姜磊 孟憲波

三門核電有限公司 浙江臺(tái)州 317112

三門核電一期工程采用美國西屋公司設(shè)計(jì)的AP1000機(jī)組，根據(jù)設(shè)計(jì)方要求，在熱態(tài)功能試驗(yàn)期間（以下簡(jiǎn)稱HFT）就開始向一回路加鋅，目的是降低運(yùn)行期間堆芯外輻射場(chǎng)[1]。三門核電1號(hào)機(jī)組作為國內(nèi)首臺(tái)在熱態(tài)功能試驗(yàn)期間加鋅的電站，從加鋅速率控制、鋅溶液配制、鋅濃度范圍控制、取樣監(jiān)督要求、瞬態(tài)及異常響應(yīng)等都無經(jīng)驗(yàn)可循。本文介紹了三門1號(hào)機(jī)組HFT期間加鋅策略的制定、加鋅過程實(shí)施控制、效果評(píng)價(jià)等，并結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)熱態(tài)功能試驗(yàn)期間的加鋅策略進(jìn)行優(yōu)化，為后續(xù)新機(jī)組加鋅控制提供借鑒。

1 加鋅速率的確定

加鋅技術(shù)目前在國內(nèi)尚無應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在國際上絕大多數(shù)加鋅電站都是在經(jīng)歷過幾個(gè)或十幾個(gè)循環(huán)壽期后才開始加鋅，目前世界上唯一一臺(tái)在HFT期間加鋅的電站是日本的Tomari3機(jī)組，但其鋅濃度控制范圍為1-5μg/L，和AP1000機(jī)組20-100μg/L的控制范圍相差甚遠(yuǎn)，因此可以說AP1000機(jī)組在HFT期間對(duì)加鋅速率的控制并無經(jīng)驗(yàn)可循。

對(duì)于首次加鋅的電站而言，如何確定加鋅速率至關(guān)重要。當(dāng)鋅達(dá)到目標(biāo)濃度后，最佳鋅添加速率主要由兩個(gè)因素決定：下泄凈化回路對(duì)鋅的去除率以及系統(tǒng)表面氧化膜對(duì)鋅的吸附率。凈化對(duì)鋅的去除量可以根據(jù)凈化流量和除鹽床的效率計(jì)算，但系統(tǒng)表面的吸附量比較復(fù)雜，其吸收率取決于冷卻劑中鋅濃度、材料表面積、材料特性和表面狀態(tài)等因素，很難通過理論計(jì)算。

根據(jù)加鋅電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在首次加鋅時(shí)加鋅速率維持在15-20g/天[2]，需要20天左右才能檢測(cè)到冷卻劑中的鋅含量。說明首次加鋅材料對(duì)鋅的吸收速率很快。隨著系統(tǒng)表面上鋅的不斷吸收，冷卻劑和金屬表面的鋅濃度差變小，鋅的吸收速率也會(huì)變小，此時(shí)加鋅速度大于鋅吸收速率，冷卻劑中的鋅濃度逐漸升高，并最終達(dá)到目標(biāo)濃度。因此為了簡(jiǎn)化計(jì)算，同時(shí)保守決策，假設(shè)開始加鋅時(shí)即達(dá)到目標(biāo)濃度，加鋅流量計(jì)算簡(jiǎn)化公式如下：

對(duì)上式進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

其中：

F：鋅添加速率，g/天；

C0：一回路目標(biāo)鋅濃度，μg/L；

Vp：凈化流量，m3/h；

24：時(shí)間單位轉(zhuǎn)換，h；

β：鋅吸收率，%；

10-3：?jiǎn)挝晦D(zhuǎn)換。

已運(yùn)行的電站，首次加鋅時(shí)，在5-20μg/L目標(biāo)鋅濃度控制范圍下，鋅的吸收率為80%-90%。AP1000機(jī)組HFT期間鋅濃度范圍為20-100μg/L，目標(biāo)濃度60μg/L，鋅濃度差更大，理論上對(duì)鋅的吸收速率應(yīng)＞90%。因此保守決策，根據(jù)AP1000機(jī)組HFT期間鋅濃度控制范圍，假設(shè)吸收率為90%，同時(shí)機(jī)組凈化流量為22.4m3/h，加鋅速率計(jì)算如下：

