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核电厂燃料富集度提升后硼浓度调整策略分析

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：陈路标王立刘景伟

[导读] 摘要：核电厂的最终安全分析报告规定了所要装载的燃料的富集度，如果进行富集度的调整则根据安全分析需要改变主辅助和安全系统的硼浓度。

        (福建福清核电有限公司福建福清 350318)
        摘要：核电厂的最终安全分析报告规定了所要装载的燃料的富集度，如果进行富集度的调整则根据安全分析需要改变主辅助和安全系统的硼浓度。机组正常运行工况下需要遵守运行技术规范的要求，否则可能导致安全相关设备的不可用，系统进行硼浓度调节的过程也会导致系统设备的不可用，或者需要进行必要的安全分析，或者在机组状态对相关设备没有要求的情况下开展调硼工作，论文根据工程的实践，详细分析了调硼涉及系统设备包括技术规范的要求，调硼需要的步骤及其风险关注事项，给出了两种调硼的窗口和方式，为后续调硼工作提供了经验借鉴。
        关键词：富集度硼浓度调硼换料水箱乏燃料水池
        1.硼浓度提升的背景
        1.1富集度提升
        M310设计的核电厂最终安全分析报告中有相关描述“反应堆堆芯由燃料组件排列构成，所有燃料组件为带改进型格架的AFA 3G型，它们在机械设计上是相同的，只是燃料富集度不同。第一循环堆芯采用三种富集度的燃料，布置在堆芯的三个区域里，其富集度分别为1.8%、2.4%、3.1%。换料燃料富集度为3.2%”，为了提高铀的利用率并减少核废料的产生，例如福清核电厂机组计划从第二燃料循环开始，将工程设计的换料堆芯燃料组件富集度由3.2%提高至3.7%。
        提高换料燃料富集度的设计修改，原则上其技术规范、设计限值和安全限值与原FSAR 报告保持一致，但是由于堆芯换料燃料235U 富集度变化及相关参数的改变，需要对新堆芯燃料管理策略所涉及到的堆芯核设计、热工水力设计、事故安全分析、燃料及系统容量等相关参数值的变化重新进行必要的设计分析和论证，通过论证重新确定FSAR 中的相关参数值，为电厂在该燃料管理策略下安全可靠运行提供依据。而根据事故分析结果，实施提高换料燃料富集度管理策略后，换料水箱水容积维持原设计值不变，而硼浓度需要由原设计值2200 mg/kg ±100mg/kg 提高至2400 mg/kg ±100mg/kg。
        1.2硼浓度提升
        换料水箱的硼浓度应至少能保证在换料期间或者LOCA事故再循环阶段地坑水的硼浓度（低限），使得堆芯处于次临界状态，同时也要保证LOCA事故时，从安全注入切换到再循环阶段前10小时内避免堆芯内的硼结晶（高限）。以换料水箱硼浓度取值2300ppm低限和2500ppm高限进行LOCA长期效应的包络性验证，可以看出进行冷热段同时安注切换时（事故后9.6h）的地坑硼浓度均高于所有循环、所有燃耗的重返临界的硼浓度限值，同时切换后地坑硼浓度不再降低，堆芯硼浓度不再增加，堆芯内和地坑内的硼浓度趋向于一个均匀的平均值，没有堆芯硼结晶的风险。
        2.硼浓度调整范围
        根据富集度提升后硼浓度变化的论证，结合电厂系统设计的功能特点，考虑其提升硼浓度的窗口和方法，需要进行下面两项工作分析：
        1)分析出需要提升硼浓度的系统和设备。
        2)含硼系统和设备的运行技术规范要求，以便于后续分析在合适的窗口进行硼酸浓度的提升，或者开展浓酸溶液的置换工作。
        具体如下：
        1)乏燃料水池
