游泳池式轻水反应堆一回路水质监测技术及水质控制

尹 璟，王 凌

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

49-2 游泳池式轻水反应堆（以下简称49-2堆）始建于1959 年，1964 年达到首次临界，1965年3 月达到满功率3.5 MW 运行，至今已安全运行58 年。

49-2 堆是以轻水作为冷却剂和慢化剂的游泳池式反应堆，一回路水入口温度不超过45℃。49-2 堆主要结构材料（泳池池壁、活性区元件包壳及套管等）为铝合金，而管道、水泵和热交换器等其他材料为不锈钢。从腐蚀角度考虑，钢材和铝材并存时对水质的要求是不同的，在水质控制时需对此进行考虑［1］。

49-2 堆的一回路水直接与燃料元件相接触，适宜的水质条件对于保证反应堆正常运行是十分重要的［2］。为了确保水质维持在运行限值内，维护反应堆安全运行，需要定期对水的各项数据进行监测并建立灵敏度高、可靠、准确、快速地测定水中离子含量的方法，当水质出现接近甚至偏离限值时，投入净化系统对一回路水进行净化。

49-2 堆根据标准［3］制定了更严格、切合实际的运行限值条件，见表1。

表1 49-2 堆水质运行限值Table 1 Operating limits for the primary water quality of 49-2 reactor

1 49-2 堆一回路水中离子含量监测

1.1 一回路水中铁离子的分析

铁离子在水中主要的危害是它与水中某些阴离子形成难溶性的化合物式复盐式胶体微粒，这些离子均又增加水中固体残渣含量，而固体残渣的存在会妨碍导热效率。它所具有的放射性造成阀门、水泵、热交换器等局部放射性“热点”，给设备维修带来困难。活化了的腐蚀产物沉积在设备上还会增加辐照腐蚀作用，加速材料腐蚀。

49-2 堆自建堆以来一直采用4，7-二苯基-1，10 邻菲罗啉分光光度法测定一回路水中的微量铁离子［4］，原方法采用硫代乙醇酸溶解非反应性的铁化合物，使之转变成为二价铁，但硫代乙醇酸具有强腐蚀性和强烈臭味，使用极不安全。因此对该方法进行了改进，采用抗坏血酸作还原剂替代硫代乙醇酸将水中的铁全部转化为二价铁，pH 在3～5 之间，二价铁与4，7-二苯基-1，10 邻菲罗啉形成红色络合物［Fe（BPTL）3］2+，此络合离子不溶于水而溶于乙醇-水的混合物。在30%～50%的乙醇-水溶液中，在534 nm 附近有最大吸收波长，吸光度与水中Fe2+的含量成正比。此方法分析成本较低，对仪器无较高要求。

取已知铁含量的样品进行回收实验结果见表2。

表2 铁回收率的测定Table 2 Determination of iron recovery rate

从表中的数据可以看出，本方法重现性较好，回收率大于95%。

1.2 一回路水中铜离子的分析

反应堆一回路水中铜的存在会引起还原反应而沉淀在铝材的表面上，形成微原电池中的阴极，铝材为阳极，从而加速氧化膜的溶解，形成点腐蚀，当铜氯并存时，更加速了点腐蚀的形成［5］。

49-2 堆自建堆以来一直采用分光光度法测定水中痕量铜［6］。此法以铜试剂作为显色剂，三氯甲烷作为萃取剂，操作烦琐，同时，水样中铜含量较低时，吸光度值接近于零，低于方法检测下限，方法灵敏度较低，样品用量大。并且，三氯甲烷有毒，对检测人员的身体危害极大。目前49-2 堆采用催化动力分光光度法测定水中痕量铜。该方法是在碱性介质中以铜离子催化过氧化氢氧化还原酚酞，其反应为：

在固定还原酚酞（C20H16O4）、过氧化氢、氯化钠和碱性溶液的条件下，催化显色反应速率为：

据此49-2 堆采用固定时间法，用紫外-可见分光光度法测定非催化反应和催化反应的吸光度，在552 nm 处有最大吸收波长，其吸光度增量ΔA 与铜离子浓度［Cu2+］在一定范围内呈线性关系。

