楊建鋒，秦慧敏，劉嬋云

(上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233)

在壓水堆中，液體10B控制毒物硼酸作為化學(xué)控制手段，與控制棒一起組成反應(yīng)性控制系統(tǒng)，分別用于控制慢的和快的反應(yīng)性變化。天然豐度的硼酸中10B含量僅占19.9%左右(原子分?jǐn)?shù))，其余都是中子吸收能力很弱的11B。在壓水堆核電廠一回路冷卻劑/慢化劑中采用富集10B的硼酸，可以提高化學(xué)控制手段的反應(yīng)性控制能力，從而降低堆芯運(yùn)行硼酸濃度要求，特別是壽期初硼酸濃度。硼酸濃度的降低有利于提高燃料循環(huán)壽期初一回路冷卻劑/慢化劑的pH(或者降低鋰濃度)，從而有利于降低燃料包殼的腐蝕、降低應(yīng)力腐蝕引起的蒸汽發(fā)生器管束破裂風(fēng)險，對改善系統(tǒng)和設(shè)備的腐蝕都有一定的好處。硼酸濃度的降低還有利于改善冷卻劑的工作環(huán)境，減少結(jié)晶和沉淀；減少化學(xué)試劑添加量、減輕凈化處理的工作負(fù)荷，延長一回路中新鮮硼酸的替換周期。根據(jù)公開文獻(xiàn)報道，富集10B硼酸的優(yōu)勢，主要通過兩個方面表現(xiàn)出來：一是10B增加，二是硼酸濃度降低。其優(yōu)勢總結(jié)如表1[1-6]所示。

表1 富集10B硼酸替代天然豐度硼酸的優(yōu)勢Table1 Advantages of enrich 10B boric acid substituting for natural boric acid

硼酸濃度的降低理論上可以減少硼沉積，在公開文獻(xiàn)中雖然定性提到了富集10B硼酸由于濃度降低可以減少硼酸結(jié)晶和沉淀的風(fēng)險，但未見詳細(xì)計算，更未見對此針對性地開展堆芯CIPS風(fēng)險評價。因此，本文將以CAP1000為研究對象，在富集10B硼酸(40%原子分?jǐn)?shù))對核設(shè)計堆芯功率分布影響的基礎(chǔ)上，采用BOA程序進(jìn)行堆芯CIPS風(fēng)險評價。

1 CIPS風(fēng)險

CIPS(Crud Induced Power Shift)，又稱AOA(Axial Offset Anomaly)，是指反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)內(nèi)的腐蝕積垢物(又稱污垢)在燃料棒表面沉積而導(dǎo)致軸向功率峰值向堆芯入口處偏移的現(xiàn)象。

在反應(yīng)堆運(yùn)行時，RCS系統(tǒng)管道上的腐蝕產(chǎn)物(鎳、鐵等)將會釋放到冷卻劑中，并在發(fā)生過冷泡核沸騰的高熱流密度燃料組件上部沉積并形成污垢。硼會在污垢的孔狀間隙內(nèi)聚集，到一定程度時，就會沉淀到污垢上，這將會導(dǎo)致燃料組件上部功率降低，由此功率峰值將向下部移動，即出現(xiàn)CIPS現(xiàn)象。CIPS現(xiàn)象并不直接與反應(yīng)堆安全分析的準(zhǔn)則相關(guān)，但它會影響核電廠的運(yùn)行。如：CIPS現(xiàn)象出現(xiàn)將導(dǎo)致在反應(yīng)堆降功率時反應(yīng)堆軸向功率分布控制更加困難、停堆裕量減小、臨界工況評價出現(xiàn)偏差等?；谝陨显?，美國核電廠運(yùn)行研究所(INPO)發(fā)布了“INPO 07-004達(dá)到卓越燃料性能導(dǎo)則”。在該導(dǎo)則中要求所有用戶在每一循環(huán)的換料過程中都必須對污垢導(dǎo)致的風(fēng)險進(jìn)行評價。CIPS風(fēng)險評價準(zhǔn)則與堆芯內(nèi)燃料組件數(shù)目有關(guān)，以最大堆芯沉積硼酸質(zhì)量作為指標(biāo)，如表2所示[7]。

表2 堆芯CIPS風(fēng)險評價準(zhǔn)則Table 2 Rule of risk assessment for CIPS

2 CIPS評價方法

CIPS現(xiàn)象是由于發(fā)生過冷泡核沸騰的通道內(nèi)燃料組件上部雜質(zhì)沉積物內(nèi)聚集硼酸而引起的。雜質(zhì)沉積物中主要是從蒸汽發(fā)生器和堆芯其他外表面釋放進(jìn)入冷卻劑的鎳和鐵等腐蝕產(chǎn)物。從第二循環(huán)開始，上一循環(huán)中沉積在燃料棒上的雜質(zhì)沉積物也將釋放到冷卻劑中。

CIPS分析過程主要包括三個步驟。首先，使用三維核設(shè)計程序預(yù)計堆芯功率分布；其次，將堆芯功率分布作為輸入條件提供給熱工水力子通道程序，以計算堆芯內(nèi)燃料棒光滑表面的過冷泡核沸騰率和局部的熱工水力參數(shù)；最后，使用BOA程序以評價污垢最大厚度、污垢最大質(zhì)量以及最大堆芯沉積硼酸質(zhì)量。核設(shè)計、子通道及BOA程序分析流程，如圖1所示。