        在机组正常运行时，乏燃料水池内贮存的乏燃料组件少于或者等于14/3堆芯组件，乏燃料水池的设施，自机组首次装载核燃料后，乏燃料水池的设施必须投入运行，水池充水至19.5m，容量1326m³，对于首循环的M310机组硼浓度要求是2100-2300ppm之间，水池水位高于19.3m，水温10-50℃之间，各个模式都有要求。
        2)换料水箱PTR001BA
        在机组正常运行工况下，水箱储水1762m³，这是在LOCA以后安全注入和安全壳喷淋所需要的水容积，设计上没有考虑向乏燃料装载井的充水，对于首循环的M310机组硼浓度要求是2100-2300ppm之间，水位高于15.3m，否则需要在限定的时间内进行模式退防。
        表格2：各个运行模式对换料水箱参数的要求

        3)装载井和转运舱
        根据设计文件要求，正常运行情况下通常转运舱有水而装载井没有水，当乏燃料装载井为了运输容器的装料、换料前维修或试验运输机械而必须充水时，可以将燃料转运舱的水送至乏燃料容器装载井，而在实际运行中，在大修前转运舱有燃料转运小车的干式试验等，所以一般转运舱排空，而装载井中制备硼酸以应对换料过程中的硼酸量的不足，其容量是230m³，硼浓度制备为2100-2300ppm。
        4)安注箱RIS001-003BA
        正常运行时安注箱内装有用加压的氮气覆盖的含硼水，用于事故情况下一回路压力降到安注箱压力以下时，该气体用于将容器内的含硼水压入反应堆压力容器，其容积是3X33m³，硼浓度要求为2100-2300ppm，在任何参数不满足的情况下根据运行技术规范的要求（在RRA模式以下无要求），需要根据安注箱不可用的数量选择进行不同紧急程度的模式退防。
        5)安全注入（RIS）和安全壳喷淋（EAS）系统管线
        安全注入系统和安全壳喷淋系统作为机组的专设安全设施，正常运行时处于可用、备用的状态，在事故情况下实现其设定的安全功能，向一回路注入高浓度的硼酸，或者触发安全壳的喷淋，系统管线中充满了2100-2300ppm的硼酸水，预计容量60m³，在稳压器大开口之前都有对于其可用性的要求。
        表格4：各个运行模式对安注、安喷系统的要求

        6)化学和容积控制系统（RCV）管线
        化学和容积控制系统用于控制稳压器液位、提供主泵轴封、对一回路进行稀释补偿燃耗效应、对一回路水质进行净化等功能，正常运行时系统处于运行状态，系统管线中充满与一回路相同浓度的硼水，如果在下泄故障或者容积控制箱等故障情况下化容系统上充泵切换到PTR001BA运行，则吸入口硼浓度变为换料水箱的硼浓度。技术规范在完全卸料停堆模式对RCV管线无要求。
        7)反应堆冷却剂系统（RCP）
        反应堆冷却剂系统主要用于包容堆芯，通过蒸汽发生器导出堆芯的热量给二回路给水系统，正常运行时处于满水状态，达到临界硼浓度，根据寿期的不同，其硼浓度也不同。RCD模式下一回路可以进行排空操作，其他模式下反应堆冷却剂必须淹没堆芯或者处于满水状态。技术规范在完全卸料停堆模式对RCP无要求。
        8)硼回收系统（TEP）
        硼回收系统的中间储槽，正常情况下一个储槽用于接收废水，一个用于大修期间的硼酸补充，补偿大修期间损失的硼酸避免需要临时制硼导致的工作延误。
        根据以上对于相关涉硼系统的规范的要求进行梳理，可以得出如下结论：反应堆冷却剂系统、化学和容积控制系统、安全注入系统、安全壳喷淋系统、安注箱等系统设备都可以在RCD模式下通过制备好的硼酸溶液进行充注，装载井的硼酸制备没有特殊的要求，但是需要考虑大修期间与转运舱和乏池之间的传输即可，而换料水箱（RCD无要求）和乏燃料水池由于对于各种模式都有要求，必须进行安全分析后在相关模式下进行制备，因此换料水箱、乏燃料水池、装载井硼酸的制备是硼酸调整的重点。
        3.硼浓度调整的策略分析
