三门1号机组热态功能试验期间加锌技术应用

时间：2024-04-25

姜磊孟宪波

三门核电有限公司浙江台州 317112

三门核电一期工程采用美国西屋公司设计的AP1000机组，根据设计方要求，在热态功能试验期间（以下简称HFT）就开始向一回路加锌，目的是降低运行期间堆芯外辐射场[1]。三门核电1号机组作为国内首台在热态功能试验期间加锌的电站，从加锌速率控制、锌溶液配制、锌浓度范围控制、取样监督要求、瞬态及异常响应等都无经验可循。本文介绍了三门1号机组HFT期间加锌策略的制定、加锌过程实施控制、效果评价等，并结合运行经验，对热态功能试验期间的加锌策略进行优化，为后续新机组加锌控制提供借鉴。

1 加锌速率的确定

加锌技术目前在国内尚无应用经验，在国际上绝大多数加锌电站都是在经历过几个或十几个循环寿期后才开始加锌，目前世界上唯一一台在HFT期间加锌的电站是日本的Tomari3机组，但其锌浓度控制范围为1-5μg/L，和AP1000机组20-100μg/L的控制范围相差甚远，因此可以说AP1000机组在HFT期间对加锌速率的控制并无经验可循。

对于首次加锌的电站而言，如何确定加锌速率至关重要。当锌达到目标浓度后，最佳锌添加速率主要由两个因素决定：下泄净化回路对锌的去除率以及系统表面氧化膜对锌的吸附率。净化对锌的去除量可以根据净化流量和除盐床的效率计算，但系统表面的吸附量比较复杂，其吸收率取决于冷却剂中锌浓度、材料表面积、材料特性和表面状态等因素，很难通过理论计算。

根据加锌电站运行经验，在首次加锌时加锌速率维持在15-20g/天[2]，需要20天左右才能检测到冷却剂中的锌含量。说明首次加锌材料对锌的吸收速率很快。随着系统表面上锌的不断吸收，冷却剂和金属表面的锌浓度差变小，锌的吸收速率也会变小，此时加锌速度大于锌吸收速率，冷却剂中的锌浓度逐渐升高，并最终达到目标浓度。因此为了简化计算，同时保守决策，假设开始加锌时即达到目标浓度，加锌流量计算简化公式如下：

对上式进行转化：

其中：

F：锌添加速率，g/天；

C0：一回路目标锌浓度，μg/L；

Vp：净化流量，m3/h；

24：时间单位转换，h；

β：锌吸收率，%；

10-3：单位转换。

已运行的电站，首次加锌时，在5-20μg/L目标锌浓度控制范围下，锌的吸收率为80%-90%。AP1000机组HFT期间锌浓度范围为20-100μg/L，目标浓度60μg/L，锌浓度差更大，理论上对锌的吸收速率应＞90%。因此保守决策，根据AP1000机组HFT期间锌浓度控制范围，假设吸收率为90%，同时机组净化流量为22.4m3/h，加锌速率计算如下：

加锌流速（F）（最小值）＝20×22.4×24×10-3÷（1-90%）=107g/天

加锌流速（F）（最大值）＝100×22.4×24×10-3÷（1-90%）=537g/天

所以理论上按最小值添加可以维持一回路的锌浓度不小于20μg/L，以最大值添加可以控制锌浓度不超过100μg/L。

由于三门核电1号机组是首次在热态功能试验期间维持高锌浓度，没有运行经验，保守决策，按照理论计算的最小值添加，预计从177℃升温至正常温度/压力（以下简称NOT/NOP）平台约4-5天时间，设定的加锌速率为：177℃温度平台100g/天，232℃温度平台200g/天，292℃温度平台若仍没有达到目标值，按照400g/天的速率添加，添加过程中根据分析结果动态调整加锌速率。

2 加锌实施过程

当一回路温度首次达到177℃时，由于注锌泵故障，无法加锌，直到232℃才开始加锌。考虑达到NOT/NOT平台时间缩短，因此将加锌速率设定为200g/天。开始加锌的4天时间内，冷却剂中检测的平均锌浓度1.5μg/L左右。为尽量达到目标锌浓度，提高加锌速率至350g/天，2天后锌浓度达到60μg/L目标浓度，停止加锌。随后锌浓度开始呈下降趋势。重新以50g/天的速率开始加锌，维持锌浓度在60-100μg/L之间。临近NOT/NOP平台末期，再次提高加锌速率至100-150g/天，直至降温前一天，停止加锌。加锌速率与锌浓度变化趋势如下图1：

图1 加锌速率与一回路冷却剂系统锌浓度变化趋势Fig.1trend of injection zinc rate and zinc concentration in RCS surface

通过上图分析，HFT期间首次加锌时，锌浓度变化趋势分三个阶段：

2.1 锌快速吸收阶段

这一阶段，一回路系统表面对锌的吸收速度非常快，加入的锌几乎都被系统表面吸收，导致一回路的锌浓度维持在较低水平波动，没有明显变化。

三门核电1号机组从开始按照200g/天的速度加锌，到锌浓度从2pbb 左右突然升高至16.7μg/L，累计加锌时间超过4天。锌的吸收率为99%。在此期间，基本维持加锌速率恒定。

