邱 斌，毛玉龍，馮英杰，胡藝嵩，蒙舒祺

一回路腐蝕產(chǎn)物在靈活性燃料管理模式下的沉積行為及源項水平分析

邱 斌，毛玉龍*，馮英杰，胡藝嵩，蒙舒祺

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

壓水堆一回路腐蝕產(chǎn)物的沉積和遷移，不僅會降低燃料包殼傳熱效率，增加源項水平，還可能導(dǎo)致軸向功率異常偏移等現(xiàn)象，影響反應(yīng)堆安全穩(wěn)定運行。為適應(yīng)電網(wǎng)需求變化和提高經(jīng)濟性，越來越多的反應(yīng)堆采用更加先進且靈活的燃料管理策略。為研究不同換料策略下一回路腐蝕產(chǎn)物的沉積行為及源項水平，本文針對某百萬千瓦級壓水堆分別采用18個月?lián)Q料、16/20個月交替換料和24個月?lián)Q料模式開展了分析，并從控制一回路腐蝕產(chǎn)物沉積和放射性的角度給出了最優(yōu)的燃料管理策略。研究結(jié)果表明，24個月?lián)Q料模式的堆芯污垢（Chalk Rivers Unidentified Deposit，CRUD）總量最少、冷卻劑源項水平最低，16/20個月交替換料模式的CRUD總量最多、冷卻劑源項水平最高。綜合考慮腐蝕控制和輻射防護，24個月?lián)Q料模式具有一定的優(yōu)越性。

燃料管理；壓水堆；腐蝕產(chǎn)物；沉積；放射性源項

壓水堆核電站運行期間，一回路中的鋯合金、不銹鋼和鎳合金等材料長期在高溫高壓和腐蝕性水環(huán)境服役中，加上輻照、振動、疲勞、磨損、沖刷等作用，很容易發(fā)生腐蝕。腐蝕產(chǎn)物隨著冷卻劑在一回路中遷移，將在一回路結(jié)構(gòu)材料和燃料元件表面發(fā)生沉積。沉積的腐蝕產(chǎn)物不僅會降低燃料包殼傳熱效率，增加堆芯流動阻力，嚴重時還可能導(dǎo)致流道局部阻塞[1]；一回路的腐蝕產(chǎn)物流經(jīng)堆芯時會活化產(chǎn)生58Co和60Co等放射性同位素，增大一回路源項水平，進而影響反應(yīng)堆維修和檢修人員的輻射劑量率[2-4]；燃料表面污垢（Chalk Rivers Unidentified Deposit，CRUD）還會吸附冷卻劑中的硼元素，嚴重時造成堆芯軸向功率異常偏移[5,6]。

隨著可再生能源的大量投產(chǎn)及電力市場的改革，部分核電站減負荷調(diào)峰現(xiàn)象也越發(fā)頻繁，為追求更高的經(jīng)濟效益，越來越多先進且靈活的燃料管理策略被提出。高立剛[7]等人分析研究了嶺澳核電站分別采用年度1/4換料、18個月?lián)Q料和24個月?lián)Q料的優(yōu)缺點，論證了嶺澳核電站采用年度1/4換料的可行性；王丹[8]和位金鋒[9]則對核電站采用24個月長周期燃料管理進行了研究；劉嬋云[10]等人對兩環(huán)路大型壓水堆開展了12個月、18個月、16/20個月交替以及24個月?lián)Q料的分析研究，完成了多種靈活性燃料管理策略的安全性和經(jīng)濟性評估；許星星[11]等人也對新形勢下的燃料管理優(yōu)化進行了研究。換料策略對不同的核電站的安全性和經(jīng)濟型的優(yōu)勢并不一樣，同時其對燃料設(shè)計、堆芯設(shè)計和熱工水力設(shè)計等方面的影響也不盡相同。一回路腐蝕產(chǎn)物的遷移與沉積作為核電運行中重要的現(xiàn)象之一，在變更換料策略時有必要進行評估。

本文介紹了壓水堆一回路腐蝕產(chǎn)物的沉積原理，并對某壓水堆不同燃料管理策略下的腐蝕產(chǎn)物沉積及源項水平進行了計算分析。

1　理論模型

1.1　腐蝕模型

國內(nèi)外均制定了評估金屬材料腐蝕行為的標準。以圖1給出的示意圖為例，橫軸為材料服役總時間、縱軸為材料腐蝕總量。國外標準[12]以時刻腐蝕總量曲線的切線斜率作為此時的腐蝕速率，國內(nèi)標準[13]則以0時刻和時刻連線的正切值作為時刻的腐蝕速率。腐蝕曲線通常根據(jù)各種材料的實驗數(shù)據(jù)擬合、或反應(yīng)堆運行期間的測量數(shù)據(jù)反推，經(jīng)驗性較強。從腐蝕曲線可以看出，不論采用何種評價標準，隨著服役時間增加，腐蝕速率都呈逐漸下降趨勢。