        根据M310核电系统特点，考虑运行技术规范的要求，结合工程实践，硼浓度调整主要有两个策略，满足运行规范的大修工况下进行调整或者是针对不同系统设备在大修前开展，具体采用哪种策略需要结合电厂的实际情况进行，两种方式各有利弊，下面针对两种方式下各个系统的调硼细节进行分析。
        3.1反应堆卸料后调硼
        卸料后调硼，此时机组处于RCD模式，此方法是在满足运行技术规范条件下进行的调整，需要与大修的工期窗口相对应，同时考虑设备的检修计划。例如福清核电1-4号机组由于是在首循环进行富集度的提升工作，所以硼浓度的调整是在首次大修期间进行，由于是10年长大修，所以与大修计划结合，硼浓度的调整工作是RCD后进行调整的。
        3.1.1PTR001BA硼浓度调整
        1)调硼具体窗口确定
        根据与大修计划的结合，可以选择在卸料结束后，反应堆水池内的水传至PTR001BA后,此时PTR001BA有液位余量可以进行调硼操作。
        2)调硼的实施
        根据制定的调硼计划，提前梳理和记录相关数据，收集容器和水池的尺寸数据，便于计算所需硼酸量。以福清核电4号机组换料水箱调硼为例，分三步对换料水箱的硼浓度和容积进行了调整，第一步卸料后使用换料水池的水进行混合调整，第二步使用硼酸箱REA004BA进行调整，第三步将堆内构件池的水混合调整，具体步骤如下：
        初始数据
        PTR001BA截面积A1=109㎡，REA004BA截面积A2=10.18㎡；
        卸料时换料水箱PTR001BA：L1=液位3.8m，取样硼浓度C1=2224ppm；
        硼酸补给箱REA004BA数据：l1=液位5.88m，取样硼浓度c1=7326ppm，最小液位是0.48m，所以有效体积为v=A2*（l1-0.48m）=55m³；
        卸料后，反应堆水池内的水传输至PTR001BA（堆内构件池水未传回），换料水池硼水取样硼浓度C2=2235ppm，传水结束PTR001BA：液位L2=10.43m。
        计算传水结束后PTR001BA硼浓度为：
        C3={C1*L1+（C2*(L 2-L 1）}/L 2
        =[2223*3.8+2235*（10.43-3.8）]/10.43
        =2231ppm（提前计算，后面可以根据取样进行验证，但是一般取样需要循环，时间上较长）
        如果需要将PTR001BA内的硼酸浓度提高至C=2470ppm，需要加入的硼酸体积(REA 004BA 中的硼酸)为：
        V=L2*A1*（C-C3）/(c1-C)
        =10.43*109*（2470-2231）/（7326-2470）
        =56.0m³
        REA004BA的v体积的硼酸传输到PTR001BA后，其液位达到
        L4=L 2+v/109=10.93m；实际传输后，PTR001BA硼浓度达到：C4=（L2*A1*C3+v*c1）/(L2*A1+v)=（10.43*109*2231+55*7326）/（10.43*109+55）=2466ppm（实际传硼后，PTR001BA打循环后取样测量硼浓度为2463ppm，与理论计算值一致）；
        根据机组状态将堆内构件池内C2=2235ppm的硼酸传回PTR001BA使液位达到L5=15.7m，计算混合后的硼浓度：C5={L4*C4+（L5-L4）*C2}/L5
        =[10.93*2463+（15.7-10.93）*2235]/15.7=2394ppm（实际将堆内构件池中的水传至PTR001BA后，打循环取样测量硼浓度为2406ppm，与理论计算值基本一致）。
        3)注意事项
