中国散裂中子源靶站冷却水净化系统设计

李　清，何　宁，梁辉宏

中国散裂中子源靶站冷却水净化系统设计

李清1，何宁2，梁辉宏3

（1.中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究部，北京 102413；2. 中国科学院高能物理研究所，北京 100049；3. 散裂中子源科学中心，广东 东莞 523803）

散裂中子源是由加速器产生高能质子轰击重金属靶产生高通量脉冲中子的科学装置。中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）主要由加速器、靶站和中子谱仪三部分组成。净化系统作为靶站水冷系统的一个组成部分，对CSNS的安全运行起着重要作用。本文主要介绍了CSNS靶站水冷净化系统的工艺流程设计、系统重要参数的确定、系统设备选型、控制仪表和系统布置的特点以及系统各种工况下运行操作方面的设计思路。

中国散裂中子源；靶站冷却系统；水净化系统；水净化工艺

中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）项目已于2016年在广东东莞建成，2017年8月28日首次成功获得中子束流，2018年8月23日，国家重大科技基础设施中国散裂中子源通过国家验收，投入正式运行，并将对国内外各领域用户开放。这标志着CSNS和正在运行的美国、日本与英国散裂中子源构成世界四大脉冲散裂中子源[1]。

CSNS项目一期建设包括强流质子直线加速器、快循环同步加速器、靶站、三台中子谱仪等。靶站水冷却系统是靶站的重要组成部分，是靶站能否正常运行的关键，其运行的可靠性直接关系到中子的有效利用率及辐照安全等。靶站水冷系统主要冷却对象包括：靶体、反射体、慢化器、预慢化器、质子束窗、退耦合回路、氦容器束道水冷部、氦容器下部反射体和屏蔽段。其中靶体和反射体采用重水冷却，其他对象采用轻水冷却[2-4]。

轻水中的有害杂质增多或pH不妥，会造成冷却对象以及轻水循环回路内的管道、阀门、设备等材料的腐蚀；如水质不纯将结垢，影响传热性能；水中杂质和腐蚀产物活化会使剂量场升高，给设备维修造成困难。因此要维持合理的水质标准以保证系统设备的安全运行维护，净化系统起着很重要的作用。

1　CSNS靶站水净化系统工艺设计

靶站轻水冷却系统共有两个，分别设置了净化系统。轻水净化系统1连续净化冷却水慢化器、预慢化器、质子束窗及退耦合慢化器回路的轻水。轻水净化系统2连续净化冷却氦容器束道水冷部、氦容器下部反射体和屏蔽段的轻水。轻水冷却系统1、2的参数和指标如表1所示。

表1　轻水冷却系统参数和指标

净化系统设计的主要目的是保障冷却剂水质以减小腐蚀和防止结垢。设计根据被冷却主体结构材料的腐蚀特点以及冷却剂中杂质的主要组成等，确定净化系统所采用的工艺以及该工艺的流程和主要设计参数，继而对系统的设备、仪表、布置等进行详细设计。

靶站冷却主体结构材料为铝合金和奥氏体不锈钢，冷却剂采用轻水（H2O）。材料的腐蚀与很多因素有关，根据相似反应堆的运行经验和文献［5］、［6］和［7］的报道结合CSNS靶站两种结构材料的腐蚀特点进行分析，应主要控制以下一些指标。

（1）阳离子、铜。铝的化学性质活泼，在低于70 ℃的水中以点腐蚀和均匀腐蚀为主。而点腐蚀具有更大的危险性，铜的存在会引起还原反应从而加速铝氧化膜的溶解，形成点腐蚀，当铜氯并存时，更加速了点腐蚀的形成。水中铜的存在对于不锈钢的危害较小。因此阳离子主要考虑控制铜；

