水化学参数对压水堆燃料表面污垢沉积过程的影响研究

蒙舒祺，胡友森，金德升，毛玉龙，阮天鸣，胡艺嵩，朱元兵，周 青

水化学参数对压水堆燃料表面污垢沉积过程的影响研究

蒙舒祺，胡友森*，金德升，毛玉龙，阮天鸣，胡艺嵩，朱元兵，周 青

（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000）

通过调整压水堆（Pressurized Water Reactor，PWR）运行期间各种水化学参数，能够有效控制一回路水质。作为影响燃料性能的重要因素，污垢（Chalk Rivers Unidentified Deposits，CRUD）在燃料表面的沉积行为会随水化学参数调整而改变。本文研究了溶解氢气（Dissolved Hydrogen，DH）浓度、pH值、注锌和超声波清洗（Ultrasonic Fuel Cleaning，UFC）对某PWR功率运行期间CRUD沉积过程的影响，结果表明DH浓度对CRUD沉积影响较小，提高pH值、注锌和应用UFC能够抑制CRUD沉积。研究成果为从水化学控制角度提高PWR安全性和经济性提供了理论依据和数据支撑。

压水堆；燃料；污垢；水化学；沉积

国内外大部分PWR机组采用调节DH浓度和pH值的方法控制功率运行期间一回路腐蚀[1]。为降低一回路放射性，美国[2]、法国[3]和日本[4]尝试向PWR一回路注锌，并取得了良好实践。对于燃料表面积垢严重的机组，美国在大修期间采用超声波清洗（UFC）技术清洁燃料棒，以缓解CRUD对燃料性能的影响[5]；UFC技术在瑞典PWR机组上同样有所应用，运行数据表明UFC可大幅降低CRUD水平[6]。CRUD是PWR一回路金属材料腐蚀释放产物在燃料表面沉积后形成的物质，其沉积过程本质上是腐蚀释放产物溶解后生成的离子在燃料表面大量析出[7]，水化学参数的调整可能会改变离子饱和溶解度，最终对CRUD沉积过程产生影响。

本文阐明了水化学参数对CRUD沉积过程的影响机理，采用中广核研究院自主开发的分析软件对某PWR在不同DH浓度、pH值、注锌浓度和应用UFC时连续循环的CRUD总量进行了模拟，并给出了水化学参数对CRUD沉积过程影响的量化结果。

1　模型介绍

1.1　腐蚀释放速率

金属材料的腐蚀释放产物是CRUD产生的根源[8]，水化学参数调整会对腐蚀释放速率产生影响。美国电力研究院根据运行数据，给出了蒸汽发生器和主管道的腐蚀释放速率经验公式[9]：

其中：CRsg、CRpipe——蒸汽发生器和主管道的腐蚀释放速率，mg/（dm2·month-1）；

［H+］——氢离子浓度，mol/kg。

注锌能够抑制PWR金属材料的腐蚀释放，参考文献［10］给出了不同注锌浓度下蒸汽发生器和主管道材料的腐蚀释放速率，根据这些数据可拟合出注锌浓度对腐蚀释放速率的修正系数：

［Zn］——注锌浓度，10-9；式（4）注锌浓度适用范围为0～50×10-9。

添加DH是为了维持PWR一回路还原性环境，对DH浓度的控制主要是防止金属材料产生应力开裂[11]，现有PWR运行经验表明DH浓度对金属材料腐蚀释放速率的影响很小[12]。

1.2　离子饱和溶解度

根据PWR实际检测的CRUD数据，Ni、Fe、Cr在CRUD中占比超过90%，且Cr的沉积物较稳定[13]，因此不考虑水化学参数对Cr和其他微量元素饱和溶解度的影响。注锌后，Zn可能在过冷泡核沸腾剧烈的区域析出[14]，因此需要考虑Zn的饱和溶解度。在PWR典型工况下，Ni、Fe和Zn稳定进行的化学反应主要有[14,15]：

根据沉淀溶解化学反应，可推导出Ni、Fe、Zn的饱和溶解度计算公式：

其中：CNi、CFe、CZn——Ni、Fe、Zn饱和溶解度，mol/kg；

［H2］——DH浓度，mol/kg；

基于Crawford D W等［7-8］，［2］336的休闲制约理论，本研究将制约因素分为个人内在制约因素、人际间制约因素和结构性制约因素，并对130篇文献中出现的各种制约因素进行分类统计。

［H+］——氢离子浓度，mol/kg，与pH的公式（3）已给出；

K——化学平衡常数，可写成与温度相关的函数，下标对应不同的金属氧化物。

1.3　CRUD沉积

一回路系统内析出形成CRUD的过程是非稳态的化学动力学行为，在模拟CRUD沉积时，通常假设主流体和燃料表面之间存在一个薄层，在薄层内离子的析出和溶解始终处于稳态[16]。基于薄层模型，可得到单位面积上CRUD的沉积速率：

