Ex為樹脂交換容量（eq／L）；Vresin為樹脂容積（m3）；G 為陽離子濃度（mg／L），不考慮鋰離子；M為陽離子的單位摩爾質(zhì)量（g）；n為陽離子與樹脂結(jié)合時所體現(xiàn)的價(jià)位。

根據(jù)計(jì)算，如假設(shè)進(jìn)入樹脂床的反應(yīng)堆冷卻劑始終維持表1中的陽離子濃度，則0.95m3經(jīng)過鋰化的陽樹脂可以凈化25 650m3的反應(yīng)堆冷卻劑。AP系列電站的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)裝量大約為300m3，考慮到在正常運(yùn)行期間通過金屬表面腐蝕、補(bǔ)水等途徑帶入系統(tǒng)的陽離子數(shù)量有限，因此改進(jìn)后的陽樹脂床應(yīng)有能力滿足正常運(yùn)行的需要。

根據(jù)其他電站的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，由于在正常運(yùn)行期間水質(zhì)控制比較嚴(yán)格，因此反應(yīng)堆冷卻劑中的無機(jī)離子濃度都很低。在這種背景濃度下，樹脂床對于無機(jī)離子的去除效果有限。因此，對于陽樹脂凈化水量的計(jì)算是保守的。改進(jìn)后的方案能夠滿足正常運(yùn)行的需要。

3.3 經(jīng)濟(jì)分析

AP系列化容系統(tǒng)改進(jìn)后每個燃料循環(huán)可以減少鋰型樹脂使用量0.95m3，減少放射性樹脂廢物1.42m3。根據(jù)EPRI數(shù)據(jù)，B／C類廢物［6］處置的理論價(jià)格是33 900美元／m3［2］。實(shí)際處理價(jià)格約為理論價(jià)格的2～3倍［2］。根據(jù)現(xiàn)在的減容工藝，每立方米樹脂可減容約30%。因此化容樹脂的最終處置價(jià)格可能為47 460～71 190美元／m3。而鋰型樹脂價(jià)格約為400 000元／m3。改進(jìn)后的化容系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅能夠減少前期樹脂的采購費(fèi)用，也可以減少后期放射性固體廢物的處理費(fèi)用。

4 結(jié)論

本文中將原系統(tǒng)中的3個1.42m3的樹脂床更換為4個0.95m3的樹脂床后，正常運(yùn)行期間可以使用1個混床和1個陽床，參與凈化的樹脂比原設(shè)計(jì)多33%。但除鋰床會在下次燃料循環(huán)時作為凈化床再次使用，因此廢物產(chǎn)生量反而比原設(shè)計(jì)減少了33%。雖然改進(jìn)后除鋰床容量有所減少，而且在經(jīng)受長期輻照后交換容量有所降低，但核級樹脂由于其交聯(lián)度較大，降級幅度有限。根據(jù)核算，現(xiàn)有的樹脂容積和交換容量不影響下一個燃料循環(huán)期間的使用。改進(jìn)后使用單獨(dú)的陰床作為除硼床，其除硼能力與原設(shè)計(jì)一致，同時該陰床也可作為另一臺陰床的備用。

減少放射性廢物的產(chǎn)生一直是核電站關(guān)注的問題，尤其是直接與反應(yīng)堆冷卻劑接觸的化容系統(tǒng)樹脂，一般都含有較多的長半衰期核素。經(jīng)過本文的改進(jìn)后，每個燃料循環(huán)可以減少鋰型樹脂使用量0.95m3，減少放射性樹脂廢物1.42m3。按照現(xiàn)有的樹脂價(jià)格和中放廢物處置價(jià)格，可以產(chǎn)生客觀的經(jīng)濟(jì)效益。最重要的是，減少了放射性固體廢物的產(chǎn)生量。

［1］孫漢虹.第三代核電技術(shù)AP1000［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］EPRI.Utility Position Report on Significant Design Considerations for the Westinghouse AP1000LLW Management Program［Z］，2006.

［3］徐秀萍.核電廠化學(xué)分析和監(jiān)督［M］.北京：國核大學(xué)出版社，2013.

［4］EPRI.PWR Primary Water Chemistry Guidelines［Z］，1999.

［5］李華，馬燕，肖艷，等.西安脈沖堆水凈化系統(tǒng)混床廢樹脂的性能變化［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2010，44（1）：25－29.

［6］U.S.Nuclear Regulatory Commission Regulations：Title 10，Code of Federal Regulations，Part 61［Z］，2014.