加鋅流速（F）（最小值）＝20×22.4×24×10-3÷（1-90%）=107g/天

加鋅流速（F）（最大值）＝100×22.4×24×10-3÷（1-90%）=537g/天

所以理論上按最小值添加可以維持一回路的鋅濃度不小于20μg/L，以最大值添加可以控制鋅濃度不超過100μg/L。

由于三門核電1號(hào)機(jī)組是首次在熱態(tài)功能試驗(yàn)期間維持高鋅濃度，沒有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，保守決策，按照理論計(jì)算的最小值添加，預(yù)計(jì)從177℃升溫至正常溫度/壓力（以下簡(jiǎn)稱NOT/NOP）平臺(tái)約4-5天時(shí)間，設(shè)定的加鋅速率為：177℃溫度平臺(tái)100g/天，232℃溫度平臺(tái)200g/天，292℃溫度平臺(tái)若仍沒有達(dá)到目標(biāo)值，按照400g/天的速率添加，添加過程中根據(jù)分析結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整加鋅速率。

2 加鋅實(shí)施過程

當(dāng)一回路溫度首次達(dá)到177℃時(shí)，由于注鋅泵故障，無法加鋅，直到232℃才開始加鋅?？紤]達(dá)到NOT/NOT平臺(tái)時(shí)間縮短，因此將加鋅速率設(shè)定為200g/天。開始加鋅的4天時(shí)間內(nèi)，冷卻劑中檢測(cè)的平均鋅濃度1.5μg/L左右。為盡量達(dá)到目標(biāo)鋅濃度，提高加鋅速率至350g/天，2天后鋅濃度達(dá)到60μg/L目標(biāo)濃度，停止加鋅。隨后鋅濃度開始呈下降趨勢(shì)。重新以50g/天的速率開始加鋅，維持鋅濃度在60-100μg/L之間。臨近NOT/NOP平臺(tái)末期，再次提高加鋅速率至100-150g/天，直至降溫前一天，停止加鋅。加鋅速率與鋅濃度變化趨勢(shì)如下圖1：

圖1 加鋅速率與一回路冷卻劑系統(tǒng)鋅濃度變化趨勢(shì)Fig.1trend of injection zinc rate and zinc concentration in RCS surface

通過上圖分析，HFT期間首次加鋅時(shí)，鋅濃度變化趨勢(shì)分三個(gè)階段：

2.1 鋅快速吸收階段

這一階段，一回路系統(tǒng)表面對(duì)鋅的吸收速度非?？?，加入的鋅幾乎都被系統(tǒng)表面吸收，導(dǎo)致一回路的鋅濃度維持在較低水平波動(dòng)，沒有明顯變化。

三門核電1號(hào)機(jī)組從開始按照200g/天的速度加鋅，到鋅濃度從2pbb 左右突然升高至16.7μg/L，累計(jì)加鋅時(shí)間超過4天。鋅的吸收率為99%。在此期間，基本維持加鋅速率恒定。

2.2 鋅濃度快速升高階段

當(dāng)一回路溫度至292℃，為了盡快到達(dá)目標(biāo)鋅濃度，加鋅速度提高至350g/天。加鋅速率提高后2天，鋅濃度升高至65μg/L，吸收率為99%-94%。

2.3 鋅濃度穩(wěn)定階段

當(dāng)達(dá)到目標(biāo)鋅濃度后，加鋅速率調(diào)整為50g/天，基本可以維持60μg/L的目標(biāo)鋅濃度。這段時(shí)間會(huì)一直持續(xù)到鈍化結(jié)束，吸收率為77%。