圖1 CIPS風(fēng)險評價流程圖Fig.1 Schematic of CIPS riskassessment

CAP1000核電廠是兩環(huán)路非能動壓水堆核電廠，共裝載157個燃料組件，活性段高度為4 267.2 mm，堆芯熱功率為3 400 MW。本文的核設(shè)計分析采用基本負(fù)荷運(yùn)行模型、子通道分析基于與核設(shè)計程序一致的1/4個對稱堆芯模型、水化學(xué)程序中采用冷卻劑未注鋅模型。根據(jù)工程經(jīng)驗，在新電廠或核電廠實施較大變化后的前三個燃料循環(huán)中，蒸汽發(fā)生器U型管上的雜質(zhì)釋放率變化很大(呈指數(shù)變化)，堆芯CIPS的風(fēng)險上升很快，從第四燃料循環(huán)開始，U型管上的雜質(zhì)的釋放率趨于穩(wěn)定，風(fēng)險亦趨于平穩(wěn)。因此，本文將針對CAP1000壓水堆核電廠的第一循環(huán)至第三循環(huán)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 名義硼濃度和臨界硼濃度

根據(jù)分析結(jié)果可知，不考慮堆芯燃料管理方案或者裝載燃料形式的變更，采用富集硼酸后不會改變堆芯的反應(yīng)性控制要求，不會對堆芯燃耗與功率分布、慢化劑溫度系數(shù)、燃料溫度系數(shù)、多普勒功率系數(shù)、控制棒控制能力、堆芯動態(tài)參數(shù)等產(chǎn)生影響。但由于10B豐度提高使得硼微分價值增大，堆芯臨界硼濃度將發(fā)生相應(yīng)變化，結(jié)果如圖2和圖3所示。

3.2 CIPS風(fēng)險評價

針對CAP1000壓水堆核電廠的第一循環(huán)至第三循環(huán)進(jìn)行CIPS風(fēng)險分析，圖4給出了堆內(nèi)沉積污垢中的硼酸質(zhì)量隨循環(huán)時間的變化。由圖可知，堆芯內(nèi)沉積的硼酸質(zhì)量隨循環(huán)時間先增加后下降，在循環(huán)中期達(dá)到最大值。前三個循環(huán)中，第三循環(huán)的沉積硼酸質(zhì)量顯著高于其他兩個循環(huán)，第一循環(huán)的沉積硼酸質(zhì)量最低。

圖4 堆芯內(nèi)沉積的硼酸質(zhì)量隨循環(huán)時間的變化Fig.4 Deposit boric mass vs.cycle time

圖5給出了堆芯最大沉積硼質(zhì)量與堆芯冷卻劑中的10B豐度之間的關(guān)系。從圖5中可知：隨著堆芯冷卻劑中的10B豐度增加(對應(yīng)名義硼濃度減小)，堆芯最大沉積硼酸質(zhì)量均呈現(xiàn)指數(shù)下降趨勢。在同一循環(huán)，采用10B豐度40%的富集硼酸的堆芯最大沉積硼酸質(zhì)量可比采用10B豐度19.9%的天然硼酸的減小約80%；考慮10B豐度后，積垢中10B質(zhì)量可降低超過65%，因此，CIPS風(fēng)險顯著降低。

圖5 堆芯最大沉積硼質(zhì)量隨硼富集度的變化Fig.5 The max deposit boric mass vs.10B enrichment

CAP1000核電廠前三循環(huán)不同燃料組件腐蝕積垢物的最大厚度、腐蝕積垢物的最大質(zhì)量、堆芯最大硼酸質(zhì)量,如表3所示。

表3 CIPS風(fēng)險評價結(jié)果匯總Table 3 Results of CIPS risk evaluation

(1)對于10B為天然豐度(19.9%)的情況，在不實施注鋅的工況下，前三循環(huán)最大堆芯沉積硼質(zhì)量為0.460 4 kg(1.015 lbm)，出現(xiàn)在第三循環(huán)，高于CIPS中等風(fēng)險限值。

(2)對于10B為富集硼豐度(40.0%)的情況，在不實施注鋅的工況下，前三循環(huán)最大堆芯沉積硼質(zhì)量為0.074 4 kg(0.164 lbm)，出現(xiàn)在第三循環(huán)，以10B質(zhì)量換算為天然硼酸質(zhì)量后約為0.152 4 kg，接近CIPS低風(fēng)險限值，極大降低了CIPS風(fēng)險。

4 結(jié)論

本文通過對壓水堆一回路應(yīng)用富集硼酸后堆芯CIPS風(fēng)險評估研究發(fā)現(xiàn)：

(1)堆內(nèi)積垢硼酸質(zhì)量與堆芯臨界硼濃度密切相關(guān)，采用富集硼酸可在不會改變堆芯的燃耗與功率分布、10B濃度保持不變的情況下，由于10B豐度提高從而降低冷卻劑中硼酸濃度，從而有效降低堆芯沉積硼酸質(zhì)量。

(2)應(yīng)用富集硼酸(40.0%)與天然硼酸(19.9%)相比，最大堆芯沉積硼酸質(zhì)量可降低超過80%左右，堆芯CIPS風(fēng)險等級顯著降低，因此，在壓水堆核電廠一回路冷卻劑中采用富集10B的硼酸后，有助于降低堆芯發(fā)生CIPS現(xiàn)象的風(fēng)險，改善腐蝕積垢物在燃料棒表面沉積而導(dǎo)致軸向功率峰值向堆芯入口處偏移。