朱亞超，梁 魁，蘭萬里，余 濤，溫振洲，陳 宜

（中國核動力研究設計院，四川成都 610213）

0 引言

反應堆作為一個復雜高效的能量發(fā)生系統(tǒng)，在能源、軍工、科研等方面承擔著重要角色，應用前景廣闊。反應堆一回路冷卻劑系統(tǒng)作為導出反應堆堆芯熱能的關鍵，在反應堆長期運行中發(fā)揮著不可替代的作用，必須引起足夠的重視。設備冷卻水系統(tǒng)作為反應堆一回路的輔助系統(tǒng)之一，主要用來冷卻一回路中的設備，發(fā)揮著舉足輕重的作用。該系統(tǒng)主要由設備冷卻水泵、波動箱、熱交換器以及其他閥門、管道、儀表等器件組成，在正常運行工況下向接觸一回路帶放射性介質(zhì)的設備提供除鹽冷卻水，與相應設備發(fā)生熱交換，將熱量傳送至最終熱阱。另外，本系統(tǒng)屬于閉式循環(huán)回路，介于被冷卻設備和環(huán)境原生冷源之間，是防止放射性物質(zhì)向環(huán)境泄漏的重要屏障。設備冷卻水系統(tǒng)長時間循環(huán)冷卻后，會出現(xiàn)水質(zhì)污染、離子過飽和，進而形成大量晶核吸附于換熱器表面，時間一長就會出現(xiàn)結垢，影響設冷水與設備之間的熱交換效率，甚至會產(chǎn)生設備管道腐蝕、漏水等現(xiàn)象，不利于反應堆的長時間穩(wěn)定運行。因此，監(jiān)測設備冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)，確保設備冷卻水水質(zhì)合格就顯得尤為重要。

2015 年，蔣大東[1]針對田灣核電站設備冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)異?，F(xiàn)象，分析了造成水質(zhì)異常的具體原因，并詳細地介紹了技術改造和優(yōu)化的過程，為我國核電廠在控制核島設備冷卻水水質(zhì)方面提供了一定經(jīng)驗。2019 年，金益強[2]等人對核電廠設備冷水結垢、造成腐蝕等水質(zhì)問題進行了一一分析，并分享了其公司在pH 值控制、氯離子控制、微生物控制等方面的方法。2013 年，楊廷[3]等人分析了重要廠用水系統(tǒng)（SEC）水力學設計和RRI/SEC換熱計算的邊界條件和設計輸入，計算了熱負荷區(qū)的邊界值為低溫場址條件下，RRI/SEC 傳熱運行方式提供了重要的設計參考。2020 年，歸東偉[4]針對秦山核電站設備冷卻水系統(tǒng)在冬季運行中遇到的問題做了充分的分析與探討，并最終給出了合理的運行方案。截至目前，關于核電等商用反應堆設備冷卻水系統(tǒng)的研究已有很多，但是針對研究堆的設備冷卻水系統(tǒng)，卻鮮有報告。因此，總結研究堆水質(zhì)問題，優(yōu)化水質(zhì)問題解決方案，就顯得尤為必要。

1 設備冷卻水再充水問題

根據(jù)研究堆水質(zhì)監(jiān)督運行規(guī)程，每月都會有取樣人員在現(xiàn)場對本系統(tǒng)水質(zhì)進行檢測。而現(xiàn)場人員測得的設備冷卻水水質(zhì)檢測分析單表明，設備冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)經(jīng)常出現(xiàn)電導率偏高等情況，見表1。

表1 設備冷卻水水質(zhì)檢測分析單

1.1 設備冷取水異常原因排查

電導率的大小主要取決于溶質(zhì)鹽在水中的離解度及離子的遷移速度，而離解度及遷移速度會受溫度的影響，電解質(zhì)溶液不變的情況下，溫度越高，電導率越大。

針對此種情況，現(xiàn)場運行人員多次進行排查分析驗證，主要包括：①設備冷卻水溫度干擾；②與一次屏蔽水系統(tǒng)的連接閥門內(nèi)漏導致設備冷卻水被污染；③逆變電源應急冷卻水的銅質(zhì)管路腐蝕等。