取已知Cu2+含量的49-2 堆一回路水样进行回收实验，结果见表3。

表3 铜回收率的测定Table 3 Determination of copper recovery rate

从表中的数据可出，本方法重现性较好，回收率大于92%。

1.3 一回路水中氯离子、总固体杂质的分析

水中氯离子含量升高会引起不同程度点腐蚀，水中氯离子的存在会使铝的氧化膜削弱处或缺陷处加速溶解，即使是微量的氯也会使氧化膜溶解，加速点腐蚀。因此49-2 堆一回路水中氯的含量是反应堆及有关实验回路水质标准的重要指标之一。

49-2 堆使用离子色谱仪对氯离子含量进行测量。操作简单，化学试剂污染小，而且出数据快，便于提高监测频率。

49-2 堆主要使用蒸发-称重法对固体杂质含量进行分析测量。图1 至图4 分别为49-2堆2014—2022 年一回路中铁离子、铜离子、氯离子、固体杂质含量。

图1 不同年份49-2 堆一次水铁离子Fig.1 The iron ion of the primary water of 49-2 reactor in different year

图2 不同年份49-2 堆一次水铜离子Fig.2 The cupric ion of the primary water of 49-2 reactor in different year

图3 不同年份49-2 堆一次水氯离子Fig.3 The chloridion of the primary water of 49-2 reactor in different year

图4 不同年份49-2 堆固体总杂质Fig.4 The solid impurity of the primary water of 49-2 reactor in different year

由图1 至图4 可知，49-2 堆定期对一回路水离子含量等进行检测，运行人员根据检测结果将一回路水质严格控制在运行限值之内，保障了反应堆的安全运行。

2 49-2 堆一回路水pH 和电导率分析

在49-2 堆运行及停堆期间，会定期对一回路水质进行分析，比电阻、pH 和离子浓度是检测水质以及评估其水质状况的重要参考，而最快速直接的是对一回路水进行pH 和比电阻检测［7］。

在反应堆运行期间，通过对一回路水取样口水样进行pH 和比电阻检测［8］。在反应堆停堆期间，通过对堆水池取样进行检测。同时，在49-2堆一回路管线上加装了一套在线电导率仪［9］对一回路水进行在线分析。

图5 和图6 分别为2014—2022 年49-2 堆一次水pH 与电导率变化图。由图可知，49-2堆长期保持一回路水pH 在5.5～6.5 之间，电导率维持在2 μs·cm-1以下。当水质接近限值时，投入净化系统，使一回路水质保持在运行限值以下。

图5 不同年份49-2 堆一次水pH 值Fig.5 The pH of the primary water of 49-2 reactor in different year

图6 不同年份49-2 堆一次水电导率Fig.6 The conductivity of the primary water of 49-2 reactor in different year

3 49-2 堆一回路水质控制

49-2 堆一回路水质控制的有效性与水质监测标准和化学监督实施力度有关。

49-2 堆按照规定的监督项和频次对一回路水进行取样和在线分析，并给出结果和评价，当出现接近甚至偏离限值时，应及时采取纠正措施。

49-2 堆一回路水化学运行的纠正行动通常为净化系统的投入，图7 为49-2 堆净化系统示意图。49-2 堆净化系统配置三台离子交换器，离子交换器有效高度1900 mm，可装填树脂最大容量765 L。三台离子交换器可灵活配合几种树脂的不同装料方式运行，满足净化要求，通过改变管路上阀门的开闭状态，可控制三台离子交换器的运行状态，使其可单独运行、两台串联或三台串联运行，具有灵活的运行方式［10］。

图7 49-2 堆净化系统示意图Fig.7 The purification system schematic of 49-2 reactor

同时，49-2 堆对一回路水补给水系统的产水水质进行严格控制，保证向堆水池补充的去离子水水质满足运行需求。49-2 堆制水系统经过两级反渗透系统及EDI（Electrodeionization）又称连续电除盐技术后去离子水的电导率一般均小于0.5 μs·cm-1，满足运行需求。

4 结论

49-2 堆是我国运行时间最长的实验型堆，现阶段依然承担着许多的科研任务，对其一回路水质检测方法及数据的总结分析是非常有必要的，对评估49-2 堆一回路水质控制效果具有一定的参考意义。本文对49-2 堆一回路水质检测方法及测量结果进行总结分析。结果表明，49-2 堆在过去十几年的运行中一回路水质检测方法在逐步更新与完善，运行人员对一回路水质控制在运行限值之内，保障了反应堆的安全运行。以上结论可对49-2 堆继续运行的申请及退役管理提供参考依据。