下标——Ni、Fe、Zn三种元素。

1.4　CRUD继承率

定义CRUD继承率：

CRUD继承率数值越大，表示大修期间CRUD被移除的总量越少。根据国外PWR运行经验[5,6]，应用UFC能够移除约80%的CRUD，若采用高效UFC（High Efficient Ultrasonic Fuel Cleaning，HEUFC），CRUD移除效率可接近90%。

2　分析结果

2.1　输入参数

中广核自主研发的污垢分析软件CAMPSIS包含了上述模型[20]。分析表明，水化学参数调整会对PWR金属材料腐蚀释放速率、CRUD沉积速率和CRUD继承率产生影响。表1给出了模拟水化学参数调整对某PWR功率运行期间CRUD沉积行为影响的主要输入参数，基准工况参数为：DH浓度=30 mol/kg、pH值=7.2、注锌浓度=0、CRUD继承率=0.7。计算所需的热工水力参数由子通道程序LINDEN提供[17]。

表1　模拟水化学调整对CRUD沉积过程影响的输入参数

2.2　对计算结果的讨论

图1～图4给出了水化学参数对某PWR连续循环CRUD总量影响的量化结果，可以看出：

（1） DH浓度对CRUD总量影响较小，与国际上进行过DH浓度调整的PWR运行经验吻合[12]；

（2） pH从6.8提高至7.4，CRUD总量减少约15%，表明提高pH可抑制CRUD沉积。但是pH过高可能会造成燃料包壳失效风险增加[21]，因此目前国际上通常将PWR一回路pH控制在弱碱性区间[1]；

（3）模拟从首循环开始持续注锌。注锌后CRUD总量减少约40%，但是将注锌浓度从5×10-9提升至30×10-9，CRUD总量降幅较小（约4%）。注锌工况的分析结果表明，注锌能够有效抑制CRUD沉积，但高浓度注锌对CRUD的影响较小，且还可能造成Zn在CRUD中析出[14]，因此国际上大部分注锌PWR机组采用低浓度注锌模式[2,3]；

图1　DH浓度对CRUD总量影响分析结果

图2　pH值对CRUD总量影响分析结果

图3 注锌浓度对CRUD总量影响分析结果

（4）以第1到第2循环为例，相对基准工况，应用UFC后CRUD总量减少约27%，应用HEUFC可使CRUD总量减少约40%。若持续应用UFC，后续循环CRUD总量可得到持续控制。

对PWR机组进行水化学参数调整时，需要综合考虑各循环的热工水力状态，同时对DH浓度、pH、注锌浓度和UFC进行组合，以提升对CRUD沉积的抑制效果。

图4　应用UFC对CRUD总量影响分析结果

3　结论

本文阐明了水化学参数对CRUD沉积过程的影响，给出了水化学参数对某PWR连续循环CRUD总量影响的量化结果，主要结论如下：

（1） DH的作用是维持PWR一回路还原性环境，调整DH浓度对CRUD沉积影响较小；

（2）提高一回路pH可以抑制金属材料腐蚀、改变离子态腐蚀产物的饱和溶解度，最终影响CRUD沉积速率；

（3）注锌可大幅度降低CRUD总量，但高浓度注锌对CRUD的抑制作用较小，建议采用低浓度持续注锌；

（4）在大修期间进行UFC能够除去更多CRUD，从而减少再入堆燃料组件表面的CRUD总量。

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Effect of Water Chemistry Parameters on PWR Fuel CRUD Deposition Process

MENG Shuqi，HU Yousen*，JIN Desheng，MAO Yulong，RUAN Tianming，HU Yisong，ZHU Yuanbing，ZHOU Qing

（China Nuclear Power Technology Research Institute，Shenzhen of Guangdong Prov. 518000，China）

The quality of PWR primary coolant can be maintained by adjusting multiple water chemistry parameters. As a key factor on fuel performance, the deposition process of CRUD will be influenced by the adjustment of water chemistry conditions. A PWR CRUD deposition process during power operation period has been analyzed under different DH concentrations, pH values, zinc injection and UFC. The results show that changing the DH concentration has little impact on CRUD deposition, while elevating the pH value, injecting zinc and applying UFC are able to depress CRUD deposition. The study findings provide theoretical evidence and supporting data for improving PWR safety and economy from water chemistry controlling aspect.

PWR; Fuel; CRUD; Water chemistry; Deposition

TL38+4

A

0258-0918（2023）03-0494-05

2022-09-15

国家自然科学基金（U20B0211，针对堆芯氧化腐蚀产物材料-热工-中子行为的多物理耦合机理）；国家自然科学基金（52171085，模拟压水堆一回路冷却剂中燃料包壳管表面污垢沉积行为与机理研究）

蒙舒祺（1992—），男，广东惠州人，工程师，硕士，现从事反应堆一回路热工水力和水化学研究

胡友森，E-mail：huyousen@cgnpc.com.cn