核电站反应堆冷却剂系统_讲义(编辑修改稿)

核电站反应堆冷却剂系统_讲义(编辑修改稿)内容摘要：

于 7，碱性溶液 PH 值大于 7。 PH 值随温度而变化，高温下中性溶液纯水的 PH 12 值向 7 以下偏移。 在压水堆中，冷却剂略偏碱性能提高不锈钢和镍基合金的耐腐蚀性。 但对锆合金，水质偏碱 PH 值达到 12 时会导致腐蚀加快，因此压水堆冷却剂 PH 值以 ～ 为最佳。 另外，在碱性溶液中腐蚀产物会从热表面上溶解转移到冷表面上沉积，这有利于防止 RCP 系统腐蚀产物向堆芯转移，且能使沉积于堆芯的腐蚀产物向堆芯外转移。 RCP 系统中，用于反应性控制的硼酸会使冷却剂呈弱酸性，所以要用添加 PH值控制剂来提高冷却剂的 PH 值。 1) 水中氧 氧是活泼的腐蚀元素，它与多种元素结合生成氧化物。 它还是其他元素侵蚀钢材的催化剂。 因此冷却剂水中游离氧的存在是造成金属结构材料腐蚀的重要原因。 氧在冷却剂中的主要来源是来自 REA 系统经热力除氧后的 补给水中仍残留的溶解氧；冷却剂在检修、换料中与空气中的氧直接接触而溶入的氧；以及冷却剂在堆芯辐照分解生成的氧。 压水堆运行中氧的限值要求小于 ppm。 2) 水中氯 奥氏体不锈钢破坏的几率随冷却剂水中氯离子浓度的增加而增大。 在含氧量较高的水中则更为严重。 冷却剂水中溶解氧和氯离子共同作用是不锈钢应力腐蚀破裂的重要原因。 这种腐蚀造成了核电站蒸汽发生器等主要设备的严重损坏。 因此压水堆正常运行中规定冷却剂水中的氯含量应小于 ppm。 3) 水中氟 冷却剂水中含有微量的氟会显著增加锆合金的初始腐蚀速率和增加锆吸氢而造 成锆的氢脆。 氟又能在氧的催化下引起不锈钢的应力腐蚀。 压水堆冷却剂要求氟含量限值小于 ppm。 引起冷却剂放射性增加的因素是： a) 裂变产物 裂变产物对 RCP 系统冷却剂污染的主要途径是包壳破损放射性产物释放。 其次是包壳表面不可避免的微量铀污染，造成运行中铀裂变释放裂变产物；冷却剂氢核吸收中子活化生成氚或有 ～ 1 %的裂变产物氚穿过锆包壳扩散到冷却剂中。 b) 活化产物 冷却剂中杂质、化学添加剂及腐蚀产物在堆芯内吸收中子后活化产生放射性。 如果堆芯燃料包壳不破损，则活化产物将是 RCP 系统冷却剂放射性的主要来源。 化学 控制的基本原理是净化和加药（图 3— 2）： 1) RCP 系统启动升温升压过程中，通过 REA 系统化学添加箱，经由 RCV 系统向 RCP系统注入一定数量的联氨（ N2H4），以去除冷却剂中的残余氧。 联氨除氧化学方程为： N2H4＋ O2→ 2H2O＋ N2↑ 用联氨除氧的最佳温度在 90～ 120 ℃之间，此时反应速率最快。 温度太高联氨会分解，达不到除氧目的。 因此要求冷却剂温度在接近 90 ℃时添加联氨，在 90～ 120 ℃间停留数小时，待冷却剂中含氧量合格后继续升温。 过量联氨在额定温度下将全部分解，不会造成不良后果。 2) 压水堆正常运行时， 向 RCP 系统加入过量的氢气，可以减少冷却剂在堆芯辐照分解产生的游离氧。 一定浓度的氢含量不但能抑制冷却剂在堆芯的辐照分解，同时还有利于辐照合成氨（ NH3），而除去冷却剂中的氮气，避免氮在水中遇氧辐照下合成为硝酸（ HNO3）引起冷却剂 PH值下降。 RCP 系统冷却剂中氢含量应维持在25～ 35 mg/g。 3) 利用 RCV 系统化学添加箱向 RCP 系统注入 PH 值控制剂用以控制冷却剂水的 PH值呈偏碱性（ ～ ）。 控制剂应具有良好的 PH 控制能力；良好的核性能，尽 13 量少产生感生放射性；良好的物理、化学稳定性；以及低廉的价格。 氢氧化锂（ LiOH）是一种较理想的 PH 值控制剂。 由于天然锂中含有 %的 6Li，而 6Li 的热中子吸收截面很大， 6Li（ n， T） 4He 反应会生成大量的氚，故用天然的 LiOH 作为 PH值控制剂将会给反应堆运行，维修和三废处理带来不利因素。 用高纯度 7Li（ %）氢氧化物作 PH值控制剂避免了上述缺陷，可使冷却剂氚浓度由 280 μCi/L 降至 2 μ Ci/L 以下。 采用高纯 7Li 氢氧化物作 PH值控制剂，其 PH 控制能力强，中子吸收截面小，腐蚀性较小。 