        REA向PTR001BA补给管线，设计上用于通过REA手动补给向PTR001BA补给2100～2300ppm硼酸，相关管道没有设计相关的RRB硼伴热系统。为防止硼结晶，REA向PTR001BA传硼结束后，必须尽快通过稀释的方式，将管道内的硼酸置换为清水。
        具体计算水量考虑该补给管线管径为60.3mm，截面积约为0.00003㎡，在保证足够裕度的情况下，稀释100L即可将补给管线中的硼酸转换为清水（稀释100L对于PTR001BA硼浓度的影响可以忽略不计）。
        机组处于RCD模式，反应堆冷却剂主泵停运产生防误稀释保护信号闭锁了REA稀释功能，稀释前需要联系专业人员对相关闭锁信号进行强制，稀释后及时解除相关强制信号。
        充分考虑硼浓度超出限值的可能风险，因此在各项调硼过程中，加强取样的频度和计算的修正。
        3.1.2乏池和转运舱的调整
        1)第一步：大修开始前给乏池调硼
        为了保证乏燃料水池的硼浓度和水位满足运行技术规范的要求，在大修前的调硼过程必须保证乏池硼浓度在2100-2300ppm范围内，因此在大修开始前的第一调硼的步骤是，使用临时制硼装置向乏池制硼直至2280ppm，原因是考虑到乏池容积大，调整周期长，故提前至大修开始调节至接近2300ppm。
        2)第二步：卸料后给乏池制备浓硼并混合
        由于卸料前换料水箱的硼浓度未完成调整，硼浓度一般在2200ppm左右，此硼水将转运舱充满，假定卸料结束后转运仓中硼水浓度为2200ppm，开启转运仓与乏池之间闸门后，欲使混合后的硼浓度达到2400ppm，那么乏池中的硼浓度至少为：C=（2400-2200）*235/1326+2400=2435ppm（其中转运舱容积235m³，乏燃料水池1326m³）
        因此，卸料结束后使用临时制硼装置将乏池制备至接近2435ppm，并在燃料装运装置贯穿件封闭后，将转运仓与乏池联通，进行循环混合，为了保证计算与实际的一致性，取样确认最终硼浓度。
        3.1.3反应堆冷却剂系统调硼
        反应堆冷却剂系统不开展独立的调硼，换料结束后，将调整好的PTR001BA、转运舱的硼水，直接通过化容系统、安注系统等充注到一回路即可。
        3.1.4安注箱硼浓度调整
        RIS001-003BA在机组比较低的模式功能实现没有要求，机组大修期间，RRA模式后安注箱即可泄压，如果中压安注箱有检修工作需要排空，则可直接开展。换料期间，包括低状态下，暂时不充硼和充压，机组启动阶段根据大修文件从PTR001BA取水向中压安注箱充水至目标液位。通过排空和再充水的简单替换方式实现中压安注箱的硼浓度调整。该过程有以下重要的注意事项。
        中压安注箱充水前确认PTR001BA已完成硼浓度调整，且经打循环取样合格。
        中压安注箱充水完成后尽快取样确认硼浓度满足要求。
        中压安注箱充水到目标液位共用水约32.7m3，三台中压安注箱均充满水需要总用水量为98.1m3，会对PTR001BA硼酸储量产生较大影响，需要提前储备足够的硼酸，避免制约机组启动。
        3.1.5EAS、RIS和RCV系统硼浓度调整
        EAS、RIS和RCV系统调硼原理类似。
        对于RIS和EAS系统来讲，在大修期间排空进行相关检修工作，待检修完成后进行相关分列的充水工作即可，一回路稳压器关人孔之前充水完成一列，保证一列可用机组可以继续上行；
        对于RCV系统，卸料结束后进行排空检修，重新装料前，由于主泵轴封供给，保证换料水池液位等需求，包括装料充水要进行一回路净化都需要与RRA系统连接等，需要在装料前使用换料水箱的水充水排气即可，正常完成了硼浓度的调整工作。
        3.1.6硼回收系统中间储槽的硼浓度调整
