胡明++陈齐清+彭小强
【摘 要】化学和容积控制系统（CVS）是AP1000核电站核岛重要辅助系统，承担一回路冷却剂净化、容积控制和化学控制功能。CVS补水管路容积的存在会导致在稀释或硼化操作时产生非预期的反应性变化，现有调硼后管路冲洗方法对系统运行的安全性、经济性有一定影响，而采取将冲洗水直接注入一回路的方法可以避免这一影响。
【关键词】CVS 调硼 冲洗
化学和容积控制系统是核电站的主要輔助系统之一，在反应堆的启动、停运及正常运行过程中都起着重要的作用。AP1000作为我国从美国西屋公司引进的第三代非能动压水堆核电技术，与第二代压水堆核电站相比，其化学和容积控制系统（下简称CVS）有较大的简化，其运行方式也存在一定区别，本文着重对CVS系统调硼后补水管路冲洗操作过程进行了分析。
1 CVS简介
1.1 CVS功能
CVS的主要功能是提供RCS的净化、容积控制和化学控制[1]。
RCS净化即是通过CVS的净化回路子系统去除反应堆冷却剂中的裂变产物及离子或颗粒形式的活化产物，使冷却剂纯度及放射性水平在可接受的限制以下。如图1所示，反应堆冷却剂从一回路冷段依次流经再生热交换器、下泄热交换器、离子交换器和后置过滤器，再通过再生热交换器回到主泵入口。再生热交换器利用回水将冷却剂由280℃冷却至111℃，下泄热交换器利用设备冷却水将冷却剂进一步冷却至52.2℃。若下泄热交换器出口温度过高，净化隔离阀会自动关闭以隔离净化管线，从而保护除盐床中的树脂。
RCS容积控制通过CVS的补水子系统和下泄子系统共同完成。在稳压器液位较低时，CVS通过补水泵将一定浓度的硼酸溶液经补水过滤器和再生热交换器输送至主泵入口；当稳压器水位较高时，下泄管线相关阀门开启以排出部分冷却剂，冷却剂由一回路冷段经再生热交换器、下泄热交换器、除盐床和后置过滤器排放至放射性废液处理系统（WLS）。由于AP1000采用屏蔽式主泵，不需要提供主泵轴封流量，故不需要提供连续的补水流量。在正常功率运行时，若稳压器水位正常，则补水和下泄都无需投运，冷却剂依靠主泵提供的驱动压头通过净化回路连续循环。
RCS化学控制包括硼浓度调节、pH值控制和含氧量控制。AP1000核电站利用CVS向冷却剂中注入不同的化学药品以实现RCS化学控制，如注入除盐水或浓硼酸来调节冷却剂硼浓度，注入氢氧化锂来调节冷却剂pH值，注入联氨或氢来控制冷却剂氧含量。
1.2 补水控制系统运行模式
反应堆补水控制系统有四种运行模式，分别为“自动”、“硼化”、“稀释”和“混合”，在不同模式下执行不同的操作以实现不同的功能[1]。
通常，补水控制系统运行在在“自动”模式，CVS根据稳压器液位变化自动向一回路补充一定体积的硼酸溶液，以补偿一回路的微小泄露及正常功率变化而引起的稳压器液位变化。“混合”相当于“自动”的手动模式，即手动选择注入的硼酸溶液的体积。在这两种模式下，都需要设定所注入的硼酸溶液浓度，该浓度值为当前一回路硼浓度。
“硼化”和“稀释”模式用于调节反应堆冷却剂硼浓度。在需要调硼时，通过向主泵入口注入浓硼酸以实现硼化操作，在停堆时保证反应堆获得足够的停堆裕度；通过向主泵入口注入除盐水以实现稀释操作，从而完成反应堆启动及保证在功率运行时控制棒调节棒组位于正常的调节范围。
2 补水管路容积影响分析
“硼化”和“稀释”操作过程基本相同，通过三通阀选择连接到硼酸贮存箱或除盐水系统，设定好注入一回路的硼酸或除盐水的的体积和流量，并启动一台补水泵完成注入。在任何模式下，若稳压器液位高，则自动打开下泄管路阀门，将流出物排放到废液处理系统。
由于在正常功率运行时，净化是连续运行的，其环路可以视为一回路的一部分。 如图1所示，在调硼操作结束后，管路A、B段中存留的硼酸或除盐水是无法进入一回路进行循环的。若不对该管段进行冲洗，直接在自动模式下进行补水，那么该段体积的硼酸或除盐水会先注入堆芯。下面对该体积硼酸或除盐水注入堆芯的影响进行计算分析。