（2）阴离子，主要是卤族元素。如氯离子的存在会使铝的氧化膜削弱处或缺陷处加速溶解作用，加速点腐蚀。水中存在氯离子会对不锈钢造成孔蚀和晶间腐蚀。阴离子主要控制氯；

（3）不溶性固体残渣，它们的产生是由冲刷下来的不锈钢材料和铝合金的腐蚀产物中的Fe+、Fe3+、Al3+、Ca2+、Cr3+、Ni2+、Mn2+等和水中的某些阴离子形成难溶性的化合物。它们会沉积或吸附在结构材料表面上妨碍热传导，使壁温升高。同时活化了的腐蚀产物沉积在设备上会造成局部放射性“热点”，还会增加辐射腐蚀作用，因此应控制不溶性固体残渣总量；

（4）轻水的电导率通常与水中存在的阳、阴离子总浓度以及水中带电性基团的含量有关，因此是衡量水质纯度的一个重要指标。根据文献［5］和中国原子能科学研究院的轻水492反应堆（主要结构材料是不锈钢和铝材）几十年的运行数据表明[8]电导率≤2.0mS/cm时未发现严重腐蚀问题；

（5） pH也是影响材料腐蚀的关键因素，只有在最佳的pH下，才能使材料腐蚀维持在最低水平。在20～80 ℃的去离子水中，不锈钢在相当宽的pH（pH为3～11）范围内都能保持其钝化性质，在水中的腐蚀速度没有大的变化。铝合金最低腐蚀速率的pH是5.5～6.5。因此综合考虑建设成本可主要关注铝合金对酸碱度的要求，取pH为5.5～6.5。

根据上文对冷却剂水质控制指标的分析并结合EJ/T 763—1993《轻水试验研究反应堆水质技术条件》[9]最终确定靶站水质指标如表2所示。

表2　轻水净化系统水质指标

轻水冷却剂的净化有多种方法：蒸馏法、稀释法、过滤法和离子交换法等。其中以过滤法和离子交换法联合使用的工艺有设备简单，操作方便，费用低，效果较好，系统占用空间小等特点，是目前国内外水冷核反应堆普遍采用的方法。根据轻水冷却系统的相关要求（见表1和表2），本项目的两个轻水净化系统均采用过滤法和离子交换法联合使用的净化工艺。工艺流程为：增压水泵（设置为轻水冷却系统的旁路，因此未设置）—前机械过滤器—混合离子交换器—树脂捕集器。

流程设计中，离子交换单元选用了单级混合离子交换器。单级混合离子交换器实现靶站水冷系统净化功能以及其自身的主要特点分析如下：

（1）偏酸性环境的实现。

对于靶站水冷系统净化，首先要考虑实现冷却剂pH处于5.5～6.5的偏酸性环境，即要使冷却剂中H+过量。实现偏酸性环境主要有两种方法：一种方法是添加酸化剂，另一种方法就是利用离子交换树脂的特性来实现。如果在冷却剂中添加酸化剂，首先要考虑酸化剂的种类、浓度与pH、电导率的关系以及酸化剂对离子交换器净化效率的影响，还要考虑到实施添加设备的选择、安装以及添加位置等等实际操作中的问题，这种方法比较复杂。而利用离子交换树脂特性来实现可大大简化系统的设计。采用这种方法就是通过离子交换剂释放过量的H+使冷却剂水质处于酸性环境。这可以利用阳离子交换树脂和阴离子交换树脂装量的多少来实现。当过量的RH型阳离子交换树脂的H+置换到冷却剂中时，则冷却剂呈酸性。该方案在中国原子能科学研究院492轻水反应堆和101重水反应堆上长期使用，实际运行情况表明混合离子交换器中阳、阴离子交换树脂装量比例为1:2时，完全可以满足冷却剂PH在5.5～6.5的偏酸性环境要求。

（2）净化效率高。

混合离子交换器可以把水中含有的有害离子全部控制在水质指标的要求范围内。如用交换器效率（除去离子量同进水离子含量之比）的概念来评定净化效果的话，混床的交换器效率可达90%以上。

