胡 海,蘇 凱，蔣春華，鄭慶云

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000)

核電廠每年產(chǎn)生的最終放射性固體廢物量在一定程度上反映了核電廠的安全運(yùn)行以及維修管理水平，同時(shí)，放射性固體廢物處理成本高昂，對(duì)環(huán)境也有一定影響，核電廠放射性固體廢物量最小化控制是當(dāng)前核電技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。核電廠中一回路核級(jí)樹(shù)脂由于在使用過(guò)程中累積了較高的放射性，失效之后不進(jìn)行再生而直接更換，是核電廠放射性固體廢物的主要來(lái)源之一。

某核電廠是國(guó)內(nèi)首次引進(jìn)的VVER型壓水堆機(jī)組，一回路有KBE、KBB、KBF、FAL等多個(gè)凈化系統(tǒng)裝填核級(jí)樹(shù)脂，原設(shè)計(jì)KBB、KBF、KBE系統(tǒng)樹(shù)脂更換頻度為每年一次，F(xiàn)AL系統(tǒng)樹(shù)脂更換頻度為每?jī)赡暌淮巍Ｔ趯?shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如按設(shè)計(jì)要求的頻度對(duì)核級(jí)樹(shù)脂進(jìn)行更換，雖然能充分保證凈化系統(tǒng)對(duì)一回路水質(zhì)有效控制，但也存在較多的問(wèn)題：

1)核級(jí)樹(shù)脂在更換之前仍剩余較大交換容量沒(méi)有被充分利用，使用上存在浪費(fèi)，增加采購(gòu)成本；

2)更換樹(shù)脂頻次較高，增加操作工時(shí)，導(dǎo)致核電廠集體劑量上升，尤其是如果按設(shè)計(jì)要求操作，部分凈化系統(tǒng)只能在機(jī)組大修期間進(jìn)行樹(shù)脂更換，影響正常生產(chǎn)期間使用以及大修主線進(jìn)度；

3)產(chǎn)生較多放射性固體廢物，增加放射性固體廢物處理費(fèi)用，使核電廠運(yùn)營(yíng)成本攀升。

為解決上述問(wèn)題，通過(guò)研究?jī)?yōu)化核級(jí)樹(shù)脂更換方法和一回路凈化系統(tǒng)運(yùn)行模式，以進(jìn)一步提高核級(jí)樹(shù)脂的利用效率，降低核級(jí)樹(shù)脂放射性固體廢物量。

1 一回路凈化系統(tǒng)簡(jiǎn)介

一回路凈化系統(tǒng)主要包括反應(yīng)堆冷卻劑凈化系統(tǒng)(KBE)、冷卻劑貯存系統(tǒng)離子交換器(KBB)、乏燃料水池及硼箱水凈化系統(tǒng)(FAL)和一回路冷卻劑處理系統(tǒng)(KBF)。

KBE系統(tǒng)由KBE10和KBE50兩個(gè)系列組成，其中KBE10由一個(gè)陽(yáng)床和一個(gè)陰床串聯(lián)組成，每個(gè)床裝有1.3 m3的核級(jí)樹(shù)脂，氨鉀飽和后投入運(yùn)行，主要是去除冷卻劑中的離子態(tài)雜質(zhì)和放射性物質(zhì)，保證一回路水質(zhì)和降低一回路管道設(shè)備的的輻射劑量率。KBE50由一個(gè)混床組成，裝填0.9 m3的核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂和0.4 m3的核級(jí)陰樹(shù)脂，用于去除一回路堿金屬離子和停機(jī)過(guò)程中凈化一回路放射性腐蝕產(chǎn)物。

KBB系統(tǒng)由一個(gè)陽(yáng)床和一個(gè)陰床組成，分別裝填2.4 m3的核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂和核級(jí)陰樹(shù)脂。陽(yáng)床的主要作用是去除一回路冷卻劑中的堿金屬離子，而陰床則用于壽期末去除冷卻劑中的硼酸。

KBE和KBB系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 KBE和KBB系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chat of KBE and KBB JAA—反應(yīng)堆壓力容器；JEB—主泵；JEA—蒸汽發(fā)生器；JEW—主泵軸封水;JEF—穩(wěn)壓器；JEG—泄壓箱；KBC3—輔助廠房蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)；KPL10—?dú)錃馊紵到y(tǒng)；KBE10A￣T001/002—主回路凈化系統(tǒng)陽(yáng)床/陰床；KBE50AT001—主回路凈化系統(tǒng)混床；KBA10BB001—除氣器；KBB10AT001/002—冷卻劑儲(chǔ)存系統(tǒng)陽(yáng)床/陰床

