核反应堆一回路溶解氢浓度理论计算及影响因素分析

刘主根，杨　魁

核反应堆一回路溶解氢浓度理论计算及影响因素分析

刘主根，杨魁*

（辽宁红沿河核电有限公司，辽宁 大连 116000）

一回路水在反应堆的强辐射条件下会分解，产生的强氧化性产物是引起结构材料和设备腐蚀的重要原因。向其中加入氢气不仅能抑制水的辐照分解，降低水中氧化性辐解产物浓度，还能消除水中的游离氧。本文介绍了利用亨利定律计算一回路溶解氢浓度理论值的方法，并通过对比研究了一回路溶解氢浓度的实际测量值与理论计算值的关系，发现理论计算值与实际测量值基本符合，且理论值稍高，其主要原因是氢气具有极强的穿透力，使得一回路中的溶解氢不断地从蒸汽发生器传热管一次侧扩散至二次侧，造成实际氢浓度的下降。一回路溶解氢浓度主要受容控箱内氢气压力的影响，此外，也与一回路换水量、SEC换档及机组调峰有关。结合运行经验，建议一回路溶解氢浓度控制在（30±3）mL/kg范围内，以规避溶解氢浓度短时超限值的风险。

一回路；溶解氢；亨利定律；影响因素

压水反应堆以净化后的普通水（H2O）作为慢化剂和冷却剂，水在反应堆一回路冷却剂系统（一回路，简称RCP）内的高温高压和强辐射条件下循环运转，并发生一定程度的分解，其代表性产物有H2、H2O2和O2[1]。水辐照分解产生的强氧化性产物是引起结构材料和设备腐蚀的重要原因。

在一定条件下水的辐照分解率是恒定的，而水的复合率则随溶液中H2浓度的提高而增加，随H2O2浓度的提高而减少，即当溶液中H2浓度增加时，辐解氢的净产生率将减少，而当溶液中的H2O2浓度增加时则相反[2]。向冷却剂中同时引入H2和O2，它们会很快在辐射作用下合成水，加入氢气也会使氧化性辐解产物H2O2重新转化成水。加氢不仅能抑制水的辐照分解，还能消除水中的游离氧，降低水中氧化性辐解产物浓度，从而大大减少对结构材料的腐蚀。随着加入H2浓度的提高，水发生辐照分解的阈值也相应升高[2]。

在核电厂一回路水环境中不可避免地存在氢，其主要来源是电化学反应、水的辐照分解以及为了维持主回路环境而人为加入的氢[3]。目前国内大多数压水堆核电厂功率运行期间一回路溶解氢浓度期望值设定在25～35 mL/kg范围内。考虑到容控箱内可能有氢气压力调整的实际困难，以及因功率变化瞬态引起的大量稀释造成的超限风险，一回路溶解氢浓度的限值范围为20～50 mL/kg，一方面维持过量的溶解氢抑制水的辐照分解，将溶解氧控制在较低的水平，另一方面又能避免过高的氢浓度造成燃料包壳锆合金的氢脆风险[4]。

核电厂设有在线氢表连续监测一回路溶解氢浓度，但是在线氢表的示数经常会受到各种因素的影响而出现波动。本文尝试通过亨利定律计算一回路溶解氢浓度理论值，并结合国内某核电厂的运行经验分析影响溶解氢浓度的主要因素。

1　溶解氢浓度理论计算

1.1　一回路注氢系统介绍

压水堆核电厂一回路加氢一般采用低压加氢技术，如图1所示。从一回路过渡段引出的高温高压冷却剂进入化学与容积控制系统（RCV）降温降压，经过除盐床净化后进入容控箱。容控箱正常运行时温度约35 ℃，压力约1 bar.g。供气系统提供纯度为99.99%的氢气，通过减压阀进入容控箱气相，与之相平衡的冷却剂随后在上充泵177 bar压力作用下进入一回路[5]。