（3）间断运行时，对出水水质影响较小。

（4）交换终点明显。混床在交换末期，其出水质量下降很快，这有利于准确判断树脂是否失效和实现自动控制。

（5）设备少、装置集中、所占空间较小。

单级混合离子交换器也存在下述缺点：

（1）树脂交换容量的利用率较低；

（2）树脂分层再生操作复杂；靶站水冷系统净化树脂不进行再生处理，这一点已不重要。

（3）树脂磨损率大；靶站水冷净化系统不进行再生处理，这一点已不重要。

通过以上的分析，流程中采用单级混床是能完全满足系统设计要求的。

CSNS靶站正常开机情况下，由被冷却对象水慢化器、预慢化器、质子束窗、退耦合回路与轻水冷却系统1；氦容器束道水冷部、氦容器下部反射体、屏蔽段靶体与轻水冷却系统2分别构成了封闭回路。此时冷却剂总容量分别为7.1 m3和2.76 m3的轻水在主泵作用下将被冷却对象的热量带出。净化系统设置为轻水冷却系统的旁路，进水来自轻水冷却系统换热器出口总管，流经一台前过滤器去除固体状态杂质和悬浮物，进入两台既可串联又可并联使用的离子交换器，以去除腐蚀产物、有害杂质，再经树脂捕集器滤去破碎树脂后至轻水冷却系统波动箱。

2　系统主要参数确定

在净化工艺确定后，即可对净化系统的主要设计参数“净化流量”加以确定。净化系统设计要求在最大腐蚀产物产生速率下，在设计流量下，能确保冷却剂的水质控制指标。净化流量的计算通常是按腐蚀产物的产生速率与混合离子交换器去除离子的速率相平衡来求得。以轻水净化系统1为例计算如下[10]：

式中：

—— 净化系统流量，L/h；

以上计算未考虑裂变产物及放射性水平，但计算所用的腐蚀产物产生速率、可溶性腐蚀产物含量和混床出口杂质含量均取值保守，所以有足够的设计余量。结合文献[6,8]所报道的数据和文献[7]所报道的最佳流量范围，确定轻水1、2净化系统流量。

净化系统不独立设置动力水泵。对净化系统阻力损失进行核算，回路阻力计算是在已知管道、设备、阀门的规格尺寸参数和数量以及系统设备、管道具体布置的情况下根据给定的介质流量计算的。对计算阻力损失考虑15%的余量，轻水1净化系统计算压降为48.9 m，轻水1冷却系统提供给本系统扬程为65 m，满足要求，轻水，2净化系统计算压降为38.93 m，轻水2冷却系统提供给本系统扬程为68 m，满足要求。

通过上述计算，完成轻水1、2净化系统主要工艺参数的设计和计算。其相关计算结果和系统设计依据的有关参数为：系统工作压力≤0.6 MPa；系统设计压力0.8 MPa；系统工作温度≤35℃；系统设计温度50℃；系统设计流量0.71 m3/h（系统1）、0.28 m3/h（系统2）；系统运行时间5 000 h/年。

3　系统设备

（1） 增压水泵

净化系统主要是在开机期间随机运行，在停机期间对已失效的树脂不再进行再生，因此不需设置水泵提供动力。剂净化系统虽未设置水泵，为了验证主冷却剂所提供动力的可靠性也同样进行了系统流阻计算。

（2） 阀门

系统入口和出口阀设置为可就地手动并可在主控室远程控制的电动调节阀。对于输送和灌装树脂管道上的阀门则采用全开式球阀，此阀门结构能避免固体颗粒的聚集，不产生妨碍阀门开关的隐患，避免放射性物质的泄漏。系统其他位置主要采用了截止阀。