FAL系統(tǒng)由兩個(gè)并聯(lián)機(jī)械床(陽(yáng)床)、一個(gè)陽(yáng)床和一個(gè)陰床組成，各裝填2.4 m3的核級(jí)樹(shù)脂。FAL用于凈化乏燃料水池，降低放射性并保證其水質(zhì)滿足要求，也可用于凈化硼酸貯存系統(tǒng)。FAL系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 FAL系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chat of FAL FAK—乏燃料水池；JNK10/40BB001—含硼酸水儲(chǔ)存系統(tǒng); FAL30AT001(002)/003/004—乏燃料水池和含硼水箱凈化系統(tǒng)機(jī)械床/陽(yáng)床/陰床

KBF系統(tǒng)由一個(gè)陽(yáng)床和一個(gè)陰床組成，各裝填1.2 m3的核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂和核級(jí)陰樹(shù)脂。兩個(gè)床串聯(lián)運(yùn)行對(duì)蒸餾回收的硼酸進(jìn)行凈化。當(dāng)硼酸貯存系統(tǒng)水質(zhì)惡化時(shí)，也可用于凈化該系統(tǒng)。系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 KBF系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chat of KBF KBF50BB001—硼酸溶液儲(chǔ)存水箱；JNK10/40BB001/2—含硼酸水儲(chǔ)存系統(tǒng)；KBF50AT001/002—反應(yīng)堆冷卻劑處理系統(tǒng)陽(yáng)床/陰床

2 樹(shù)脂更換方法優(yōu)化

在確保一回路相關(guān)系統(tǒng)水質(zhì)不偏離，不影響機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，優(yōu)化一回路凈化系統(tǒng)核級(jí)樹(shù)脂的更換方法，提高核級(jí)樹(shù)脂的使用效率。

2.1 核級(jí)樹(shù)脂原設(shè)計(jì)利用率

一回路各凈化系統(tǒng)裝填的核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂體積交換容量為2.10 mol/L，核級(jí)陰樹(shù)脂體積交換容量為1.20 mol/L。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，除KBB10AT002外，其他凈化系統(tǒng)陰床均需硼飽和之后再投入運(yùn)行。根據(jù)俄方的研究結(jié)果，核級(jí)陰樹(shù)脂硼飽和之后對(duì)氯離子的吸附能力為理論交換容量的2%。U2C5壽期結(jié)束后KBB、KBF、FAL等系統(tǒng)樹(shù)脂利用率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 KBB、KBF、FAL樹(shù)脂利用率

注：未統(tǒng)計(jì)2FAL30AT002數(shù)據(jù)，因系統(tǒng)優(yōu)化后該機(jī)械床改為空床，未裝填核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂。

KBB、KBF、FAL等凈化系統(tǒng)核級(jí)樹(shù)脂的使用率均較低，即使考慮到設(shè)計(jì)要求每?jī)赡旮鼡Q一次的FAL系統(tǒng)，更換時(shí)其核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂使用率在40%，核級(jí)陰樹(shù)脂的使用率也只有75%。核級(jí)樹(shù)脂在更換時(shí)仍剩余較多的交換容量，利用率較低。

設(shè)計(jì)要求的核級(jí)樹(shù)脂更換方案，以固定周期對(duì)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)核級(jí)樹(shù)脂進(jìn)行全部更換，未考慮核級(jí)樹(shù)脂更換前的失效程度，造成核級(jí)樹(shù)脂的利用效率不高，增加了核級(jí)樹(shù)脂的消耗量，產(chǎn)生了更多的放射性固體廢物。結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將核級(jí)樹(shù)脂更換方案總體優(yōu)化為失效之后即出口檢出相應(yīng)的陰陽(yáng)離子后再進(jìn)行更換。

FAL30AT001、FAL30AT002、FAL30AT003等陽(yáng)床核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂裝填量大，使用周期較長(zhǎng)，用于其主要用于凈化乏燃料水池等含有高放射性、強(qiáng)氧化性水質(zhì)，運(yùn)行期間出現(xiàn)雖然樹(shù)脂床未失效，但是由于樹(shù)脂老化磺酸基團(tuán)降解脫落嚴(yán)重污染凈化水質(zhì)的情況，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)需要提前更換。

