超微米水过滤器在压水堆核电厂应用前景分析

侯东

【摘 要】在核电站一回路工艺系统运行中，为净化工艺系统水质和截留放射性腐蚀产物、机械杂质及破碎树脂等颗粒杂质，设置了十几只过滤器来满足核电站运行的水质要求。随着过滤技术的不断进步，新型过滤材料不断被研制，越来越多的核电厂开始对水质提出更高的要求，并采用新型的超微米过滤器来应用到系统中。本文通过对压水堆核电厂一回路采用的水过滤器的使用情况进行总结，参考国内同类型核电厂在超微米过滤器应用上的经验，并结合目前行业内的一些先进理论和方法，论述高精度水过滤器在压水堆核电厂的应用前景。所获得的经验也可供其它核电厂参考。

【关键词】超微米过滤器；一回路；冷却剂；腐蚀产物；核电厂

0 绪论

众所周知，过滤器的作用就是把工作介质的污染控制在我们所要求的范围之内，以达到延长系统使用寿命，提高系统工作可靠性的目的。在核电站一回路工艺系统运行中，为净化工艺系统水质和截留放射性腐蚀产物、机械杂质及破碎树脂等颗粒杂质，设置了十几只过滤器来满足核电站运行的水质要求。这些过滤器滤芯经过各项测试、热态模拟寿命试验，性能满足使用要求，滤芯结构上的可靠性和安全性得到验证。

超微米过滤器，泛指其过滤精度在1？滋m以上，过滤效率98%以上的过滤器总称。

1）水过滤器滤芯的组成

过滤器滤芯主要是由外部不锈钢框架、用环氧树脂粘贴的纤维素丝滤纸和密封圈组成。其中过滤器品质主要由其所采用的滤材所决定。

玻璃纤维是现在最常见也是性能最好的滤材之一，它广泛应用在液压系统当中，属于纵深过滤，精度范围是1～30？滋m，并能受工作环境变化影响较小，流通阻力小，纳污能力强。在超过规定的压差范围里仍有很高的滤除细微颗粒的能力。

高性能的滤芯结构应当是：

（1）高强度、无污染、无毛刺、无化学反应的内骨架；

（2）内外支承网应具有足够的强度、无污染、无毛刺、无化学反应；

（3）内外衬纸应具有高通过能力、高的抗拉强度，应使用长纤维、无脱落、无化学反应的材料；

（4）高性能滤材应由惰性纤维和高强度树脂做成；孔径要均匀，单位面积微孔数量要多，具有合理且最适宜的厚度；

（5）先进的纵缝粘结，粘接处无泄漏。使用高强度惰性的粘合剂使上下盖与滤材组件粘合牢固，无泄漏；

（6）合理选择密封形式，保证与滤体连接处不泄漏；

（7）外加固应使滤材组件紧靠内骨架，增强抗冲击能力（图1）。

过滤器纤维的粗细直接影响滤材的精度与通过能力。纤维越细精度越高；孔隙越多，压差Δp越小；纤维与纤维之间要靠树脂胶粘。胶粘均匀的滤材具有高的抗破损能力，在压力、流量波动、温度、老化这些因素下不致使纤维破损脱落，导致颗粒通过滤材，造成系统污染。纤维一般使用惰性纤维，无化学反应，不产生膨胀，不受贮存期的限制。

现在世界上使用最多的是复合纤维，它一般为3～5层，中间过滤层为短纤维，内外保护层为长纤维。

2）过滤原理

过滤，就是利用有孔介质从流体（液体或气体）中除去污染物。过滤器的功能就是从流体（液体或气体）中去除污染物，使流体达到所需的洁净度水平。过滤器经常被认为是一种简单的网或筛子，过滤/分离是在一个平面上进行的。实际上，过滤器滤材具有一定的深度。

过滤器主要有三种过滤机制，即直接拦截、惯性撞击和扩散拦截。

直接拦截是液体中的基本过滤机制，其本质是一种筛分效应，机械拦截颗粒。例如，一种简单的筛网可以拦截尺寸大于其孔径的颗粒。当颗粒大于流道孔径时即被该结构去除，其容污能力可以用弯曲结构提高筛网作用。

惯性撞击，尺寸小于滤材孔径的颗粒的辅助拦截方式，流体携带的颗粒由于质量和线速度而具有直线运动的惯性颗粒离开流体主流而撞击到滤材上。当流体改变运动方向时，惯性使颗粒撞击到滤材表面，因吸附力的存在颗粒便停留在撞击表面。

扩散拦截，气体过滤器能够去除尺寸远小于其液体精度的污染物，对细小颗粒（〈0.1-0.3？滋m）非常有效，如果一个气体过滤器在湿润环境中运行，它的去除能力即变为液体精度。

