壓水堆核電一回路加鋅技術研究

1、壓水堆核電一回路加鋅技術研究(山東核電有限公司 山東煙臺265116)摘要：壓水堆核電廠加鋅運行經驗表明，核電廠一回路冷卻劑加鋅后，有效降低 一回路輻射場、緩解一回路敏感材料應力腐蝕開裂(pwscc)o我國目前在建的 核電機組將在熱態(tài)功能試驗階段開始加鋅，部分已建成投產機組也將考慮采用此 技術。木文通過對加鋅原理及其對系統的影響分析，結合核電廠實際情況研究了 加鋅過程中的注意事項。關鍵詞：一回路；加鋅；腐蝕；輻射場；注意事項引言在1980s早期，通用公司發(fā)現使用黃銅作為冷凝器管道的沸水堆核電站 中，具有較低的輻射場。后經檢測發(fā)現，給水中含有5-15ppb的鋅濃度。從此 開始認識到鋅在一回路降低

2、輻射場的功能，開展試驗工作。加鋅運行經驗表明，加鋅在降低輻射場、緩解pwscc及堆芯軸向功率偏移(aoa/cips)等方面有很好的效果,加鋅技術在guidelines for the management of materialslssues) (nei03-08)中作為良好實踐推薦使用?；芈?加鋅已經成為一種成熟的技術，廣泛應用于美國、德國、巴西和日木等國家的壓 水堆核電廠。截至2010年,73個pwrs實施了加鋅技術，約占pwrs總數的27%。美國約56%的pwrs實施了加鋅技術，其中超過60%使用西屋燃料的核電機組實 施了加鋅技術。1加鋅的機理在一回路系統水化學工況和運行溫度下，奧氏體不

3、銹鋼和銀基合金形成 雙層氧化物保護膜。內層相對密集、少孔、富珞，為不按化學計量排列的亞珞酸鹽正尖晶石 層,一般形式為(fe, ni, co-) cr2o4o二價陽離子在四面體位置上，三價陽 離子在八面體位置上；鋅離子在四面體擇位能最高(見表1),因而二價鋅離子(zn2+)能從氧化膜內層四面體位置上置換鉆(co2+)和其他二價離子，同吋 改變鎳基合金和不銹鋼表面氧化物保護膜的化學組成，提高氧化膜的抗腐蝕性能, 減少基體金屬的腐蝕和腐蝕產物的釋放。外層多孔，由基體金屬釋放的腐蝕產物或冷卻劑中溶解的腐蝕產物積聚 形成，通常是不按化學計量排列的鐵酸鹽，如nife2o4> cofe2o4等，為反尖

4、晶 石結構。三價鐵離子(fe3+)占據了氧化物晶格中的四面體位置及部分八面體位 置；二價離子(fe2+> ni2+、co2+)位于八面體位置。二價鋅離子(zn2+)在八 面體位置的擇位能非常低，因而鋅離子(zn2+)對氧化物保護膜外層氧化物中的 鎳(ni2+)、鉆(co2+)的置換和釋放的影響比較小。加鋅降低rcs輻射場表現在以下三個方面：(1) 將已經結合在rcs氧化物保護膜上的放射性鉆離子交換下來。(2) 氧化物保護膜上部分四面體位置被鋅取代，抑制放射性鉆結合到氧 化物保護膜上。(3) 鋅改變氧化物保護膜的性質，使其更薄、更穩(wěn)定、更致密、更具保 護性，有效抑制rcs腐蝕和腐蝕產物釋放

5、。美國橡樹嶺國家實驗室模擬壓水堆rcs條件，對鋅的溶解性進行了研究: 在rcs正常ph范圍內，溫度在150°c350°cnj*，鋅的溶解度為100μg/kg 200μg/kg,其溶解度取決于溫度?？梢娫跊]有鋅濃縮過程的前提下，典型壓 水堆鋅濃度范圍內不會有zno的沉積。2加鋅對系統的影響1、注鋅對燃料包殼完整性的影響西屋公司實驗室試驗結果證實注鋅對zircaloy-4或者zirlotm材料沒有 可辨別的影響。根據資料，美國和德國注鋅的核電站，燃料組件類型包含 zircaloy-4、zirlotm和m5,在滿功率運行狀態(tài)下，鋅的目標濃度40ppb,

6、最大 濃度60ppb時，沒有對燃料組件產成負面的影響。2、注鋅對燃料包殼表面沉積物的影響注鋅后，燃料包殼表面沉積物沿著軸向分布在整根燃料組件上（包括格 柵），而沒有注鋅吋，燃料包殼表面沉積物往往集中在燃料組件的下部。注鋅后 的燃料包殼表面沉積物是直徑為納米級的微小顆粒。在高倍顯微鏡下，這些微小 顆粒晶體的表面模糊。而沒有注鋅時，燃料包殼表面沉積物的顆粒直徑要大100 倍，顆粒晶體尖銳、清晰。根據國外運行經驗經過幾個燃料循環(huán)，注鋅之后的燃 料組件表面沉積物變薄、變均勻。燃料組件表面沉積物的這種變化有希望減少燃 料組件失效的可能性。3、注鋅對通量軸向分配不均勻（aoa）的影響美國核電站從2000年

7、1月，除ft. calhoun電站之外，其他電站都沒有 發(fā)現aoa。ft. calhoun電站在注鋅之前就發(fā)生過aoa,注鋅之后有兩個循環(huán)發(fā)現 有aoa。aoa影響因素很多，現在還沒有發(fā)現注鋅與aoa有直接的聯系。理論 上，隨著注鋅吋間的延長，燃料表面的沉積物將減少，有助于避免aoa的發(fā)生。3新建核電機組加鋅注意事項根據質量平衡定律，一冋路系統表面腐蝕產物的釋放量決定了燃料包殼 表面的沉積物。通過分析可得，如果加鋅使得燃料表面沉積物增多、或使沉積 物變得更加致密，則aoa風險增加。因此在加鋅過程中應注意以下幾點：1）鋅能置換二價離子，這些被置換物將釋放進入冷卻劑，冷卻劑中腐 蝕產物濃度升高導致

8、燃料表面積垢增加。為防止燃料表面形成過多積垢，應設置 冷卻劑中鎳的上限值。2）硅含量過高同樣會在燃料表面形成稠密的、無孔的積垢。因此鋅添 加前必須進行硅含量測量。至少連續(xù)兩天取樣分析硅含量≤lppm認為可開始 鋅添加。鋅添加后硅含量超過lppm,需要監(jiān)督燃料其他性能指標，進行aoa風 險評估。3）若系統對鋅的吸附速率很低，在24小吋甚至更短的吋間內檢測到鋅。 此時，應根據鋅濃度上升趨勢，適當調整加鋅速率。4）若系統對鋅的吸附速率很高，并口吸附量很人，24小時后檢測不到 鋅。此時，應以lg/d增長速率大加鋅速率，若三天內仍檢測不到鋅，則可適當 加大加鋅速率。另外，在取樣監(jiān)測吋，應考慮樣品的代表性，以防樣品不具代表性而導 致加鋅速率過快。參考文獻：1 tigeras.a, debec.g, jeannin.b, rocher.a, edf zinc injection: analysis of power reduction impact on the chemistry and radiochemistry parameters, proceedings of the in ter national