圖1 腐蝕行為評價標準示意圖

1.2　沉積和活化模型

金屬材料在服役環(huán)境下形成的腐蝕產(chǎn)物主要以鐵基鎳酸鹽的形式沉積并形成一層輸送的腐蝕薄膜。經(jīng)過溶解、沉積的動態(tài)平衡，遷移到堆芯時，其中的Ni和Co等元素會被中子活化生成58Co和60Co，一回路冷卻劑中主要腐蝕活化產(chǎn)物還有58Ni、59Fe、51Cr等，其來源見表1[14]。為計算冷卻劑中腐蝕產(chǎn)物含量及結(jié)構(gòu)材料表面腐蝕產(chǎn)物沉積量，將一回路系統(tǒng)進行區(qū)域劃分，考慮腐蝕產(chǎn)物在一回路系統(tǒng)中的侵蝕、沉淀、溶解、熱擴散和沉積等現(xiàn)象，單位面積上沉積元素的質(zhì)量可表述為[15]；

其中：——壁面腐蝕產(chǎn)物質(zhì)量，kg；

——顆粒態(tài)腐蝕產(chǎn)物濃度，kg/m3；

p——顆粒態(tài)腐蝕產(chǎn)物沉積系數(shù)，m/s；

——離子態(tài)腐蝕產(chǎn)物沉淀速率，m/s；

——離子態(tài)腐蝕產(chǎn)物飽和溶解度，kg/m3；

——離子態(tài)腐蝕產(chǎn)物濃度，kg/m3；

——面積，m2；

——節(jié)點間的傳質(zhì)系數(shù)；

——時間，s。

表1　壓水堆一回路冷卻劑中主要腐蝕活化產(chǎn)物的來源

活化腐蝕產(chǎn)物主要有兩種形式：主冷卻劑中的溶解和非溶解態(tài)的活化腐蝕產(chǎn)物以及沉積在系統(tǒng)和管道上的活化腐蝕產(chǎn)物。根據(jù)國內(nèi)外核電廠的運行經(jīng)驗反饋，58Co和60Co兩種核素在停堆時貢獻了輻射劑量率的85%以上[16]。關(guān)于一回路冷卻劑中放射性核素的活度濃度可表示為[17]：

——化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的凈化流量，m3/h；

——凈化時間，h；

——一回路水體積，m3；

DF——凈化系統(tǒng)對一回路冷卻劑中腐蝕產(chǎn)物的去除因子。

2　分析方法

本文針對某百萬千瓦級壓水堆核電站分別采用18個月?lián)Q料、16/20個月交替換料（以下簡稱“交替換料”）和24個月?lián)Q料模式下的一回路腐蝕產(chǎn)物沉積及源項水平進行計算分析。分析時從首循環(huán)開始，歷經(jīng)第2循環(huán)和第3循環(huán)兩個過渡循環(huán)，從第4循環(huán)開始進入平衡循環(huán)。計算步驟如下：

（1）通過三維核設(shè)計程序COCO[18]計算得到堆芯軸向和徑向功率分布；

（2）再由堆芯熱工水力子通道程序LINDEN[19]計算堆芯內(nèi)局部熱工水力參數(shù)；

（3）最后采用污垢分析軟件CAMPSIS[20]計算CRUD沉積和一回路源項水平。

本文分析的壓水堆共有157組燃料組件，首循環(huán)采用低泄漏的堆芯布置方式，后續(xù)基于首循環(huán)堆芯設(shè)計開展三種長周期換料策略。18個月?lián)Q料策略的平衡循環(huán)中換料組件數(shù)為64盒，按富集度分兩批，分別為36組4.55%富集度組件和28組4.95%富集度組件；16/20個月交替換料策略中，16個月?lián)Q料的平衡循環(huán)中采用33組4.30%富集度組件和24組4.75%富集度組件，共計57組新組件；20個月?lián)Q料的平衡循環(huán)中采用36組4.70%富集度組件和36組4.95%富集度組件，共計57組新組件；24個月?lián)Q料策略的平衡循環(huán)中采用92組燃料組件，平均富集度為4.95%[21]。

3　計算結(jié)果及討論

表2和圖2分別給出了不同換料策略下的CRUD總量和主管道沉積源項水平，圖3～圖6分別給出了不同換料策略下冷卻劑中58Co、60Co和51Cr放射性源項活度，計算結(jié)果表明：