針對設備冷卻水的溫度影響因素，現(xiàn)場工作人員分別測量了不同負荷狀態(tài)下設備冷卻水的電導率情況，通過查閱記錄發(fā)現(xiàn)，不同負荷狀態(tài)下設備冷卻水溫度變化不大，并且檢測結果表明溫度對設備冷卻水電導率的影響并不明顯。

針對一次屏蔽水系統(tǒng)閥門內(nèi)漏的可能性，考慮到一次性屏蔽水中添加了鉻酸鉀作為系統(tǒng)水的緩蝕劑，如果閥門內(nèi)漏，那么設備冷卻水中的CrO42-必將大幅超標，現(xiàn)場工作人員通過檢測設備冷卻水中鉻酸根離子，發(fā)現(xiàn)其含量微乎其微，這表明鉻酸根離子并不是影響電導率的主要原因，見表2。

表2 設備冷卻水水質(zhì)檢測結果

設備冷卻水系統(tǒng)銅質(zhì)管路腐蝕因素對電導率的影響，根據(jù)水質(zhì)分析結果，銅離子含量與設備冷卻水電導率關系無明顯對應關系，見表3。

表3 設備冷卻水水質(zhì)檢測結果

1.2 現(xiàn)有設備冷卻水系統(tǒng)換水方案的弊端

若無法判斷是何原因引起的設備冷卻水電導率超標，就要對整個冷卻水系統(tǒng)進行換水：根據(jù)該系統(tǒng)設計指示，此時應該先打開去反應堆放射性廢水箱閥門，將系統(tǒng)水排放至此；然后，通過引入二回路備用水艙的備用水源，為系統(tǒng)重新充滿水。根據(jù)現(xiàn)場實際操作情況，這種操作存在以下缺點。

（1）換水耗時過長。設備冷卻水排放過程中，為保證系統(tǒng)管路不合格的冷卻水完全排空，不僅要打開放射性廢水貯存箱手動閥門，還要打開各個被冷卻設備的低點放水閥。在確保不合格冷卻水放空后，逐一關閉低點放水閥，再打開各被冷卻設備的高點放氣閥，才能將二回路備用水艙的水引入系統(tǒng)進行補水。當各被冷卻設備的高點放氣閥有連續(xù)水流出時再將其對應放氣閥關閉，直至最高處控制棒驅(qū)動機構的高點放氣閥有水流連續(xù)溢出，關閉其對應高點放氣閥，此時系統(tǒng)管路已充滿水，關閉系統(tǒng)充水閥。然后需要將兩臺設備冷卻泵輪流啟動，使系統(tǒng)內(nèi)冷卻水沿管道循環(huán)流動，并間隔打開系統(tǒng)各高點放氣閥排放管路殘余氣體，然后再次充水至高點放氣閥出水為止。之后還需對設備冷卻水波動箱充氣建壓，以便維持系統(tǒng)運行壓力，調(diào)節(jié)設備冷卻水體積波動，整個操作下來耗費大量時間。

（2）耗費項目資金。此系統(tǒng)管道內(nèi)不合格的冷卻水排放至反應堆放射性廢水箱，并將按照放射性廢水進行處理，而放射性廢水處理成本相比普通廢水要高很多?？紤]到管道內(nèi)充水量大，并且放射性并沒有超標，因此，這將耗費大量放射性廢水處置資金。

（3）存在放射性危害。整個再充水過程，操作人員需要在反應堆放射性區(qū)域和非放射性區(qū)域內(nèi)觀察各個被冷卻設備的排氣情況，考慮到放射性區(qū)域系統(tǒng)布局復雜，操作人員在里面來回走動，會受到放射性照射。

2 水質(zhì)處理優(yōu)化方案的提出

針對以上設備冷卻水系統(tǒng)的再充水方案，運行組相關人員結合本系統(tǒng)及相關聯(lián)系統(tǒng)的設備和管道的實際布局情況，提出了利用補水系統(tǒng)串洗設備冷卻水系統(tǒng)的解決方案。