3 加鋅效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證HFT期間一回路結(jié)構(gòu)材料表面鈍化效果，試驗(yàn)前在壓力容器中放入10個(gè)試塊，其中5個(gè)690TT合金材料，5個(gè)304H不銹鋼材料。試驗(yàn)結(jié)束后，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)試塊晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，304H不銹鋼氧化膜晶粒大小在100-500nm之間，690TT合金氧化膜晶粒大小在10-100nm之間。和未加鋅的電站HFT期間試塊分析結(jié)果相比，304H和690TT合金氧化膜晶粒大小都明顯偏小，晶粒間結(jié)合更緊密，說明在加鋅條件下，結(jié)構(gòu)材料形成的氧化膜保護(hù)性更強(qiáng)[3]。

4 優(yōu)化及改進(jìn)建議

4.1 加鋅速率的確定

三門核電1號(hào)機(jī)組在HFT期間首次加鋅數(shù)據(jù)表明，材料表面對(duì)鋅的吸收率是加鋅量和加鋅時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，因?yàn)榧愉\量和持續(xù)時(shí)間會(huì)改變鋅在材料表面的擴(kuò)散速度。初次加鋅時(shí)，材料表面未結(jié)合鋅，因此鋅的擴(kuò)散速度和吸收速率很高，導(dǎo)致冷卻劑中的鋅濃度很低，甚至無法檢測(cè)到。隨著材料表面對(duì)鋅的不斷吸收，溶液和材料表面的鋅濃度差變小，鋅的擴(kuò)散速度和吸收速度變小，當(dāng)加鋅速率大于吸收速率時(shí)，冷卻劑中鋅濃度開始升高，并最終接近目標(biāo)濃度。建立鋅動(dòng)態(tài)平衡后，如果降低加鋅量，由于材料中鋅的返出，系統(tǒng)中鋅濃度不會(huì)立刻降低，而是繼續(xù)維持平衡或逐漸降低，直至與調(diào)整后的加鋅流量重新建立平衡。

HFT期間，如果冷卻劑中鋅濃度能夠盡快達(dá)到目標(biāo)值，那么就可以使鋅暴露在NOT/NOP平臺(tái)的時(shí)間盡可能長，從而促進(jìn)氧化膜對(duì)鋅的吸收，使形成的氧化膜保護(hù)性更強(qiáng)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在加鋅初期，應(yīng)盡可能的提高鋅添加速率。根據(jù)三門核電1號(hào)機(jī)組加鋅經(jīng)驗(yàn)看，當(dāng)加鋅速率達(dá)到350g/天，仍然需要2天才能達(dá)到目標(biāo)濃度，而按照200g/天的速率添加，4天后才能檢測(cè)到鋅。由于三門核電是首臺(tái)HFT加鋅的AP1000機(jī)組，在制定加鋅速率相對(duì)保守。根據(jù)1號(hào)機(jī)組經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于后續(xù)在HFT期間首次執(zhí)行加鋅的電站，初始鋅添加速率可以控制在350g/天，在有限的時(shí)間內(nèi)盡快達(dá)到鋅的目標(biāo)濃度，盡量促進(jìn)材料表面對(duì)鋅的吸收，提高氧化膜的鈍化效果。建立目標(biāo)濃度后，可根據(jù)鋅濃度變化，在0-200g/天范圍內(nèi)調(diào)整加鋅速度，維持其目標(biāo)濃度。

4.2 氧化運(yùn)行

壓水堆核電站功率運(yùn)行后停堆期間，通過向一回路添加氧化劑，強(qiáng)迫建立酸性氧化性環(huán)境，促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物釋放，以降低停堆劑量率，該方式稱為氧化運(yùn)行[4]。為盡可能去除HFT期間形成的腐蝕產(chǎn)物，三門核電在HFT期間也執(zhí)行了氧化運(yùn)行。