其缺点是高纯 7Li 氢氧化物是一种非挥发性碱，会在 RCP 系统局 部，特别是在堆芯结构缝隙局部浓集，造成苛性腐蚀；价格昂贵不易得到。 在压水堆建成初期的运行中，由于 RCP 系统冷却剂采用很高的硼浓度用以控制新堆的后备反应性，所以此时即使添加大量的 LiOH，其 PH 值一般也达不到。 4) 在下泄流净化回路中设置过滤器，用以去除胶状悬浮物和大于 5 μ m 的固体颗料杂质。 5) 净化系统两台并联的混合床离子交换器，平时一台运行（另一台备用），用以去除离子状杂质和大部分裂变产物。 该离子交换器在燃料元件包壳 1 %破损时，每个交换器的吸附容量均在三个月以上。 化学控制还包括通过扫气，定期排放积聚在 容积控制箱气腔内的裂变气体；在设备预加热操作时，用氮气清扫水中排出的溶解氧；在压水堆停闭时用氮气降低冷却剂中释放出的氢气的浓度。 反应性控制原理 利用调节 RCP 系统冷却剂水中硼浓度来补偿压水堆运行中反应性的变化，用以确保控制棒调节组件位于正常使用的调节范围，使反应堆正常运行；在压水堆需要停堆时，获得足够的停堆深度。 1) 加硼：加硼操作为手动操作，需要时由硼和水补给系统（ REA）经由上充泵吸入口，向 RCV 系统注入预先确定体积的高浓度硼水，上充给 RCP 系统。 同时在下泄回路容积控制箱上部入口处向硼回收系统（ TEP）排掉等量的 RCP 系统冷却剂，从而提高系统冷却剂的含硼量使之达到预定值。 加硼操作一般用在反应堆因氙 — 14 135 消失，冷却剂温度下降等原因造成的反应性增加时。 操作中容积控制箱水位基本保持不变。 加硼操作也可用于核电站停堆换料前，向 RCP 系统冷却剂内大量加硼，使硼浓度达到 2100 ppm。 2) 稀释：稀释操作也为手动操作，需要时由 REA 系统经由上充泵入口向 RCV 系统注入预先确定容积的纯水，上充给 RCP 系统，同时在下泄回路容积控制箱上部入口处向硼回收系统（ TEP）排放相同容积的 RCP 系统冷却剂，从而使冷却剂含硼浓度降低 至某一所要求的值。 稀释操作通常用在补偿压水堆因燃耗、氙 — 135 浓度增加或冷却剂温度上升等原因造成的反应性减少时。 操作中容积控制箱水位基本不变。 3) 除硼：除硼操作也为手动操作，需要时将下泄流流经硼回收系统（ TEP）中的除硼离子交换器，用以降低或除掉 RCP 系统冷却剂中的含硼量。 除硼后的冷却剂再返回至 RCV 系统容积控制箱入口。 除硼操作的目的、用途与稀释操作相同，但除硼一般使用在压水堆堆芯循环周期末，此时因 RCP 系统冷却剂中含硼量较低（在 300 ppm 以下），若使用稀释方法，排出的废水量会很大。 通过除硼操作降低硼浓度 ，就基本上不产生废水。 由于除硼方式仅在下泄流管线上串接一个除硼离子交换器，因此除硼运行中既无向 TEP 系统的排放，容积控制箱水位也不会发生变化。 4) 补给：补给操作处在自动调节状态，取决于容积控制箱内的水位。 当容积控制箱水位低时，将由 REA 系统经由上充泵吸入口向 RCV 系统注入与 RCP 系统冷却剂硼浓度相等的含硼水。 当补水使容积控制箱水位达到正常运行规定值范围时，补给自动停止。 四、 RCV 系统流程及设备 化学和容积控制系统（ RCV）由下泄回路、净化回路、上充回路、轴封注水及过剩下泄回路四部分组成（图 3— 3）。 15 下泄回路 压水堆稳态正常运行时，冷却剂从一条环路的冷段引出，经两个气动隔离阀（ 00003VP）进入再生热交换器壳侧，被管侧上充流冷却。 下泄流正常流量为 ～ m3/h，温度由 ～ 292 ℃降至～ 140 ℃。 由再生热交换器引出的下泄流经三组并联的下泄孔板减压（正常时一组运行），使压力由 155bar（ abs） 降到～ 24 bar（ abs）。 然后流出反应堆厂房（安全壳），进入设在核辅助厂房内的非再生下泄热交换器管侧，被壳侧 RRI 系统设备冷却水冷却，下泄流冷却剂温度由 ～ 140 ℃降至～ 46 ℃。 由下 泄热交换器引出的下泄冷却剂流经压力控制阀（ 0 1 3 V P ） 进 行 再 次 减 压。 