2.1 水質(zhì)處理優(yōu)化方案

設備冷卻水系統(tǒng)如圖1 所示，若從S1 閥門引入補水系統(tǒng)，將會有5 個放水位置，分別為閥門S2、S4、S7、S10、S12 處，考慮到應盡可能使補水系統(tǒng)進水流經(jīng)設備冷卻水管道替換原有不合格水質(zhì)，且不向放射性廢水貯存箱排放沒必要的廢水，所以最終提出關閉S11 閥門，從S7 閥門處排放不合格水質(zhì)，這樣補水系統(tǒng)來水先后經(jīng)S1、設備冷卻水泵、設備冷卻水熱交換器、被冷卻設備，最后從S7 排到非放射性廢水箱，整個換水過程除了設備冷卻水波動箱，幾乎全部不合格水質(zhì)都將被排換。所以為更加全面地排換不合格水質(zhì)，最終排換水方案確定為：首先排換設備冷卻水波動箱內(nèi)不合格水質(zhì)，即先打開S10 閥門，排放波動箱內(nèi)不合格水質(zhì)到非放射性廢水箱，一邊排放一邊觀察波動箱內(nèi)壓力下降情況，待波動箱內(nèi)壓力達到0.1 MPa，關閉S10，打開S1 并啟動補水駁運系對系統(tǒng)進行補水，待波動箱內(nèi)壓力上漲到0.2 MPa，關閉S1 并停止補水駁運泵，繼續(xù)打開S10 進行波動箱排換水。如此重復2 到3 次，確保波動箱內(nèi)水合格，然后開后S7 閥門，將S6 和S8 管道間的存水放干凈，關閉S11 打開S6 閥門，同時打開S1 閥門引入補水系統(tǒng)水流，并啟動補水系統(tǒng)的補水駁運泵，開始對循環(huán)管路進行排換水作業(yè)，換水過程同樣注意將波動箱內(nèi)氣壓控制在0.1～0.2 MPa即可。

圖1 設備冷卻水系統(tǒng)

考慮在此過程中，S7 閥門排水速率慢于S1 閥門補水速率，因此，當波動箱壓力達到0.2 MPa 時，應該關閉補水駁運泵和S1 閥門，波動箱壓力會在排換水過程不斷下降，而當波動箱壓力快要到達0.1 MPa 時，打開閥門S1 并啟動補水駁運泵送水至波動箱壓力再達到0.2 MPa。如此反復4～5 次，即可將設備冷卻水排換完成。換水過程需要注意，設備冷卻水泵和設備冷卻水熱交換器都為一備一用設備，因此，換水過程中在某一路水質(zhì)合格后，要切換至另外一路設備。

優(yōu)化后方案的設冷水電導率隨換水時間變化關系如圖2 所示，換水25 min 后，設冷水電導率下降明顯且已合格，之后電導率上升，是因為此時將管路切換至備用設備冷卻水泵和設冷水熱交換器。而后設冷水電導率快速下降至合格。

圖2 優(yōu)化后方案的設冷水電導率隨換水時間變化關系

2.2 優(yōu)化方案的優(yōu)點

與之前排放水方案相比較，該方案具有以下優(yōu)點：①節(jié)約時間，原來方案換水可能需要14 h 才能完成，該優(yōu)化方案整個換水過程只需要2 h，每次可以省去不少處置時間，為項目工程節(jié)約了一定時間；②減少向放射性廢水貯存箱的排水量，節(jié)省放射性廢液處置資金；③該方案操作簡單，節(jié)約人工成本，可操作性更強；④操作人員不用進放射性區(qū)域進行操作，不用穿防護服，減少了職工受放射性輻射劑量，保護職工人身安全。

3 結語

通過對設備冷卻水異常水質(zhì)前后解決方案對比，可以看到，相比之前解決方案，優(yōu)化后的方案明顯減少了處理時間，避免了繁瑣的操作步驟，減少了不必要的放射性廢水產(chǎn)生量，節(jié)省了大量放射性廢水處置資金，運行人員也不用進入反應堆放射性區(qū)域操作，避免了不必要的放射性照射。因此，有理由相信優(yōu)化后方案是值得肯定與執(zhí)行的。