2.2 锌浓度快速升高阶段

当一回路温度至292℃，为了尽快到达目标锌浓度，加锌速度提高至350g/天。加锌速率提高后2天，锌浓度升高至65μg/L，吸收率为99%-94%。

2.3 锌浓度稳定阶段

当达到目标锌浓度后，加锌速率调整为50g/天，基本可以维持60μg/L的目标锌浓度。这段时间会一直持续到钝化结束，吸收率为77%。

3 加锌效果评价

为了验证HFT期间一回路结构材料表面钝化效果，试验前在压力容器中放入10个试块，其中5个690TT合金材料，5个304H不锈钢材料。试验结束后，采用扫描电子显微镜（SEM）对试块晶体结构进行分析，304H不锈钢氧化膜晶粒大小在100-500nm之间，690TT合金氧化膜晶粒大小在10-100nm之间。和未加锌的电站HFT期间试块分析结果相比，304H和690TT合金氧化膜晶粒大小都明显偏小，晶粒间结合更紧密，说明在加锌条件下，结构材料形成的氧化膜保护性更强[3]。

4 优化及改进建议

4.1 加锌速率的确定

三门核电1号机组在HFT期间首次加锌数据表明，材料表面对锌的吸收率是加锌量和加锌时间的函数关系，因为加锌量和持续时间会改变锌在材料表面的扩散速度。初次加锌时，材料表面未结合锌，因此锌的扩散速度和吸收速率很高，导致冷却剂中的锌浓度很低，甚至无法检测到。随着材料表面对锌的不断吸收，溶液和材料表面的锌浓度差变小，锌的扩散速度和吸收速度变小，当加锌速率大于吸收速率时，冷却剂中锌浓度开始升高，并最终接近目标浓度。建立锌动态平衡后，如果降低加锌量，由于材料中锌的返出，系统中锌浓度不会立刻降低，而是继续维持平衡或逐渐降低，直至与调整后的加锌流量重新建立平衡。

HFT期间，如果冷却剂中锌浓度能够尽快达到目标值，那么就可以使锌暴露在NOT/NOP平台的时间尽可能长，从而促进氧化膜对锌的吸收，使形成的氧化膜保护性更强。为实现这一目标，在加锌初期，应尽可能的提高锌添加速率。根据三门核电1号机组加锌经验看，当加锌速率达到350g/天，仍然需要2天才能达到目标浓度，而按照200g/天的速率添加，4天后才能检测到锌。由于三门核电是首台HFT加锌的AP1000机组，在制定加锌速率相对保守。根据1号机组经验，对于后续在HFT期间首次执行加锌的电站，初始锌添加速率可以控制在350g/天，在有限的时间内尽快达到锌的目标浓度，尽量促进材料表面对锌的吸收，提高氧化膜的钝化效果。建立目标浓度后，可根据锌浓度变化，在0-200g/天范围内调整加锌速度，维持其目标浓度。

4.2 氧化运行

压水堆核电站功率运行后停堆期间，通过向一回路添加氧化剂，强迫建立酸性氧化性环境，促进腐蚀产物释放，以降低停堆剂量率，该方式称为氧化运行[4]。为尽可能去除HFT期间形成的腐蚀产物，三门核电在HFT期间也执行了氧化运行。

氧化运行前一回路系统镍含量最大值为263μg/L，氧化运行后镍浓度峰值694μg/L，腐蚀产物释放量增加2.5倍左右。说明HFT期间执行氧化运行，能有效促进腐蚀产物释放。另外首次加锌本身可置换出更多的腐蚀产物，若不尽可能将其释放和去除，会导致运行期间的活化腐蚀产物量增加。因此对于在HFT期间加锌的电站，建议其在降温过程执行氧化运行，促进腐蚀产物的释放和去除，降低装料后循环期间的剂量率。

4.3 锌瞬态控制

加锌过程中，引起锌瞬态的因素主要包括加锌流量、净化去除率和锌吸收率。如果加锌速度大于锌的吸收率和净化去除率，系统中的锌浓度会增加，反之，锌浓度则会降低。净化去除率主要受净化流量的影响，锌吸收率主要受机组工况变化（比如温度变化）和水化学环境变化的影响[3]。在硼化和降温过程，随着pH值降低，在停止加锌的情况下，锌浓度反而升高，最大浓度为283μg/L。因此在HFT期间，当出现锌瞬态时，按照如下原则进行响应：

4.4 锌浓度超过上限值

由于锌在系统中存在动态平衡，当锌浓度达到短期平衡时，加锌流量短时间发生变化，对锌浓度的影响有一定的滞后。另外，锌的测量结果受取样系统的状态影响较大，因此在NOT/NOP平台，当一回路锌浓度达到短期平衡后突然超过限值，先确认取样管线状态是否发生变化。排除取样管线波动的影响后，再确认净化流量、加锌泵加锌流量、醋酸锌配制溶液浓度是否变化。确定一回路锌浓度真实超过限值时，通过降低加锌速度或增加净化流量来降低一回路的锌浓度。当NOT/NOP平台结束，开始降温硼化时，为降低锌的返出量，在降温前一天停止加锌。硼化和降温过程锌浓度如果超出限值，维持净化流量最大化持续净化，无需采取其他措施。

4.5 锌浓度低于下限值

在NOT/NOP平台，当一回路锌浓度低于下限值时，同样需确认是否是取样管线长期隔离所致。排除取样管线的影响，可以提高加锌流量，维持锌目标浓度。另外在首次加锌初期，系统对锌的吸收速度最大，刚开始加锌时锌浓度无法满足要求是正常现象，维持原先的加锌速度，2-3天后仍未达到目标浓度，可适当提高加锌速度，尽快建立目标浓度。