VVER 机组大修辐射源项控制体系研究和实践

谢卫平，赵喜寰，丁长龙，邸明乐，陈全利

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222000）

核电厂现场的辐射源项主要包括中子、裂变产物和腐蚀活化产物。在核电厂正常运行情况下，中子与裂变产物对职业照射的贡献较小。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”的动态平衡方式存在于一回路系统设备及冷却剂中。腐蚀产物随冷却剂进入堆芯被活化，这些腐蚀活化产物在堆芯以外的设备内表面沉积导致设备周围的辐射场升高。换料大修是核电厂最重要的生产活动之一，大修产生的集体剂量一般占年度集体剂量的80%～90%[1]。根据职业照射监测和国内外核电厂运行情况分析，压水堆核电厂职业照射的80%来源于系统中的腐蚀活化产物[2,3]。

VVER 反应堆是国际上在运和在建的主要压水堆堆型之一。张晔、王海平对VVER 机组的源项设计、化学控制进行了研究[4,5]，但均没有对VVER 机组大修辐射源项控制体系开展研究。在机组停堆过程中，随着一回路冷却剂中水化学环境的改变，腐蚀活化产物的形态也随之发生变化，如何建立与机组类型相适应的标准化源项控制体系是核电厂开展集体剂量控制的关键。本文开展了VVER 机组大修辐射源项控制措施的研究，并对实施效果进行了评价，最后提出符合VVER 机组辐射源项的控制体系。

1 大修辐射源项控制实施阶段及特点

根据机组状态和一回路水化学环境，将VVER 机组大修辐射源项控制划分为3 个阶段。各阶段实施时间和采取的主要控制措施如表1 所示。

表1 VVER 机组大修辐射源项控制阶段及特点Table 1 Control stages and characteristics of radiation source terms for VVER overhaul

使用滤膜对一回路样品进行过滤，通过测量一回路冷却剂取样样品、滤膜、滤液的放射性核素含量，确定不同机组状态下一回路腐蚀活化产物的形态。VVER 机组主要腐蚀活化产物在不同机组状态下的形态如表2 所示。

表2 VVER 机组主要腐蚀活化产物形态Table 2 The morphology of VVER main corrosion activation products

VVER 机组的辐射源项主要通过净化系统的树脂床进行去除，放射性核素的形态直接影响树脂床的去除效果。因此，在制定辐射源项控制措施时需要考虑放射性核素的形态，以提高辐射源项的去除效果。

2 VVER 机组辐射源项控制体系

根据VVER 机组系统设计的特点和辐射源项特点，制定了在机组不同时间窗口下的大修全过程辐射源项控制体系（见图1）。

图1 VVER 机组辐射源项控制体系框图Fig.1 The block diagram of the control system of radiation source terms of VVER

3 辐射源项控制措施及效果评价

3.1 停机前辐射源项控制措施及效果评价

水化学条件主要影响腐蚀活化产物的形态、溶解度等，在机组停机前主要通过调节一回路水化学条件来控制辐射源项。

3.1.1 pH 调节及控制

一回路冷却剂 pHt会影响腐蚀活化产物从设备表面到燃料组件，以及从燃料组件到堆芯以外区域的迁移和释放过程。最佳 pHt主要通过一回路的温度、硼酸与碱性金属离子总浓度之比进行确定，使反应堆一回路设备内表面沉积的腐蚀活化产物（60Co 和58Co）最少，通常最佳pHt处于7.0～7.2[6]。

3.1.2 溶氢控制

一回路加氢是为了限制水的辐照分解，减少对系统设备材料的腐蚀，进而降低腐蚀产物被活化的数量。低浓度的溶氢会增加NiO 和其他含镍氧化物的稳态含量，减少了Ni在堆芯区域的沉积，进而降低了58Co 的产生量。除此之外，低溶氢还可以减少腐蚀产物向堆芯区域的转移，降低腐蚀产物在堆芯被活化的概率，从而减少一回路的辐射源项。

根据机组运行实践，在燃料循环寿期末前3个月开始将一回路溶氢控制在2.2 mg/L 内，一回路总γ 体积活度与溶氢呈同步变化趋势，整体上随溶氢浓度的降低而减少。VVER 机组寿期末溶氢和一回路总γ 体积活度趋势如图2 所示。

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图2 VVER 机组寿期末溶氢和一回路总γ 体积活度趋势图Fig.2 The trend of dissolved hydrogen and total γ volume activity of the primary circuit at the end of the life cycle of VVER

3.1.3 一回路贮存水箱介质净化

大修开始前，对一回路冷却剂贮存水箱、乏燃料水池存储的介质通过系统进行净化，从而可以降低一回路升液位、主回路与乏燃料水池联通时的放射性。根据历次大修的实践经验，对一回路冷却剂贮存水箱、乏燃料水池的介质净化效率可以达到90%以上。净化前后对比如表3所示。

表3 一回路冷却剂贮存水箱、乏燃料水池的介质净化效果Table 3 The media purification effect of primary circuit coolant storage tank and the spent fuel pool

3.2 停机阶段辐射源项控制措施及效果评价

在机组停机过程中一回路主要腐蚀活化产物的形态发生变化，通过净化系统可以更加高效地去除放射性产物。在主泵停运一回路介质失去动力后，仍可以通过外接动力冲洗设备或者局部系统运行实现对相关系统设备的冲洗和净化。