        机组大修前，提前在TEP中储槽制备2100～2300ppm的硼酸用于向换料水箱PTR001BA补水。燃料富集度提升后，机组启动阶段需要在TEP中储槽制备2300～2500ppm的硼酸用于向PTR001BA补水。而根据大修实践，机组下行阶段PTR001BA需要的补水量较小，TEP中储槽内制备的硼酸需要在机组卸料结束后重新蒸发，使硼浓度达到2300～2500ppm以供机组启动时使用，此时完成调整即可，蒸发使用规程与相关操作与日常期间TEP中储槽蒸发相同。
        3.2反应堆卸料前调硼
        3.2.1乏燃料水池、装载井和换料水箱
        对于换料水箱和乏燃料水池等硼浓度和容量的要求，运行技术规范要求明确，如果在大修前进行调整，则势必导致其不可用，则需要进行安全分析，安全分析满足要求的条件下，提前编制特许申请，待核安全局批准后实施。
        1)安全分析
        运行技术规范中换料水箱硼浓度大于2100ppm的要求是为了防止在换料大修期间发生硼稀释事故，因此保持换料水箱与一回路硼浓度一致。乏燃料水池是为了乏燃料组件和新燃料组件湿式贮存而设计的。例如根据福清1-4号机组的高密乏燃料贮存格架临界安全分析报告要求，乏燃料水池的硼浓度必须高于393ppm，才能满足临界安全要求。在功率运行期间，乏燃料水池硼浓度提高到2300-2500ppm对于硼稀释事故来说，杜绝了运行和换料期间来自乏燃料水池较低硼浓度水的可能，对于换料期间，乏燃料水池中燃料的次临界度更大，是偏安全的。
        运行技术规范对于硼浓度小于2300ppm的要求主要是考虑硼结晶的风险。从硼结晶温度曲线可以得到0℃的结晶温度对应的硼浓度为5000ppm，加上福清核电乏燃料水池房间温度都大于25℃，即提高硼浓度导致硼结晶的风险是可以忽略的。
        从技术规范的理解上，在提高换料水箱的硼浓度的过程中，浓度是不确定的，换料水箱被认为是不可用的，但是由于提高硼浓度的操作时在寿期末卸料前完成，加上装料阶段意外硼稀释事故分析是包络的，因此对意外硼稀释事故分析无影响。
        综上，从核安全上看，在大修前功率运行期间提高乏燃料水池的硼浓度无论对于功率运行还是其后的换料期间都是偏安全的，是可以接受的。
        2)调硼实施
        大修前的功率运行期间，采用临时制硼装置，通过配置高浓度的硼酸溶液，逐步提高乏燃料水池和乏燃料装载井的硼浓度，该临时装置可以安装在乏燃料水池旁边，每次能够制备3m³的硼酸液（不同的制硼装置一次制备的浓硼酸不同），依靠重力传入乏池，经搅拌混合来实现硼浓度的提升。例如福清核电401大修期间乏燃料水池调硼参数如下（大修与功率运行数据基本相同），调硼过程共使用临时制硼装置配置了5罐高浓度硼酸溶液并传入乏池内。乏池液位从19.38m升高至19.56m，期间未进行乏池排水工作，乏池取样硼浓度从2243ppm提升至2444ppm，与理论计算值基本一致。其中，机组装料前打开乏池与转运舱之间的水闸门，经24小时混合后乏池取样硼浓度为2434ppm，与理论计算值2421ppm存在一定偏差，分析认为乏池冷却和循环系统泵冷却乏池时，取水口在乏池内部远离转运舱的位置且回水也仅到乏池内，导致乏池和转运舱内水无法有效混合，故硼浓度均匀需要较长的时间。
        表格7：福清核电401大修乏燃料水池调硼过程相关参数

        换料水箱调整时，通过硼水补给系统中的浓硼对换料水箱的硼水进行置换的方式，主要方法是换料水箱排水至硼酸回收系统的中间储槽，然后使用硼酸补给系统进行充注浓硼。
        法国电力和中广核部分核电厂都曾进行过18个月换料的改进，其对于提高乏燃料水池、乏燃料装载井和换料水箱硼浓度是采用的此窗口和方法开展的。为了保证调硼过程的安全可控，制定专门的风险控制措施，例如为了避免交叉作业风险和硼结晶风险，采取以下管控措施：