过滤介质的过滤/分离效率由于直接拦截、惯性撞击、扩散拦截的共同作用而增强。

在评价一个过滤器的过滤能力时，常用的指标就是过滤器的绝对精度。

绝对精度，是指在指定试验条件下能够通过过滤器的最大刚性球形颗粒的直径。它是过滤器元件中最大开孔的标志。

水过滤器绝对精度测定，由俄克拉荷马州立大学开发并称之为“OSU试验”，该实验采用“单次通过”方式来评价相应用过滤器的一种快速半自动方法，这个试验基于评价液压过滤器的“多次通过”方式。

在要测试的过滤器上游和下游各设置一台粒子自动计数器，可以测定一定时间内通过计数器的粒子的数量，每台粒子计数器都能测量六挡或更多挡直径微粒数，对广范围微粒尺寸，例如，0.5？滋m到90？滋m。并配置含有某一特定精度悬浮物颗粒的溶液，通过流量泵，对单位时间内通过过滤器的上下游的粒子数量进行计数。

从表1可知，过滤器的过滤精度越高，其过滤能力越好。过滤精度为99.98%与99.9%的两个过滤器，其下游通过粒子的数量相差5倍。可见，过滤器的过绝对滤精度是过滤器重要指标之一。所有说明过滤器的过滤精度时，一般都要说明在这个过滤精度时，其过滤效率是多少。

1 超微米过滤器使用的优势

1.1 超微米过滤器的应用

超微米过滤器，在日本和美国，经过二十几年的实践检验，现在在一回路的过滤器的绝对过滤精度，美国基本已经提高到0.1？滋m，法国平均在0.45？滋m。

提高过滤器的过滤精度，主要有以下优点：

1.2 去除腐蚀产物，降低辐射背景剂量

在反应堆运行过程中，一回路材料中的铁、镍、钴等通过腐蚀、磨损等方式进入一回路冷却剂中形成腐蚀产物，腐蚀产物以“溶解—沉积”的动平衡方式存在于一回路系统设备及冷却剂中。在堆芯中被活化的腐蚀产物在堆芯以外的设备表面沉积，就导致了堆芯外设备的辐射场的形成，其中活化产物沉积量决定着辐射水平的高低。图4简略的表示了活化腐蚀产物的形成及迁移过程。

活化产物种类同反应堆一回路及相关系统和设备材料密切相关。首先，在压水堆核电站一回路系统中大量采用镍基合金材料，其主要成分是包括镍、铬、铁等，其次在大多核电站的一回路阀门中，其密封面使用了钴含量约为60%的Stellite合金，而且钴作为一种杂质普遍存在于一回路的各种合金材料中，因此钴也必然存在于腐蚀产物中。另外，在部分核电站系统设备中因为工艺的需求，使用了银、锑等金属材料，因此腐蚀产物也会存在银、锑等核素。所以，在机组临界后，冷却剂中携带的腐蚀产物在堆芯被活化，活化的腐蚀产物一般都有58Co、60Co、51Cr、54Mn等。

一般情况下，压水堆核电站90%左右的辐射剂量是来自活化腐蚀产物。因此辐射剂量同设备内沉积的活化腐蚀产物的种类及量密切相关。对于核电站来说，中子、裂变产物所产生的照射剂量比例较小，它们一般来自机组功率运行时工作人员进入反应堆厂房进行设备异常处理所受到的辐射，这部分剂量一半不超过集体剂量的1%，因此核电站基本上99%左右的剂量率是来自活化产物。

因此，控制人员辐射剂量的方法中最直接有效的方法就是控制一回路系统中腐蚀产物的生成、迁移、活化，以及活化的腐蚀产物的有效去除。一般认为一回路冷却剂中通常50%左右的粒子型腐蚀产物的粒度要小于0.4？滋m。最早减小一回路过滤器孔径的是德国Obrigheim核电站，其在1960～1975年间使用的过滤器标准孔径为10？滋m。从1976年开始逐渐减小孔径，到1988年换0.2？滋m绝对孔径的过滤器，蒸发器水室的剂量率从原来的130mGy/h下降到60mGy/h，一回路水的放比从3.7*1011Bq/m3下降到3.7*106Bq/m3。一回路冷却剂的放射性浓度下降了5个数量级。目前，在美国也已经将所有与一回路相关的过滤器孔径减小到了0.1？滋m。

由于超微米过滤器不仅过滤活化后的腐蚀产物，同时过滤更多的还没有活化的腐蚀产物，从而减少了在运行过程中被活化的机会。

通过调查，压水堆核电站中辐射源项主要的种类以58Co、60Co为主。60Co会随着机组运行周期的延长而逐渐增加，其容易沉积在系统中设备管线比较复杂的区域，极容易形成热点，影响主要阀门检修等相关活动。58Co比较容易沉积在一回路系统设备的内表面，对检修工作有着广泛的影响。