3.2.1 停机过程中KBE 系统连续净化一回路介质

从机组降功率开始，投运1 个KBE 系列过滤器并以最大流量（36 t/h）净化一回路介质。当机组进入最小可监测功率水平的注硼阶段，投运另1 个KBE 系列过滤器，并保持2 个KBE系列过滤器（一台阳床+一台混床）以最大的流量（约43 t/h）联合净化一回路介质，并尽可能延长净化时间，以提高对一回路放射性的净化效果。根据运行实践，KBE 系统在该阶段对离子态54Mn、59Fe、58Co、60Co 的净化效率可达到 100%，但对以胶体形式存在的122Sb、124Sb、110mAg 的净化效率仅有30%左右。KBE净化流程如图3 所示、净化效果如图4 所示。在KBE 连续净化期间，一回路的总γ 放射性水平持续下降。KBE 的净化时长主要受制于主泵的停运时间，并与机组的大修关键路径密切相关。

图3 KBE 净化流程简图Fig.3 The sketch of the KBE purification process

图4 KBE 过滤器净化期间一回路总γ 趋势图Fig.4 The trend of total γ in the priary circuit during the purification period of the KBE filter

3.2.2 KBB 联合大流量净化

图5 KBB 联合大流量净化流程简图Fig.5 The sketch of the KBB combined high flow purification process

图6 KBB10AT001 投运前后放射性对比图Fig.6 The comparison of radioactivity of KBB10AT001 before and after commissioning

3.2.3 一回路液位升降过程的辐射源项控制

在主泵停运、KBA 系统隔离后，一回路无法通过KBE、KBB 系统进行净化。此时，对一回路进行升降液位的操作，只能通过燃料水池和含硼水贮罐水净化系统（FAL）的树脂床对乏燃料水池和一回路贮存水箱内的介质进行循环净化。

在一回路升液位时采用放射性水平低的含硼水贮存系统（JNK）的水箱进行补水，在降液位时使用同1 个JNK 水箱接收来自一回路的冷却剂并通过FAL 系统树脂床进行净化，以确保JNK 水箱内的介质始终处于较低的放射性水平。在压力容器与乏燃料水池联通期间，通过FAL 系统树脂床持续进行净化。通过FAL 系统树脂床对乏燃料水池和JNK 水箱进行持续净化，净化效果分别可以达到35%～80%、95%左右。两者净化效果的差异主要与冷却剂容量、净化时间有关。

3.2.4 通过系统介质对系统设备进行冲洗和净化

通过启动系统相关水泵为介质提供动力，并利用系统内的介质实现对高放系统、设备进行冲洗和净化，同时将系统的树脂床带入冲洗回路去除放射性。VVER 机组利用该原理对KBA 系统、余热排出系统进行冲洗和净化，冲洗和净化效果如表4 所示。

表4 KBA 系统、JNA 系统冲洗和净化效果Table 4 Flushing and purification effect of the KBA system and the JNA system

由于KBA 系统设备管线多、流程长，在冲洗过程中放射性核素的迁移存在较大的不确定性，可能导致部分设备管线辐射水平上升。这时需要充分利用KBE 树脂床对系统内的放射性核素进行去除，应按次序先后对KBA40管线和KBA10 管线进行冲洗，实现对辐射源项的有效去除。当余热排出系统使用结束后，利用净化后的JNK10/40BB001 介质对含硼水贮存系统-安全壳喷淋系统-安注系统-含硼水储存系统（JNK-JMN-JNG-JNK）进行循环冲洗，并使用FAL 树脂床对JNK10/40BB001 介质进行净化。

3.2.5 通过外接动力冲洗设备对系统设备进行冲洗

根据大修降级测量和辐射水平普查结果，应在机组状态达到允许外接动力冲洗设备时，立即对主要作业区域和人员通道附近的放射性热点组织进行冲洗。此外，当需要进入高剂量率放射性介质储罐、阀门抽芯后剂量率水平较高的阀腔进行作业时，应在作业前使用外接动力冲洗设备进行冲洗。

VVER 机组成功实施了对JNK 水箱检修作业前的冲洗，实施后整项作业集体剂量降低90%以上。王志兵等[7]对JNK 水箱检修集体剂量控制措施进行了研究。VVER 机组典型系统设备通过外接动力设备冲洗效果如表5 所示。通过外接动力冲洗设备是在系统隔离检修后进行作业时的源项控制的主要手段。

表5 VVER 机组典型系统设备通过外接动力设备冲洗效果Table 5 The flushing effect of the typical system equipment of VVER through the external power equipment

3.3 启机阶段辐射源项控制措施及效果评价

由表2 可知，在维修冷停堆和换料冷停堆期间，一回路处于酸性氧化环境，相应的腐蚀活化产物基本上都以离子态的形式存在，通过系统树脂床对放射性的去除效果最好。当一回路相关设备回装完成后，应提前建立上充下泄并以大流量投运KBE 系统，以实现对一回路冷却剂的有效净化。

4 结论

从实践可以看出，VVER 机组建立的大修辐射源项控制体系可以有效的降低一回路、检修系统设备的放射性，并对降低电站人员的受照剂量有重要的意义。本文中提出的源项控制方式也可以供其他反应堆机组参考。当然，VVER 机组实施的源项控制体系仍存在可以继续优化和改进的方面，具体有：

（1）VVER 机组在停机过程中使用KBE 树脂床可以有效地降低一回路放射性水平，但过长的净化时间会影响大修工期。后续将根据实际情况制定一回路放射性净化的限值以进一步规范净化时间。

（2）与CPR1000/M310 等其他压水堆型相比，VVER 机组在停堆前未实施氧化运行，这将导致一回路沉积的腐蚀活化产物释放缓慢。大多数腐蚀活化产物核素呈现不溶形态，尽管KBE 树脂床在投运期间的去除效率高但其总去除量有限。将来可以考虑进行VVER 机组氧化运行的可行性研究。

（3）随着辐射源项控制技术研究的发展，VVER 机组可考虑通过注锌、燃料超声波去污等新技术进一步完善辐射源项控制方法和体系。