KBF50AT002陰床使用前需要進(jìn)行硼飽和，KBF50AT001陽(yáng)床總交換容量遠(yuǎn)高于KBF50A￣T002陰床理論交換容量。在實(shí)際運(yùn)行中，KBF陰床失效時(shí)陽(yáng)床往往并未失效，如果陰床失效時(shí)將核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂也更換，導(dǎo)致陽(yáng)床利用效率較低。因此，優(yōu)化更換方案改為僅對(duì)失效的核級(jí)樹(shù)脂進(jìn)行更換，未失效的陰床或者陽(yáng)床則繼續(xù)使用直至失效。

由于離子的擴(kuò)散效應(yīng)，同一水平面上的核級(jí)樹(shù)脂失效程度并不一致。在使用過(guò)程中，從凈化系統(tǒng)出口檢出雜質(zhì)離子到完全失效，還能繼續(xù)較長(zhǎng)一段時(shí)間。在此期間，未失效的核級(jí)樹(shù)脂能被進(jìn)一步利用。以KBB10AT001、FAL30AT004為例，當(dāng)系統(tǒng)出口檢出雜質(zhì)離子到最后系統(tǒng)停運(yùn)更換核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂，可以繼續(xù)運(yùn)行一周，床出入口數(shù)據(jù)及提高利用率見(jiàn)表2、表3。

表2 KBB10AT001運(yùn)行數(shù)據(jù)

表3 FAL30AT004運(yùn)行數(shù)據(jù)

在核級(jí)樹(shù)脂更換之前，床入口離子濃度要大于出口，核級(jí)樹(shù)脂在更換之前仍有一定的交換容量沒(méi)被利用，將核級(jí)樹(shù)脂更換標(biāo)準(zhǔn)更改為系統(tǒng)出入口離子濃度摩爾量一致，即核級(jí)樹(shù)脂完全達(dá)到失效終點(diǎn)，可以進(jìn)一步延長(zhǎng)其使用壽命。核級(jí)樹(shù)脂更換方案可進(jìn)一步優(yōu)化為：在不影響相關(guān)系統(tǒng)水質(zhì)的前提下，凈化系統(tǒng)出入口離子量完全一致徹底喪失凈化能力時(shí)，再對(duì)已失效的核級(jí)樹(shù)脂進(jìn)行更換，凈化系統(tǒng)未失效的核級(jí)樹(shù)脂繼續(xù)運(yùn)行。

為避免主回路水質(zhì)控制風(fēng)險(xiǎn)，KBE10/50系列凈化床樹(shù)脂更換頻度仍維持一年一次。

2.2 優(yōu)化方案風(fēng)險(xiǎn)分析

在凈化系統(tǒng)投運(yùn)期間，根據(jù)監(jiān)督要求每班一次(1次/8 h)對(duì)凈化系統(tǒng)出口水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)核級(jí)樹(shù)脂失效。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)核級(jí)樹(shù)脂失效后，如果準(zhǔn)備更換樹(shù)脂，進(jìn)行的工作以及所需時(shí)間如下：

1)從庫(kù)房領(lǐng)取樹(shù)脂并運(yùn)送到廠房4 h;

2)水力卸載樹(shù)脂10 h；

3)打開(kāi)人孔裝填樹(shù)脂16 h；

4)沖洗樹(shù)脂8 h。

以上步驟共需40 h，不超過(guò)2 d時(shí)間。

優(yōu)化核級(jí)樹(shù)脂更換方案，必須考慮到功率運(yùn)行期間凈化系統(tǒng)停運(yùn)期間相關(guān)系統(tǒng)水質(zhì)是否會(huì)出現(xiàn)偏離。經(jīng)對(duì)KBB、KBF、FAL等系統(tǒng)運(yùn)行情況排查，在更換樹(shù)脂的時(shí)間內(nèi)不會(huì)對(duì)水質(zhì)工況控制有影響。

2.3 樹(shù)脂更換方案

優(yōu)化后核級(jí)樹(shù)脂更換方案見(jiàn)表4。

表4 樹(shù)脂優(yōu)化更換方案

3 凈化系統(tǒng)運(yùn)行模式優(yōu)化

3.1 FAL系統(tǒng)變更及運(yùn)行優(yōu)化

FAL系統(tǒng)主要作用是凈化乏燃料水池水質(zhì)，設(shè)計(jì)運(yùn)行模式為1機(jī)械床+1陽(yáng)床+1陰床，功率運(yùn)行期間持續(xù)凈化乏燃料水池水質(zhì)，采用這種運(yùn)行模式凈化乏燃料水池，出現(xiàn)了陰床未失效，乏燃料水池硫酸根不降反升的現(xiàn)象(見(jiàn)圖4)。