可见，高精度滤芯的使用，使冷却剂中放射性元素58Co和60Co的含量明显降低，大大降低了由腐蚀产物引起的放射性剂量水平，降低检修人员在大修时所受的剂量水平（图5）。

1.3 降低机械的故障率

在美国和日本压水堆核电站运行过程中，都遇到过由于氧化铁颗粒在主泵轴封处沉积，从而逐渐减少轴封处流量，致使轴封得不到足够的冷却，最终造成主泵不得不更换轴封，引起功率的降低。1999年1月29日，Genkai核电站1号机组满功率运行，发现B反应堆冷却剂泵轴封回流量逐渐增大。由于推断流量增加的原因为密封故障，反应堆停堆进行检查。随后的检查确定是由于杂质侵入摩擦面，密封环吸合不充分，面板间隙扩大。

主泵的轴封由安装在泵轴上的三级串联机械密封来完成。一号机械密封位于侵没式轴承的上方，它是轴密封组件中最重要的部件，为液膜式断面密封（机械密封）。液膜是由通过此级的压降产生的，因而液膜的形成并不要求旋转。1号轴封的动环和静环的密封端面在一层薄水膜两侧相对滑动，故不会直接产生磨损。泄漏时由外侧流向内侧，由压力引起的力使密封件自动处于平衡状态，保持间隙为0.1mm左右。由系统来的高压冷却水，诸如到泵径向轴承和1号轴密封之间。在注入水入口，装有过滤器，以保持水的洁净度。

反应堆冷却剂泵轴封的公用管线上，并联设置了两台密封水注入过滤器，该过滤器主要功能用于过滤即将注入反应堆冷却剂泵的轴封水（维持反应堆冷却剂泵的1号轴封水注入流量），两过滤器去除冷却剂的悬浮物，保护主泵轴封。

从图6可以看出，轴封两侧的压力在提高或降低的过程中，都会造成氧化铁颗粒在密封环不同部位的沉积，长时间的沉积必然会造成轴封流量的降低，最后影响轴封的密封性，降低轴封密封环的使用寿命。

根据国外同行的经验，建议该过滤器限值定为1？滋m。对于主泵密封面的保护与延长寿命都有显著的作用与效果。

1.4 改善换料水池和乏燃料水池的澄清度，降低辐照

每次换料大修准备燃料装卸操作之前，均需要堆芯充水到19.5m，满足水位后才可进行燃料装卸操作，水池充水水源通过两个过滤器管线来完成过滤，这两个过滤器过滤效率的高低将直接影响换料水池的澄清度。

而大修过程中打开反应堆大盖后，水池充水水源来自于反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统系统，因此反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统放射性水平越低，稀释作用就越强，水池满水后的放射性水平就越低，重新进入一回路的腐蚀产物就越少。

图7为日本某核电站，在对反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统的过滤器进行升级后，对乏燃料水池及过滤器的剂量率做的统计。3月27日-5月20日为换料大修，期间涉及上一循环乏燃料倒出到乏燃料水池暂存，并装入新的燃料组件。这个期间由于乏燃料的倒出，造成乏燃料水池剂量率和过滤回路的剂量率大幅度升高。5月27日，对滤芯升级，将净化回路的过滤器滤芯精度从5？滋m升级到1？滋m，乏燃料水池剂量率明显开始下降。9月1日，下一次换料大修期间，乏燃料水池剂量率只是略微升高，明显降低了乏燃料水池的剂量率。乏燃料水池过滤回路剂量率明显升高，同上一次大修剂量率相当。

1.5 延长树脂的使用寿命

超微米过滤器可以更有效的过滤介质中微粒度更小的粒子，大幅度降低除盐器下游淤杂量。减小下游除盐床的负担，延长除盐床的使用寿命。经过日本和美国相关核电站的运行经验，在更换用高精度滤芯后，可以去除悬浮在冷却剂中在1？滋m左右的放射性腐蚀产物，减少下游除盐床的负担。得到更好的水质，延长树脂的使用寿命，但是不会改善除盐床的效率和功能。

从图8可知，除盐床出口中58Co和60Co颗粒度主要集中在0.8？滋m～3？滋m之间。超微米过滤器可以有效去除这一颗粒度之间的腐蚀产物。

2 采用超微米过滤器的风险

采用超微米过滤器，尽管可以有效去除介质内更小的颗粒，提高介质的清洁度，但同时采用超微米过滤器也有一定的风险：

（1）过滤器容易堵塞，更换频率升高，增加废物产量；

（2）过滤器积累更多腐蚀产物，滤芯剂量率更高，增加处理难度；

（3）更换的超微米过滤器滤芯与现有过滤器不匹配，更换后系统易发生泄露。

由于超微米过滤器可以去除颗粒度在0.1-3？滋m的腐蚀产物，会造成过滤器在升级的初始阶段，短时间内就会造成堵塞，根据水质的具体情况，前期需要更换5-6个左右，更换频率才趋于稳定，这会造成废物处理成本的升高。