        禁止其他与乏燃料水池、装载井和换料水箱相关的作业；
        编制专门的临时制硼装置和循环取样的操作票并严格执行；
        制硼操作票中明确，每次注入硼酸之后取样分析硼浓度；
        调硼工作作为专项工作开展，并列入生产计划管控流程。
        3.2.2反应堆冷却剂系统的硼调整
        反应堆冷却剂系统在大修下行的过程中，本身即需要进行硼化操作，可以与大修程序进行结合，开展富集度调整后的硼化调整工作。
        1)安全分析
        反应堆冷却剂硼浓度提高的影响安全分析是意外硼稀释事故分析和LOCA长期分析，对于意外硼稀释事故，硼浓度提高的工作是在寿期末换料前完成（机组下行期间），故对事故分析无影响，此外硼浓度提高后，即使发生意外稀释事故，其可稀释量是增加的，有利于事故处理；对于LOCA长期冷却，硼浓度提高后，堆芯硼结晶限制会提前达到，但是在提高富集度的论证分析中也有进行分析，结果是提高富集度后，限制堆芯硼结晶的安注切换到冷热同时注入的最大允许切换时间为12h（当前注入切换时间是7h，远小于限值），对应硼浓度为2500ppm，同时寿期末卸料前正常冷停工况，其衰变热可以被安全分析值包络。因此认为卸料前机组下行至RRA模式下提高一回路和其他硼浓度到2300-2500ppm，不会给LOCA长期冷却带来堆芯硼结晶的风险。
        2)调硼实施
        根据上述的安全分析，在大修下行过程中进行硼化调整，具体方案考虑是：
        在热停堆模式工况下，将一回路硼浓度硼化到正常冷停堆硼浓度；
        在热停堆继续下行到余排冷却正常停堆模式（NS/RRA）过程中，随着温度的降低，使用硼酸补给的浓硼补偿收缩，调整硼浓度至2100ppm；
        在淹没汽腔时继续硼化，并在停运主泵前，将反应堆冷却剂系统硼浓度提高到2300ppm以上。
        表格8：大修下行标准硼化步骤

        RRA模式汽腔淹没过程中或者继续降温过程中调整第三步硼化：淹没稳压器汽腔的同时调整一回路硼浓度大于2300ppm（注意硼表的滞后效应，硼浓度最好能大于2350ppm）如果淹没稳压器汽腔后硼浓度仍低于2300ppm，则在后续冷却过程中再继续硼化，以节省硼酸。注意避免使硼浓度大于2500ppm
        RRA模式反应堆冷却剂系统硼浓度调整结束后，即已经调整到2300-2500ppm之间后，后续MCS、RCS包括RRA模式下冷却剂硼浓度已经改变，与技术规范要求不符，需要工作开展前得到特许申请的批准文件，法国和广核部分电厂有采用此方式开展的工程实践。
        3.2.3其他系统的硼浓度调整
        安注系统、安全壳喷淋系统、安注箱等其调硼方式与大修卸料后调硼的方式相同，待PTR001BA调硼结束后直接使用其充注即可。
        硼回收系统的中间储槽没有特别的窗口要求，需要使用时将其浓度蒸发到要求的硼浓度即可。
        4.结束语
        核电厂富集度提升，或者由于其他原因导致机组硼浓度需要调整时，都需要对系统设备范围进行分析，对运行技术规范的要求进行分析，对大修窗口的需求进行分析，文章的两个调硼策略进行了涉及范围系统调硼的详细描述，同时包括了调硼的具体方式和风险关注项，其关键点在于对于乏燃料水池和换料水箱硼浓度的调整工作，从安全上讲两个方式都满足要求，电厂可以根据规范和大修两个因素的综合考虑。
        参考文献:
        [1]孙晓龙等.福清核电厂3/4号机组最终安全分析报告
        [2]杨涛等.福建福清核电厂3/4号机组运行技术规范
        姓名：陈路标（1983.04--）；性别：男，民族：汉，籍贯：河南濮阳人，学历：本科，毕业于哈尔滨工程大学；现有职称：高级工程师；研究方向：核电厂运行。