圖4 運(yùn)行期間硫酸根含量變化趨勢(shì)Fig.4 Trend of sulfate during operation

研究證明造成這種現(xiàn)象的原因是由于FAL系統(tǒng)核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂磺酸基團(tuán)被氧化降解脫落，進(jìn)入乏燃料水池中進(jìn)一步氧化生成了硫酸根。

乏燃料水池的機(jī)械雜質(zhì)含量一直維持在極低水平(透光率在95%以上)，且侵蝕性陽(yáng)離子Fe長(zhǎng)期低于10 ug/L，運(yùn)行過(guò)程中機(jī)械床作用并不大，且陽(yáng)床FAL30AT003也可兼具機(jī)械床的功能。為減少核級(jí)樹(shù)脂使用和減少核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂老化降解變成硫酸根生成的來(lái)源，將機(jī)械床FAL30￣AT002掏空，不裝填核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂，兩臺(tái)機(jī)組共減少了4.8 m3核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂的使用。

為進(jìn)一步解決硫酸根問(wèn)題，優(yōu)化核級(jí)樹(shù)脂的使用，開(kāi)發(fā)了單陰床凈化去除系統(tǒng)中陰離子的運(yùn)行模式。相較于俄方設(shè)計(jì)的運(yùn)行模式，單陰床模式運(yùn)行有以下兩方面優(yōu)勢(shì)：

減少陽(yáng)床的使用數(shù)量和使用頻率，避免了核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生降解脫落的幾率，從而解決了過(guò)去數(shù)次大修中出現(xiàn)的硫酸根突然上漲問(wèn)題，優(yōu)化了水質(zhì)控制。同時(shí)，避免了核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂因磺酸基團(tuán)降解脫落而損失交換容量，造成陽(yáng)床利用效率降低的情況。

減輕陰床的工作負(fù)擔(dān)，提高了核級(jí)陰樹(shù)脂的使用效率。在原設(shè)計(jì)運(yùn)行模式下運(yùn)行，核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂磺酸基團(tuán)降解脫落最后轉(zhuǎn)化生成硫酸根，增加了陰床的工作負(fù)擔(dān)，造成核級(jí)陰樹(shù)脂使用壽命的縮短約1/3，引起放射性固體廢物量增多。

3.2 降低除堿床使用損耗

機(jī)組功率運(yùn)行期間，一回路冷卻劑中的硼酸和總堿金屬離子要保證在二者協(xié)調(diào)曲線的A區(qū)域內(nèi)(見(jiàn)圖5)。

圖5 主回路硼酸-總堿金屬協(xié)調(diào)曲線Fig.5 Total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium) in the primary coolant depending on current concentration of boric acid

機(jī)組功率運(yùn)行期間，由于核反應(yīng)10B(n，α)7Li引起7Li離子在主回路中累積，同時(shí)由于加氨維持溶氫，KBE10AT001中的鉀離子不斷被洗脫出來(lái)，導(dǎo)致總堿金屬離子逐漸向協(xié)調(diào)曲線的A區(qū)上限移動(dòng)。為避免總堿金屬的偏離，需要投運(yùn)除堿系統(tǒng)KBE50AT001或KBB10AT￣001進(jìn)行控制。

減少除堿系統(tǒng)KBB10AT001和KBE50AT￣001的使用損耗，延長(zhǎng)使用壽命，目前主要采取以下3方面的措施：

(1)壽期初氨鉀飽和時(shí)減少KOH的加入量

氨鉀飽和時(shí)加入的KOH，大部分被KBE￣10AT001陽(yáng)床吸附，在機(jī)組功率運(yùn)行期間又被洗脫出來(lái)進(jìn)入系統(tǒng)。因此，減少氨鉀飽和時(shí)KOH的加入量，可以從源頭上降低除堿系統(tǒng)的使用頻率。根據(jù)多年來(lái)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和分析計(jì)算結(jié)果，啟機(jī)初期由于主回路溶氫的限制氨濃度最高只能控制在10 mg/L左右，相應(yīng)加入的KOH需要77 kg，將KOH的加入量實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

(2)采用了一回路連續(xù)加氨方式，并實(shí)現(xiàn)了加氨的量化控制

相較于國(guó)外VVER機(jī)組采取的非連續(xù)加氨模式，壽期內(nèi)一回路總堿金屬波動(dòng)較小，避免了因一回路加氨過(guò)多而導(dǎo)致鉀離子被洗脫出來(lái)頻繁投運(yùn)除堿系統(tǒng)的情況。如圖6所示。

圖6 加氨量化控制后一回路硼酸-總堿運(yùn)行曲線Fig.6 Total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium) in the primary coolant to corresponding concentration of boric acid after quantitative control