图1　一回路加氢示意图

容控箱气相充入氢气并保持一定的压力，容控箱中的水为氢气所饱和，并不断注入主回路。经过一段时间后，整个回路的水都将和容控箱的气相氢达到平衡。有一部分氢气由于喷淋作用逸出到稳压器（PZR）汽相空间逐渐积累，最终稳压器液相与一回路的溶解氢浓度保持一致。

1.2　理论计算

根据亨利定律，在一定温度下，气体溶解于液态溶剂形成稀溶液时，若气体总压和分压都不太大，且气体与溶剂间没有明显的化学作用，气体分子极少电离，则该气体的平衡分压与在稀溶液里的浓度成正比。亨利定律公式为：

=×（1）

式中：——气体分压，kPa；

——亨利系数，kPa；

——气体在水中的摩尔分数。

假设容控箱气相中氢气分压为（绝对压力，bar），则氢气在水中的摩尔分数为：100/。水的密度为（g/L），摩尔质量为=18 g/mol，每升水的摩尔数为：/，则每升水中氢气的摩尔数为：

(/)×(100/)=(100)/()

标准状况下（STP）气体摩尔体积m=22.4 L/mol，每升水中氢气的体积（L）为：（100m）/（）。

由以上可得标准状况下水中氢气浓度（mL/kg）的计算公式如下：

简化后为：

式中：——一回路溶解氢浓度，mL/kg；

——容控箱气相中氢气分压，bar；

——氢气在水中的亨利系数，kPa。

表1给出了一定温度范围内氢气在水中的亨利系数和水的饱和压力，可以看出氢气的亨利系数和水的饱和压力均与温度呈正相关。RCV下泄温度通过设备冷却水系统（RRI）阀门自动调节到整定值35 ℃。查询表1，35 ℃下氢气的亨利系数为7.52×106kPa，代入公式（2）可以得到标准状况下一回路溶解氢浓度的理论计算公式：

=16.55（3）

一回路冷却剂中存在多种气体，包括气体添加物、补水带入的空气、水中气体被活化后的产物及裂变气体等[6]，这些气体随下泄流在容控箱喷头的作用下会释放。容控箱内处于汽液相平衡状态的水蒸气也具有一定的压力。所以容控箱气相总压力由氢气、水蒸气、氮气、裂变气体等共同产生，可得到：

=g+atm-水-其他

=16.55(g+atm-水-其他) （4）

式中：g——容控箱的表压，bar；

atm——大气压，1.013 2 bar；

水——水的饱和压力，bar；

其他——容控箱中氮气、惰性气体等其他气体的分压，bar。

在忽略影响较小的其他的情况下，一回路溶氢浓度计算公式为：

=16.55(atm+g-水) （5）

查询35 ℃下水的饱和压力水为5.62 kPa，即0.056 2 bar，代入公式（5），一回路溶解氢浓度计算公式为：

=16.55(g+0.957 0) （6）

表1　不同温度下氢气在水中的亨利系数和水的饱和压力

一回路溶解氢期望值范围为25～35 mL/kg，理论上容控箱的表压g应该控制在0.5～1.2 bar范围内。

表2统计了某核电厂4台机组稳定功率运行期间一回路溶解氢浓度的理论计算值和测量值，两者基本吻合，说明可以利用亨利定律估算一回路溶解氢浓度，为电站运行人员提高一回路溶解氢控制能力提供理论依据。

表2　一回路溶解氢浓度的理论计算值与测量值对比

此外，由表2也可以看出一回路溶解氢浓度的理论计算值稍高于实际测量值。产生这一现象的主要原因是氢气具有极强的穿透力，高温高压下一回路中的溶解氢不断地通过蒸汽发生器传热管由一次侧扩散至二次侧，造成氢浓度的下降。另外，一回路稀释造成的氢损失、补给水中含有的微量氧、容控箱中含有的少量其他气体以及反应堆冷却剂系统正常的泄漏也对溶解氢浓度有一定影响。

