压水堆核电厂换料大修下行一回路除氢原理及控制策略

压水堆核电厂换料大修下行一回路除氢原理及控制策略

阳坤峰，虞泽锋，梁义才，吴金华

（福建宁德核电有限公司，福建福鼎，355200）

摘要

溶解氢含量（以下简称“溶氢”）是压水堆核电厂换料大修下行期间一回路由氢还原环境过渡为氧化环境的一个重要指标。本文介绍了压水堆核电机组换料大修下行期间一回路的除氢原理和方法，同时结合一回路氧化前溶氢控制要求，制定了大修氧化前一回路溶氢控制策略。

关键词

压水堆核电厂，换料大修，一回路除氢

Principle And Application Of Primary Dehydrogenation In Refueling Overhaul Of Pressurized Water Reactor Nuclear Power Plant

Yang Kunfeng, Yu Zefeng, LIANG Yicai, Wu Jinhua
(Fujian Ningde Nuclear Power Co.,Ltd, Fuding 355200, China)

Abstract

Dissolved hydrogen content (hereinafter referred to as "dissolved hydrogen") is an important index for the transition from primary hydrogen reduction environment to oxidation environment during the refueling overhaul of PWR nuclear power plants. In this paper, the principle and method of hydrogen removal in primary circuit during the refuelling overhaul of PWR nuclear power units are introduced, and the control strategy of hydrogen dissolving in primary circuit before primary oxidation is developed.

Key Words

Pressurized water reactor nuclear power plant, refueling overhaul, primary dehydrogenation

1. 引言

压水堆核电机组在功率运行状态下一回路内始终保持氢覆盖，以保证足够的还原环境，从而限制水的辐射分解和氧化剂的产生，进而减少产生不锈钢应力裂纹腐蚀的风险并限制一回路内腐蚀产物的生成[1]。为降低机组换料大修下行过程中一回路发生氢氧混合爆炸的风险，从机组负荷降低开始，至一回路实施氧化前，应尽可能的采取措施降低一回路溶氢含量。

2. 一回路除氢原理和方法

压水堆核电机组换料大修下行过程中一回路除氢主要分为物理除氢和化学除氢两种。

2.1.物理除氢

根据亨利定律可知，在一定的温度下，微溶的气体或其他挥发性溶质在溶液中的溶解度与气体的分压成正比[2]。当气体的分压降低时，气体在溶液中的摩尔分数降低，因此可通过降低氢气分压的方式来降低一回路冷却剂中的溶氢。

根据气体溶解度与温度的关系，在压力一定的情况下，当液体温度升高时，气体的溶解度降低。因此，可通过提高一回路冷却剂的温度来降低一回路冷却剂中的溶氢。

压水堆核电机组下行期间，一回路在氢源隔离和氮气覆盖的情况下，氢气的存在位置主要有三个，分别为一回路冷却剂中的溶氢、稳压器顶部气空间的氢气和RCV容控箱顶部气空间的氢气，其分布位置如图1所示。机组换料大修下行期间一回路除氢的物理方式主要有RCV容控箱氮气吹扫除氢、稳压器气相扫汽除氢和TEP除气器热力除氢三种。

图1.稳压器和RCV容控箱相对位置示意图

2.1.1.RCV容控箱氮气吹扫除氢

RCV容控箱氮气吹扫除氢，是通过氮气将RCV容控箱气空间的氢气吹走，使水中溶氢逐步释放到容控箱气空间，而释放到气空间的氢气又被氮气吹走，周而复始，达到降低一回路溶氢的目的。

2.1.2.稳压器气相扫汽除氢

稳压器气相扫汽除氢，是通过管线连接稳压器气相和TEP头箱（TEP001/008BA），将稳压器气相中氢气排往TEP头箱，降低稳压器气空间氢气含量，使水中溶氢逐步释放到稳压器气空间，释放到气空间的氢气又被排往TEP头箱，达到降低一回路溶氢的目的。

2.1.3.TEP除气器除氢

TEP除气器除氢，是一回路水从TEP头箱，经再生式热交换器加热后进入除气器脱气除氢，除氢后的水再返回RCV容控箱进入一回路，达到降低始水中溶氢的目的。

2.2.化学除氢

依据化学反应热力学和动力学原理[3] ，H2O2在25bar、90℃条件下完全能够跟一回路溶氢反应。化学反应式为：

化学除氢，是在一回路开口前，根据一回路溶氢水平，向一回路加入双氧水，通过化学反应除去水中的溶氢，并最终保持一回路中有一定含量的溶解氧。以某压水堆核电机组为例，一回路体积300m³，所加双氧水为AR级30%，计算得每消耗一回路溶解氢1cc/kg，理论上需加入1.52L AR级30％的双氧水。由于双氧水加入过多可能导致一回路提前氧化甚至氢爆，放射性源相提前脱落，因此，为避免不可控的风险发生，需要采取以下加入方式[4]：

1）采用逐步逼近法，每次加入后，手工测量一回路溶氢含量，以计算下一次双氧水的加入量，即少量多次的原则。

2）首次加入的量要少，最后一次的加入量需加上使一回路保留1-2ppm溶解H2O2的裕度，防止双氧水损失导致加药量不足。

相对于物理除氢，化学除氢可快速降低溶氢含量，但风险更高，因此不建议将化学除氢作为通用除氢方式，可作为物理除氢的补充手段。

3. 一回路溶氢控制策略

压水堆核电机组换料大修下行过程中，各个阶段对于一回路溶氢的控制要求和原因如下：

功率运行期间一回路溶氢控制在25-35cc/kg，可减少产生不锈钢应力裂纹腐蚀的风险并限制一回路内腐蚀产物的生成。

反应堆停堆之前24小时降低至5-20cc/kg，一方面可避免延误停堆时间，另一方面可避免一回路在溶氢过低的状态下功率运行产生水的辐射分解失衡风险。

氧化前一回路溶氢控制≤3cc/kg，避免氧化过程中氢氧混合产生爆炸风险。

为确保机组功率运行至氧化前一回路有序除氢，某压水堆核电厂综合利用一回路的除氢原理与方法，制定了换料大修氧化前一回路溶氢控制策略，详见表2。

表2.压水堆机组换料大修下行期间一回路溶氢控制策略

经实践证明，实施压水堆机组换料大修下行期间一回路溶氢控制策略，可保障换料大修下行过程一回路有序除氢，进而顺利实施一回路氧化。

4. 结束语

通过压水核电机组换料大修下行一回除氢的原理分析和实际应用，该换料大修氧化前一回路溶氢控制策略，风险可控，可确保机组功率运行至氧化前一回路有序除氢，为机组换料大修下行顺利实行氧化提供有利条件。

参考文献

[1]詹小聪.福建宁德核电厂化学与放射化学技术规范的解释[Z]. 福建宁德核电有限公司, 2023

[2]亨利定律常数[EB /OL].(2019-01-30)[2020-06-10].https://wenku.Baidu.com /view /fb4cac2bf424ccbff121dd36a32d7375a417c6b3.html? from = search.

[3]曹锡章，宋天佑，王杏乔，等.无机化学[M].北京: 高等教育出版社,1994

[4]邓军，刘衡，吴华强，等.化学除氢法在压水堆核电机组下行阶段的试用[J].辐射防护通讯,2015

附件1：

作者简介：阳坤峰（1987—），男，2011年毕业于中南大学应用化学专业，理学学士，工程师。联系方式：18859362597