（1） 16/20個月交替換料產(chǎn)生的CRUD總量較18個月?lián)Q料和24個月?lián)Q料偏大，24個月?lián)Q料產(chǎn)生在前幾個循環(huán)的CRUD總量與18個月?lián)Q料相當(dāng)，后幾個循環(huán)產(chǎn)生的CRUD總量最小；

（2） 24個月?lián)Q料的主管道沉積源項水平最高，16/20個月交替換料策略的主管道沉積源項水平與18個月?lián)Q料相當(dāng)；

（3）24個月?lián)Q料產(chǎn)生的一回路冷卻劑中58Co和51Cr放射性活度最小，一回路冷卻劑中60Co放射性活度最大。

表2　不同換料策略下的CRUD總量

圖2　不同換料策略下的主管道沉積源項水平

圖3　不同換料策略下的冷卻劑58Co活度

圖4　不同換料策略下的冷卻劑60Co活度

圖5　不同換料策略下的冷卻劑51Cr活度

注：A、B、C分別表示18個月?lián)Q料、16/24個月交替換料和24個月?lián)Q料。

結(jié)合圖6對上述趨勢進行分析，可知：

（1）腐蝕產(chǎn)物的沉積速率是影響CRUD總量的重要因素，換料周期時間越短，腐蝕沉積速率越大，16/20個月交替換料策略下的平均腐蝕沉積速率相對較大，導(dǎo)致產(chǎn)生的CRUD總量最大；

（2）換料周期時間越長，腐蝕產(chǎn)物的在主管道中沉積總量就會越多，沉積源項水平就會越大，所以24個月?lián)Q料策略下的主管道沉積源項最高；

（3）長周期24個月?lián)Q料下的腐蝕產(chǎn)物總量較小，導(dǎo)致一回路冷卻劑中活化的58Co和51Cr放射性活度也最小，而60Co的半衰期較長，換料時間越長，所以累積的60Co也越多。

4　結(jié)論

本文揭示了壓水堆腐蝕產(chǎn)物沉積機理，并評估了某壓水堆在三種不同換料策略下的CRUD總量、主管道和冷卻劑中源項水平，主要結(jié)論如下：

（1） 24個月?lián)Q料的CRUD總量最少、16/20個月交替換料的CRUD總量最多；

（2） 24個月?lián)Q料的冷卻劑源項水平最低、16/20個月交替換料的冷卻劑總量最高；

（3） 24個月?lián)Q料的主管道沉積源項水平最高、16/20個月交替換料和18月?lián)Q料的主管道沉積源項水平相當(dāng)。

綜上所述，24個月?lián)Q料模式的CRUD總量最少、冷卻劑源項水平最低，從腐蝕控制和輻射防護角度，24個月?lián)Q料策略具有一定優(yōu)勢。

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Analysis of the Primary Corrosion Product Deposition Behavior and Radioactivity Level under Flexible Fuel Management Strategies

QIU Bin，MAO Yulong*，F(xiàn)ENG Yingjie，HU Yisong，MENG Shuqi

（China Nuclear Power Technology Research Institute，Shenzhen of Guangdong Prov. 518000，China）

The deposition of corrosion products in the PWR primary circuit will not only reduce the heat transfer efficiency and increase the radioactivity level, but also lead to abnormal axial power deviation of core, which will seriously affect the safety of nuclear reactors. For better adapting to the change of power grid demand and improving economy, more and more reactors adopt more advanced and flexible fuel management strategies. In order to study the deposition behavior and radioactivity level of corrosion products in the primary circuit under different refueling strategies, this paper analyzes the 18-month refueling mode, 16/20-month alternate refueling mode and 24-month refueling mode respectively for a 1000 MWe PWR, and gives the optimal flexible fuel management strategy from the perspective of controlling deposition and radioactivity. The results show that the total CRUD amount and coolant radioactivity level are the least in 24-month refueling mode, compared to the highest in 16/20-month refueling mode. Considering corrosion controlling and radiation protection, the 24-month refueling mode has advantages.

Fuel management strategies; PWR; Corrosion products; Deposition; Radioactivity

TL364

A

0258-0918（2022）06-1248-05

2022-02-17

國家自然科學(xué)基金（U20B0211，針對堆芯氧化腐蝕產(chǎn)物材料-熱工-中子行為的多物理耦合機理）；國家自然科學(xué)基金（52171085，模擬壓水堆一回路冷卻劑中燃料包殼管表面污垢沉積行為與機理研究）

邱 斌（1991—），男，廣東深圳人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆一回路熱工水力和水化學(xué)研究

毛玉龍，E-mail：maoyulong@cgnpc.com.cn