根据运行经验，机组稳定状态下由亨利定律计算所得和实际测量得到的溶解氢浓度差值一般不会超过5 mL/kg。

2　一回路溶解氢浓度的影响因素

溶解氢是核电站一回路非常关键的化学参数，其浓度受到严格的要求，机组正常运行期间一回路溶解氢浓度控制要求如图2所示。如果5 ml/kg＜H2浓度＜20 ml/kg，功率运行时限为24 h，然后1 h内开始向安全模式后撤；如果H2浓度≤5 ml/kg或＞50 ml/kg时应在8 h内开始向安全模式后撤。

机组稳态情况下，一回路溶解氢浓度的主要影响因素是容控箱的温度、压力和氢气纯度。其中，RCV下泄温度通过RRI冷却自动调节到整定值35 ℃，一般情况下保持稳定。氢气供应系统（SHY）生产的氢气纯度大于99.99%。所以日常期间，控制一回路溶解氢浓度最直接有效的方法就是调整容控箱的气相压力，但是一回路溶解氢浓度往往受到各种特殊情况的影响。

2.1　容控箱气相氢气分压

容控箱顶部液体入口接管上设有一个喷头，材料为不锈钢。喷头的锥角为92°，最大可接受流量为27.2 m3/h。喷头的作用是使液体雾化，形成直径很小的液雾，以增加液体与周围介质的接触面积。如图1所示，来自一回路冷却剂的下泄流由容控箱顶部喷淋进入，冷却剂中的裂变气体、氮气等充分释放，并在容控箱气相聚集，氢气的摩尔分数降低，气相压力不变的情况下氢气的分压降低。在一回路溶解氢测量值明显低于理论值情况下，可打开容控箱排气阀向外排出其他气体，并充入氢气维持气相压力以提高氢气分压。

2.2　一回路换水量

一回路快速的换水操作会暂时降低一回路水中溶解氢浓度，操作停止后，其浓度又会缓慢上涨直至达到与容控箱压力、温度和氢气纯度相对应的平衡浓度。为补偿从寿期初至寿期末燃耗引起的反应性变化，运行人员不断的对一回路稀释以降低硼浓度[7]，每天硼浓度平均下降约3～4 mg/kg。某机组在寿期末，一回路溶解氢浓度变化趋势如图3所示。一回路硼浓度在30 mg/kg以下且未投运除硼床时，每天稀释量会达到20～30 m3甚至更高，大量的稀释会明显地降低一回路溶解氢含量。

图3　寿期末一回路溶解氢浓度变化趋势

2.3　SEC换挡

根据亨利定律及表1可知，亨利系数与温度呈正相关，则气液平衡状态时液相中气体浓度与温度呈负相关。

由于该核电厂地处北方，冬季和夏季海水的温差较大。在冬季时海水温度逐渐降低，为防止RRI水温度过低（一般不低于15 ℃），对设备造成热冲击，通过对重要厂用水系统（SEC）换挡降低流量的方式提高RRI的温度。由冬季向夏季转换过程中，SEC系统也会多次换档提高流量。SEC换挡会直接造成RRI水温变化，若冷却RCV换热器的RRI调节阀性能不佳，间接导致下泄温度波动，最终影响一回路溶解氢的浓度。所以，在SEC换挡前后应关注RCV下泄温度的变化。

2.4　稳压器加热器启停

当机组处于稳定功率运行时，PZR的连续小喷淋流量为0.23 m3/h。稳压器的主喷淋管线安装了2个喷淋阀，可在控制室遥控调节其开度以控制喷淋流量，每个阀门最大流量为72 m3/h。

当稳压器突然开启主喷淋阀和加热器时，会打破原有稳压器内部系统的气液平衡，稳压器有此类操作时一回路和稳压器液相溶解氢浓度变化趋势如图4所示。

稳压器开启主喷淋阀和加热器后，大量的喷淋水以雾化状态进入稳压器汽相，雾状喷淋水中的氢气释放，液相中低氢浓度的冷却剂进入一回路，造成一回路溶解氢浓度降低。在稳压器主喷淋阀和加热器关闭后，其内部恢复原来的连续小流量喷淋，稳压器汽相集聚的氢气缓慢地返溶到稳压器液相，造成稳压器液相溶解氢浓度上涨，从而一回路溶氢浓度也随之上涨，几天后恢复到初始的平衡浓度。