（3） 前过滤器

系统的前过滤器主要目的是去除水中不溶性的固体微粒、胶体物质和悬浮物，延长树脂的使用寿命。在过滤介质的材料使用上，主要可选用绸布、尼龙布以及其他一些合成的纤维材料或适当筛目的不锈钢丝网等。本项目选用了过滤精度为10mm的不锈钢丝滤网滤芯，使冷却剂中的不溶性固态悬浮物被阻留在前机械过滤器内。

随着净化系统运行时间的加长，前机械过滤器放射性强度会逐渐增大，为满足工作人员的辐射防护要求，过滤器设有100mm厚外壳铅屏蔽；不溶性固体物积累使过滤效率降低，影响净化流量，一旦发现，可进行更换。柱体同系统管道间采用螺纹接头和耐压金属软管连接便于拆卸，柱体上设有两个支耳由叉车运送至热室。该设备设计为可拆卸，滤芯安装在滤筒上可更换。

设计参数如下（轻水1与轻水2净化相同）：

设计压力：0.8 MPa

设计温度：50 ℃

外形尺寸：750×1 620

安装方式：立式

材料：承压部分为S30403，屏蔽外壳为S30408

数量：1台

（4） 混合离子交换器

离子交换器主要用于去除冷却剂中离子状态腐蚀产物、有害杂质和活化产物，其本身也具有过滤固态悬浮物的能力。离子交换器计算的主要任务包括：计算树脂一次装量；验算工作寿期；确定交换器尺寸；估算交换器的流动水阻力。以轻水净化系统1为例计算过程如下：

1）树脂一次装量

混合离子交换器树脂的工作寿期不宜太短，太短需经常更换树脂，给操作带来许多不便；其工作寿期也不宜太长，因混合离子交换器在工作中吸收了大量放射性核素，树脂处于很强的辐射场下工作，如时间过长，树脂会受辐照分解而破坏。根据文献[6, 8]所报道的数据其寿期定为1年。计算结果见表3所示。

表3　树脂装量计算

本计算为设备的进一步设计提供了主要设计参数。

2）验算混合离子交换器的工作寿期

阳、阴离子交换树脂的工作寿期分别为[10]：

式中：1、2——分别为阳、阴离子交换树脂的工作寿期，h；

1、2——分别为阳、阴离子交换树脂的用量，m3；

1、2——为进入混合离子交换器水中阳、阴离子的含量[3]，mg/L；1=0.3×10-3、2=7.4×10-4

——净化流量，0.71 m3/h；

——树脂床个数，2；

——辐照和温度对交换容量的影响系数，一般取0.10～0.15，取中间值：0.125；

1、2——分别为阳、阴树脂在混合离子交换器中的有效交换容量。

732#：550～700 mg/L 717＃：250～300 mg/L

1=550 mg/L2=250 mg/L

以上估算值均大于树脂设计寿期1年（5 760 h），可保证净化系统满足设计要求。

3）确定混合离子交换器的尺寸

混合离子交换器过滤面积和高度对于离子交换效果和树脂使用寿期有较大影响，因此其高径比值非常关键。根据文献[7]的公式，混床的流速采用范围10～15 m/h。在计算中主要根据离子交换树脂的工作特性，对于流速较保守的选取为10 m/h。计算如表4所示。

表4　混合离子交换器高度和直径计算

经计算离子交换器筒体为300 mm×1 080 mm。

4）计算混合离子交换器的流动水阻力

在系统阻力计算中，选用如下公式对离子交换器的水头损失进行计算：[10]

式中：——水流速，m/h；

——树脂层高度，m；

——树脂的平均直径，mm；

离子交换器最终设计为：内装均匀混合的R-H+和R-OH-型核级阳、阴离子交换树脂。每台装量约0.08 m3，阳阴树脂体积比为：1:1.5。CSNS靶站水冷净化系统所使用的离子交换树脂不考虑再生，树脂失效后可通过树脂充排口进行更换。柱体同系统管道间采用法兰、耐压金属软管连接便于拆卸，柱体上设有两个支耳由叉车运走。