(3)采用壽期末降低氨濃度的運(yùn)行方式

機(jī)組功率運(yùn)行期間，冷卻劑中的堿金屬離子和銨離子存在以下的平衡：

當(dāng)一回路中氨含量降低時(shí)，KBE10AT001將更多的堿金屬離子保留在陽(yáng)床中而不是被洗脫出來(lái)進(jìn)入冷卻劑，并最終轉(zhuǎn)移到除堿系統(tǒng)KBB10￣AT001或者KBE50AT001中。

在采取壽期末降低溶氫方式運(yùn)行之后，主回路氨濃度降低，每個(gè)壽期KBB10AT001和KBE50AT001可節(jié)省交換容量300 mol以上，延長(zhǎng)了除堿系統(tǒng)的使用壽命。

3.3 優(yōu)化除堿床使用選擇

KBE50AT001裝填了0.9 m3核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂，工作交換容量為1 890 mol，為保證主回路水質(zhì)安全，KBE50AT001的更換周期仍保持為每年一次，為提高KBE50AT001的利用率，將壽期末期需要去除的堿金屬離子量，合理分配至KBE50AT001去除，相當(dāng)于將KBB10AT001的交換容量擴(kuò)容30%以上，延長(zhǎng)KBB10AT001的使用周期，降低其更換頻率。

3.4 推遲除硼床投運(yùn)時(shí)間

KBB10AT002系統(tǒng)裝填2.4 m3的OH-型陰樹(shù)脂，交換容量為2 880 mol，用于壽期末去除主回路硼酸控制機(jī)組反應(yīng)性。俄方設(shè)計(jì)是當(dāng)主回路硼濃度降至0.3 g/L左右時(shí)，投運(yùn)KBB10AT￣002進(jìn)行除硼，在一個(gè)燃料循環(huán)結(jié)束后將核級(jí)樹(shù)脂更換。自U1C6壽期起，為優(yōu)化KBB10AT￣002使用，在主回路硼酸降至0.1 g/L左右時(shí)開(kāi)始投運(yùn)，剩余交換容量下次燃料循環(huán)繼續(xù)使用， KBB10AT002使用壽命延長(zhǎng)兩倍。

4 實(shí)施效果

實(shí)施上述優(yōu)化方案后，統(tǒng)計(jì)2號(hào)機(jī)凈化系統(tǒng)核級(jí)樹(shù)脂利用率和更換頻度如圖7、圖8所示。核核級(jí)樹(shù)脂的使用效率也都達(dá)到75%以上，較原設(shè)計(jì)方案利用率有較大提高；核級(jí)樹(shù)脂的更換周期較設(shè)計(jì)更換周期也都有不同程度的延長(zhǎng)。

圖7 核級(jí)樹(shù)脂利用率對(duì)比Fig.7 Comparison of utilization ratio of nuclear grade resin

圖8 核級(jí)樹(shù)脂使用壽命對(duì)比Fig.8 Comparison of service life of nuclear grade resin

2013-2014年相對(duì)2011-2012年，兩臺(tái)機(jī)組共較少核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂固體廢物6.4 m3，核級(jí)陰樹(shù)脂固體廢物3.6 m3；2013-2014年相對(duì)2009-2010年，兩臺(tái)機(jī)組共節(jié)約核級(jí)陽(yáng)樹(shù)脂固體廢物8.6 m3，核級(jí)陰樹(shù)脂固體廢物14.8 m3。如表5所示。

表5 樹(shù)脂消耗量對(duì)比

5 結(jié)論

本研究根據(jù)運(yùn)行特點(diǎn)，將原設(shè)計(jì)中FAL、KBB、KBF固定更換周期優(yōu)化為失效后更換的動(dòng)態(tài)更換周期；將FAL兩陽(yáng)床一陰床的傳統(tǒng)單一運(yùn)行模式優(yōu)化為根據(jù)凈化需求可采用一陽(yáng)床一陰床或單陰床運(yùn)行的多種運(yùn)行模式，減少了陽(yáng)樹(shù)脂的裝填量和運(yùn)行時(shí)間。在水化學(xué)控制方面，通過(guò)氨鉀飽和時(shí)優(yōu)化加鉀量和提前合理使用KBE50AT001，降低了除堿床KBB10AT001的負(fù)擔(dān)延長(zhǎng)了運(yùn)行壽命；壽期末除硼時(shí)增加換水周期延長(zhǎng)了除硼床KBB10AT002投運(yùn)周期。通過(guò)這些優(yōu)化措施，提高了核級(jí)樹(shù)脂的使用壽命，減少了核電廠放射性固體廢物量的生成量。