压 力 由 ～ 24 bar（ abs） 降 至 16 ～ bar（ abs）后进入过滤器滤去冷却剂中胶状悬浮物和尺寸大于 5μ m 的固体颗粒杂质。 随后经 017VP 三通阀进入容积控制箱或净化回路。 从 RCP 系统引出的下泄流冷却剂必须要降温降压，这是因为净化回路中离子交换树脂不能承受 60 ℃以上的高温，所以必须要降温至～ 46 ℃。 为了充分的回收利用这部分热量， RCV 系统首先采用再生热交换形式，在冷却下泄流的同时，对上充回路经净化的冷水进行加热，以回收热量。 随后再 在下泄热交换器中利用设备冷却水将下泄流冷却剂降温至允许值。 除了温度问题外， RCV 系统净化回路以及与 RCV系统相连接的其他系统都处于低压状态，所以必须将下泄流压力降至 ～ bar（ abs）。 为避免冷却剂汽化，降压只能在冷却剂降温后进行，如同降温冷却分两级进行一样，降压也分两级，即在每个冷却段后进行一次降压。 下泄流的降温降压过程可用图 3— 4 来表示。 在 RRA系统投入运行时， RCP 系统冷却剂主要经过 RRA系统引出，经两个隔离阀（ 3082VP）到达下泄孔板的下游。 这是因为下泄孔板阻力太大，低压状态冷却剂 几乎无法通过。 1) 再生热交换器 001EX（图 3— 5） 17 再生热交换器用于下泄流降压前首次冷却降温。 其热量由上充流冷却剂回收利用。 再生热交换器运行参数如表 3— 1。 表 3— 1 再生热交换器运行参数 名称 /单位 数值 设计压力 bar（ abs） 设计温度 ℃ 运行压力 bar（ abs） 流量 t/h 入口温度 ℃ 出口温度 ℃ 压降 bar 传热量 KW 下泄（壳侧） 172 343 上充（管侧） 190 284 额定 166 292 140 2610 最大 166 292 145 5070 额定 167 54 266 2610 最大 167 54 233 5070 2) 下泄降压孔板 00 00 003DI 下泄降压孔板用于下泄流第一级降温后的首次降压。 三个孔板并联安装，分别由隔离阀（ 0 0 09VP）控制。 正常运行一路投入，需增加下泄流量时，可同时投入二路或三路孔板。 下泄降压孔板运行参数见 3— 2。 表 3— 2 下泄降压孔板运行参数 18 名称 /单位 数值 设计压力 bar（ abs） 设计温度 ℃ 运行入口压力 bar（ abs） 运行温度 ℃ 额定流量 t/h 额定流量下压头损失 bar 172 343 159 正常 140 最大 193 ～ 131 3) 非再生下泄热交换器 002RF（图 3— 6） 非再生下泄热交换器用于对下泄降压孔板出口冷却剂的再降温冷却，直到达到净化回路离子交换树脂所允许的温度限值，防止在第二级降压时冷却剂汽化。 冷却水来自 RRI 系统。 热交换器出口冷却剂水温由 RRI 系统冷却水流量调节阀控制。 温度信号取自热交换器冷却剂出口。 002RF 热交换器运行参数见表 3— 3。 表 3— 3 下泄热交换器运行参数 名称 /单位 数值 设计压力 bar（ abs） 设计温度 ℃ 下泄（管侧） 50 204 冷却水（壳侧） 93 19 运行压力 bar（ abs） 流量 m3/h 入口温度 ℃ 出口温度 ℃ 压降 bar 传热量 KW 额定 28 140 46 1490 最大 28 145 46 3140 额定 8 28 ＜ 35 1490 最大 8 135 ＜ 35 3140 4) 压力控制阀 013VP 013VP 阀又称低压降压阀，用于下泄流第二级降压，由压力调节器控制，压力信号在该控制阀前取出。 013VP 阀也可手动操作。 5) 净化过滤器 001FI（图 3— 7） 001FI 过滤器用于过滤胶状悬浮物和大于 5 μ m 的固体颗料杂质，以保护净化离子交换树脂。 过滤器滤芯可以更换。 6) 净化旁路三通阀 017VP 净化离子交换树脂的工作温度为 46～ ℃，如进入净化 回路的冷却剂温度高于57 ℃时，为防止树脂高温下破坏失效， 017VP 三通阀会自动切换，旁通净化回路，直接将下泄流导入容积控制箱 002BA。 净化回路（图 3— 8） 冷却剂经三通阀 017VP 进入两台并联的混床离。