离子交换器经长时间积累，剂量会大幅增加，为满足工作人员的辐射防护要求，柱体设有铅屏蔽，屏蔽层厚度为100 mm。主要设计参数如下：

设计压力：0.8 MPa

设计温度：50 ℃

外形尺寸：1 003 mm×1 855 mm（轻水1净化）850 mm×1 814 mm（轻水2净化）

安装方式：立式

材料：承压部分为S30403，屏蔽外壳为S30408

数量：2台

（5） 树脂捕集器

树脂捕集器布置在两台离子交换器后，系统的出口。该设备作为系统的最后一道屏障，收集、阻挡破碎树脂进入冷却剂中。

采用与前过滤器相同产品。

设计压力：0.8 MPa

设计温度：50 ℃

外形尺寸：750 mm×1 620 mm

安装方式：立式

材料：承压部分为S30403，屏蔽外壳为S30408

数量：1台

4　仪表和控制

为保证运行操作人员的健康，降低现场操作频度，设计中采用了远程监测和控制措施。

（1）系统投入运行时，出入口电动阀的启闭是在主控室执行，主控室同时对该系统净化流量、压力和泄漏报警监控，发现异常及时通知维修人员。为便于巡检人员了解系统运行状况，现场工艺间也设有检测仪表。

（2）强放设备机械过滤器和离子交换器设γ剂量探头，参数由辐射防护控制室监控。

（3）系统电导率作为主要控制指标，pH值、流量和压力作为系统运行参考指标。系统设有在线工业电导率仪，随系统运行。一次表传感器分别设在离子交换器进出口，进口检测回路内轻水的电导率，出口监测系统净化后的水质指标，判断离子交换树脂是否失效。净化系统过程测量参数的设置和要求如表5所示。

表5　轻水1/2净化系统过程测量参数

5　系统布置

系统在设备、管道阀门和监测仪表的布置设计中，采用了满足安装、操作和维修的最优化方案。系统布置在具有不锈钢敷面的靶站水冷工艺间内。系统布置符合有关的维修、在役检查与辐射防护的要求。混合离子交换器和机械过滤器为强放射性设备，均设置有铅屏蔽，贴近设备表面设有γ剂量探头，为维修人员提供准确剂量参数，以便正确制定维修方案。另外在设计中过程中我们使用了PDSOFT 配管软件，建立了形象、直观的三维模型，便于设计的修改和检查以及运行人员培训和检修人员查阅。

6　系统运行操作

（1） 正常运行状态

正常运行时两个系统分别约0.7 m3/h、0.3 m3/h轻水从轻水冷却系统换热器出口主管分流支管引出，温度不超过35℃，压力约0.6 MPa，流经前过滤器去除固体状态杂质和悬浮物，进入两台串联使用的离子交换器，以去除腐蚀产物、有害杂质和裂变产物，再经树脂捕集器滤去破碎树脂后至轻水冷却系统轻水波动箱，此时水质达到净化后的水质指标，又无泄漏现象即为正常运行状态。

系统运行时电导率作为主要控制指标，当电导率不能满足≤2 μS/cm时即可判定离子交换器失效需进行更换。通过前过滤器和树脂捕集器前后压力差值可监测设备的工作状态。系统出口装有一台远传流量计，可对系统流量进行监测。

按轻水冷却系统水质技术条件规定，需定期检测水质（包括事故状态），系统在正常运行时，取样可随时在取样装置中操作，避免因取样造成对周围环境的污染。

（2） 预期运行状态

1）断电状态

发生全装置断电事故时，本系统无需动作。

2）系统压力和流量波动

考虑离子交换树脂的允许工作流速在10～30 m/h（两系统流量范围分别约0.5～1.5 m3/h；0.3～1.0 m3/h），根据系统设计流量0.7 m3/h、0.3 m3/h，轻水冷却系统流量和压力的变化对本系统影响可忽略。