超微米过滤器在过滤的同时，也将腐蚀产物附着在过滤器内部，造成过滤器剂量升高很快，过滤器最高剂量可达20Sv/h，对工作人员产生影响。

超微米的过滤器，与原系统采用的过滤器，在一些设计存在一定的差异，这些差异有可能会影响对过滤器的密封，造成超微米过滤器在使用一段时间后，容易引起过滤器泄露，影响系统运行。

因此，滤芯精度升级要有计划、有步骤、分阶段逐步实现。从成本控制、系统运行、固废产量等各个方面考虑，精度升级工作安排在机组正常运行时进行时为宜，减轻大修期间水质较脏导致滤芯更换频繁。

3 超微米过滤器在压水堆核电厂的应用前景

3.1 化学和容积控制系统采用1？滋m过滤器

一般情况下，压水堆核电站中80%～90%左右的辐射剂量来自换料大修，而换料大修的辐射剂量基本上全部来源于一回路相关的系统设备检修。因此，采用更高精度的过滤器，降低一回路整体剂量水平，对人员的防护有着积极的意义。

参考大亚湾的运行检验，大亚湾核电站反应堆冷却剂下泄过滤器原设计绝对孔径为23？滋m，投产3年后根据法国核电的经验反馈将其将小为6？滋m，其后一直维持在6？滋m运行。在实际运行中使用6？滋m过滤器的辐射水平上升很慢，基本在一个运行周期中并不需要更换过滤器，在有的运行周期中更有辐射水平逐渐下降的现象，这就说明该过滤器已无法去除冷却剂中的大部分腐蚀产物。

2007年大亚湾开始将6？滋m过滤器更换为2？滋m过滤器。图9为应堆冷却剂下泄过滤器过滤精度同剂量率之间的关系曲线。可见，采用0.45？滋m的过滤器，其剂量率上升明显，剂量率比6？滋m过滤器的剂量率高出5倍，说明0.45？滋m的过滤器可以更有效去除冷却剂中的腐蚀产物。

提高应堆冷却剂下泄过滤器精度，可以有效降低一回路的整体辐射剂量水平，对于维修人员的辐射防护起着积极的作用。

3.2 主泵轴封水净化采用0.45？滋m过滤器

参考国外主泵轴封失效的经验反馈，给出可能导致主泵轴封失效的三个原因：

（1）安装前对轴封部件的不正当处理；

（2）外来物碎片或腐蚀产物进入密封腔；

（3）密封组件在水压试验时的不恰当降压。

如果主泵的泄露量超过泄露处理系统的容量，则可能导致破口事件。美国核管会曾评估过主泵密封失效相关事件，评估分析表明，小破口引起堆芯熔化的可能因素中，主泵的密封失效占主要部分。

因此，将主泵密封水过滤器的过滤精度提高到0.45？滋m，对进入轴封的水进行过滤，可以减少腐蚀产物对主泵轴封的影响，对保证主泵的稳定运行起着积极稳定的作用。

3.3 提高反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统净化标准

大修过程中打开反应堆大盖后，水池充水水源来自于反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统系统，因此反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统中水放射性水平越低，稀释作用就越强，水池满水后的放射性水平就越低，重新进入一回路的腐蚀产物就越少。

通过将反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统水过滤器的过滤精度提高到1？滋m，可以有效改善水质，减少装料前冷却水的净化时间，并提供更高的水池澄清度，对燃料装卸等操作提供更有利的条件。

3.4 其他系统

对于其他采用过滤器的系统，在其提高过滤精度后，对降低辐射剂量水平有一定帮助，但考虑到过滤器精度升级所带来的风险，如滤芯更换频率过高等问题，建议对这些系统的过滤器精度升级应暂缓进行。

4 总结

随着我国核电的快速发展，会有越来越多核电运营者面临辐射剂量的控制问题，特别是在目前同一核电运营商运营多家核电站的模式下，对于剂量的控制，特别是个人剂量的控制要求会逐步提高，但是原项控制技术的应用可以说是剂量控制最直接有效的方法之一。通过对超微米过滤器的应用，能够更进一步去除冷却剂中悬浮的腐蚀产物，在源项上降低了一回路的剂量水平，从而对核电厂人员的防护起到积极的作用。

【参考文献】

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[责任编辑：王楠]