图4　溶解氢浓度的变化趋势

这种情况多发生于电厂参与电网调峰期间，机组升降功率时打开稳压器主喷淋阀和加热器以达到快速均匀一回路和稳压器硼浓度的目的。在整个功率变化前后，一回路溶解氢浓度的波动范围一般不超过5 mL/kg。当一回路溶解氢浓度接近期望值下限25 mL/kg时，若叠加超过5 mL/kg的偶然波动，就可能导致氢浓度短时超限值引发机组后撤的风险。

综上所述，机组稳定运行期间，建议一回路溶氢浓度控制在（30±3）mL/kg范围内，留出足够的缓冲裕度，以应对一回路大量换水、SEC换档及机组调峰等因素带来的影响，规避溶解氢浓度短时超限值的风险。

3　结论

（1）机组稳定功率运行期间，一回路溶解氢浓度理论值可利用亨利定律计算，测量值往往比理论值偏低5 mL/kg以内。日常期间主要通过调节容控箱压力的方式来控制一回路溶解氢浓度。

（2）除容控箱压力外，一回路溶解氢浓度还受到一回路换水量、SEC换档及机组调峰的影响，建议一回路溶解氢浓度控制在（30±3）mL/kg范围内，规避溶解氢浓度短时超限值的风险。

［1］ 蔺心祯，陆享玉．HFETR—回路水的辐解研究［J］．核动力工程，1989，10（1）：68-74．

［2］ 云桂春，成徐州．压水反应堆水化学［M］．哈尔滨工程大学出版社，2009．

［3］ 彭青姣，张志明，王俭秋，等．溶解氢对316L不锈钢在模拟压水堆一回路水中氧化行为的影响［J］．中国腐蚀与防护学报，2012，32（3）：217-222．

［4］ 谢杨，王亮，李毅，等．压水堆核电厂一回路水化学优化分析［C］//中国核学会学术年会．2015．

［5］ 广东核电培训中心．900 MW压水堆核电站系统与设备，（上册）［M］．原子能出版社，2005．

［6］ 李果成，杨学仁．压水堆冷却剂系统中的气体及其含量计算［J］．核动力工程，1980（4）：21-29．

［7］ 方岚，刘新华，吴浩，等．内陆核电厂硼的排放控制［J］．核科学与工程，2011（1）：86-92．

Theoretical Calculation and Influence Factors Analysis of Dissolved Hydrogen Concentration in Primary Circuit of Nuclear Reactor

LIU Zhugen，YANG Kui*

（Liaoning Hongyanhe Nuclear Power Co.，Ltd，Dalian of Liaoning Prov．116000，China）

The water in the primary circuit will decompose under the strong-radiation condition in the reactor，and the strong oxidizing products are an important reason for the corrosion of structural materials and equipment．The addition of hydrogen can not only inhibit the irradiation decomposition of water and reduce the concentration of oxidizing radiolysis products，but also eliminate the free oxygen in water．A method using Henry’s law to calculate the theoretical value of hydrogen dissolved in the water of primary circuit was introduced in this paper．Through comparing the theoretical value and actual value of the hydrogen dissolved，the result that the theoretical value is basically consistent with the actual value，but slightly higher，was found．It may due to the strong penetrating property and constantly diffusion from primary side to secondary in the SG of hydrogen．The concentration of hydrogen dissolved in the primary circuit water is mainly affected by hydrogen pressure in the volume-control tank，and also related to the quantity of water changed in the loop，gear shift of SEC and peak adjustment of the unit．Considering the operation experience，a range of 30±3 mL/kg of dissolved hydrogen was proposed to avoid the risk of over-limit in short term．

Primary circuit；Dissolved hydrogen；Henry’s law；Influence factor

TL48

A

0258-0918（2021）03-0538-06

2020-08-10

刘主根（1972—），男，湖南平江人，高级工程师，硕士，现主要从事核电厂化学控制方面研究

杨魁，E-mail：403781522@qq.com