3）渗漏监测

本系统所有设备同管道相连接的法兰均设置渗漏测点，一旦发现信号报警可通过关闭V01和V04D电动阀切断同主系统的联系并停机检修。

4）本系统设备或管道发生泄漏、破裂

可在操纵台通过关闭V01和V04D电动阀切断同主系统的联系，并停机检修。

（3） 系统检修

当系统出口电导率值达到＞2 µS/cm时即可考虑更换离子交换器。过滤器和捕集器的进出口压差增量达到约0.15 MPa或过滤器四周剂量场大于允许剂量限制时即可考虑更换。

当过滤器、离子交换器和捕集器更换时，系统停机后通过保护气体系统提供的氮气将设备内的水压入轻水贮存罐。利用阀门切断设备同系统的连接使用叉车将需要更换的设备运到废物贮存房间。

运行单位根据其所具有的实际工作条件对更换下的设备进行处置。过滤器可打开上部封头对滤芯进行更换。离子交换器可打开屏蔽体整体贮存或通过水力输送将已失效的废树脂排入放射性废物贮存桶内进行存储。

7　结论

CSNS靶站水冷净化系统的设计，全面考虑了其功能性、安全性、流程最优化、设备合理化、仪表选型合乎要求、系统运行时的可操作性以及对操作人员和维修人员的辐射防护等因素。希望本文能够为其他具有相似性的设计工作提供一些有益的借鉴。系统自2017年运行至今完全满足设计要求，运行良好。

［1］ 李岱素，潘慧．填补我国脉冲中子应用领域的空白：中国散裂中子源通过国家验收［J］．广东科技，2019（2）：22-23．

［2］ 王芳卫，梁天骄，殷文，等．散裂中子源靶站和中子散射谱仪的概念设计［J］．核技术，2005．28（8）：593-597．

［3］ 陈鹤鸣，马春来，等．核反应堆材料腐蚀及其防护［M］．北京：原子能出版社，1984：2-5．

［4］ 仲言．重水研究堆［M］．北京：原子能出版社，1988：452-501．

［5］ 第十设计院等．纯水制备［M］．北京：国防工业出版社，1972：96-100．

［6］ 轻水试验研究反应堆水质技术条件：EJ/T 763—1993［S］．1993．

［7］ 王兆祥，等．船舶核动力装置原理与设计［M］．北京：国防工业出版社，1980：293-318．

Design of Cooling Water Purification System for China Spallation Neutron Source Target Station

Li Qing1，He Ning2，Liang Huihong3

（1.Reactor Engineering Technology Research Division，China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China；2. Institute of High Energy Physics Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3. Spallation Neutron Source Science Center，Dongguan of Guangdong Prov. 523803，China）

Spallation neutron sources is a scientific facility for producing high flux, pulsed neutron beams form a heavy-metal target bombarded with high energy protons from an accelerator. The China Spallation Neutron Source (CSNS) is mainly composed of accelerator, target station and neutron instruments. The water purification system, as a part of the target station cooling system, is very important for the safe operation of the CSNS. This paper introduces the scheme design of the water purification system for the target station cooling system. This paper mainly introduces the process of the system design, the determination of the important parameters of the system, the selection of the system equipment, the characteristics of the control instrument and system arrangement, and the design ideas of the operation of the system under various working conditions. In the design, there are many considerations about the maneuverability of the system in the future and the radiation protection of operators and maintenance personnel. The design of the CSNS target station water purification system takes into account factors such as functionality, safety, process optimization, equipment rationalization, instrument selection in accordance with the requirements. Since 2017, the system has fully met the design requirements and is running well. It is expected this design can provide some useful reference for other similar work.

CSNS; Target station cooling system; Water purification system; Process design of water purification

TL5

A

0258-0918（2022）02-0303-08

2021-01-05

李 清（1970—），男，北京人，高级工程师，学士，现主要从事反应堆工程技术相关研究