氧化運(yùn)行前一回路系統(tǒng)鎳含量最大值為263μg/L，氧化運(yùn)行后鎳濃度峰值694μg/L，腐蝕產(chǎn)物釋放量增加2.5倍左右。說明HFT期間執(zhí)行氧化運(yùn)行，能有效促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物釋放。另外首次加鋅本身可置換出更多的腐蝕產(chǎn)物，若不盡可能將其釋放和去除，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行期間的活化腐蝕產(chǎn)物量增加。因此對(duì)于在HFT期間加鋅的電站，建議其在降溫過程執(zhí)行氧化運(yùn)行，促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物的釋放和去除，降低裝料后循環(huán)期間的劑量率。

4.3 鋅瞬態(tài)控制

加鋅過程中，引起鋅瞬態(tài)的因素主要包括加鋅流量、凈化去除率和鋅吸收率。如果加鋅速度大于鋅的吸收率和凈化去除率，系統(tǒng)中的鋅濃度會(huì)增加，反之，鋅濃度則會(huì)降低。凈化去除率主要受凈化流量的影響，鋅吸收率主要受機(jī)組工況變化（比如溫度變化）和水化學(xué)環(huán)境變化的影響[3]。在硼化和降溫過程，隨著pH值降低，在停止加鋅的情況下，鋅濃度反而升高，最大濃度為283μg/L。因此在HFT期間，當(dāng)出現(xiàn)鋅瞬態(tài)時(shí)，按照如下原則進(jìn)行響應(yīng)：

4.4 鋅濃度超過上限值

由于鋅在系統(tǒng)中存在動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)鋅濃度達(dá)到短期平衡時(shí)，加鋅流量短時(shí)間發(fā)生變化，對(duì)鋅濃度的影響有一定的滯后。另外，鋅的測(cè)量結(jié)果受取樣系統(tǒng)的狀態(tài)影響較大，因此在NOT/NOP平臺(tái)，當(dāng)一回路鋅濃度達(dá)到短期平衡后突然超過限值，先確認(rèn)取樣管線狀態(tài)是否發(fā)生變化。排除取樣管線波動(dòng)的影響后，再確認(rèn)凈化流量、加鋅泵加鋅流量、醋酸鋅配制溶液濃度是否變化。確定一回路鋅濃度真實(shí)超過限值時(shí)，通過降低加鋅速度或增加凈化流量來降低一回路的鋅濃度。當(dāng)NOT/NOP平臺(tái)結(jié)束，開始降溫硼化時(shí)，為降低鋅的返出量，在降溫前一天停止加鋅。硼化和降溫過程鋅濃度如果超出限值，維持凈化流量最大化持續(xù)凈化，無需采取其他措施。

4.5 鋅濃度低于下限值

在NOT/NOP平臺(tái)，當(dāng)一回路鋅濃度低于下限值時(shí)，同樣需確認(rèn)是否是取樣管線長期隔離所致。排除取樣管線的影響，可以提高加鋅流量，維持鋅目標(biāo)濃度。另外在首次加鋅初期，系統(tǒng)對(duì)鋅的吸收速度最大，剛開始加鋅時(shí)鋅濃度無法滿足要求是正?，F(xiàn)象，維持原先的加鋅速度，2-3天后仍未達(dá)到目標(biāo)濃度，可適當(dāng)提高加鋅速度，盡快建立目標(biāo)濃度。

5 結(jié)語

三門核電作為全球首臺(tái)AP1000機(jī)組在HFT期間成功的應(yīng)用了加鋅技術(shù)，通過對(duì)HFT期間的試塊進(jìn)行分析，說明加鋅在系統(tǒng)中形成的氧化膜保護(hù)性能明顯優(yōu)于不加鋅的傳統(tǒng)電站形成的氧化膜。同時(shí)通過在實(shí)踐中對(duì)HFT首次加鋅應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和優(yōu)化，對(duì)后續(xù)新機(jī)組在HFT期間應(yīng)用加鋅技術(shù)起到很好的借鑒意義。