系统的含硼量平衡方程为：
M（C+dC）=MC+CB×dm-C×dm
其中M为一回路冷却剂总质量，C为一回路冷却剂当前硼浓度，CB为注入一回路的硼酸浓度，dm为注入的硼酸质量，dc为硼酸浓度的变化量。
该公式可化简为：
dm=M×（CB-C）-1×dC
则若需要将总质量为M的一回路冷却剂的硼浓度从C初始调节至C最终，需要注入浓度为CB的含硼水的质量为：
在“稀释”操作后，管路A、B段为除盐水，则CB=0，可以得出：
查阅相关图纸并计算出该管路容积约为0.35m3，一回路总容积为299m3[1]。设正常满功率运行时一回路冷却剂体积为270m3，且不考虑含硼水和除盐水的比重区别。
那么根据上述公式，在注入0.35 m3除盐水后，△C=C最终-C初始=-0.0013C初始。很明显，初始硼浓度值越大，注入除盐水后，硼浓度的变化值也越大。
为避免出现正的慢化剂温度系数，反应堆正常运行时的冷却剂硼浓度最大不能超过1400ppm[2]，而AP1000核电站循环末期热态满功率运行时对应的临界硼浓度为10ppm[1]。在两种情况下注入0.35 m3除盐水后影响如表1所示。
根据上述计算可知，无论是循环初期还是循环末期，注入0.35 m3的除盐水，所引入的反应性相对于堆芯控制棒组件总的反应性控制能力来说是比较小的，其造成的瞬态影响几乎可以忽略。
同样，若CVS进行“硼化”后不冲洗，再补水时会先注入0.35m3的浓度为4375ppm的浓硼酸，可以推算得出，△C=5.68-0.0013C初始。由公式可以看出，初始硼浓度越低，硼浓度变化值越大。如表2所示。
由于在循环末期硼浓度更低，且硼的微分价值更大，则硼化引起的反应性变化最大。在C初始为10ppm时，注入0.35m3浓硼酸后吸收反应性达到94.1pcm，这个反应性的变化量相对来说就较为显著了。
总之，在调硼操作后，若不对补水管路进行冲洗，由于管路容积的存在，之后再进行堆芯补水的话，就会导致非预期的反应性变化，无论这个变化大小，都违背了反应性变化必须预期可控的原则，因此，调硼操作后，进行补水管路冲洗是必要的。
3 补水管路冲洗操作分析及改进
3.1 现有冲洗方法分析
对调硼操作后的补水管路进行冲洗的目的是将管路中留存的浓硼酸或除盐水置换为与当前一回路硼浓度一致的硼酸溶液。根据CVS系统运行规程，设计采用的管路冲洗方法是隔离补水，将冲洗水排至RCDT（反应堆冷却剂疏水箱）。在进行冲洗之前，关闭补水截止阀（V081）以隔离向一回路的补水，打开CVS向PXS（非能动堆芯冷却系统）补水管线隔离阀（V089），设定冲洗水硼浓度为当前一回路硼浓度，设定冲洗流量和冲洗体积，打开PXS阀门泄露试验盘至RCDT隔离阀，然后启动反应堆补水控制系统进行冲洗，冲洗水排至WLS系统的RCDT。完成冲洗后恢复系统至冲洗前状态。
该方法会导致下泄热交换器出口超温，原因如下：
由于在冲洗前未关闭净化隔离阀（V001-V003），若在冲洗过程中若因功率变化导致稳压器水位高，下泄管线相关阀门会自动开启进行排放，而由于关闭V081导致再生热交换器失去回水冷却，280℃的冷却剂不经冷却直接进入下泄热交换器，势必超过下泄热交换器冷却能力，造成下泄热交换器出口温度过高，触发保护关闭阀门净化隔离阀中的V003。即使稳压器液位在冲洗时一直稳定，不会因下泄而导致下泄热交换器出口超温，在关闭补水截止阀后， CVS中的冷却剂停止流动并逐渐冷却，设备冷却水控制阀（CCS-V221）会自动逐渐关闭。由于V081是气动阀，且只有开关两种状态，那么在完成冲洗后，发出开启补水截止阀指令时，该阀门会迅速开至100%，净化回路流量立即恢复至正常运行时状态，势必导致设备CCS-V221来不及打开，同样使下泄热交换器出口超温，从而触发保护关闭V003。
那么，为了避免下泄热交换器出口超温，可以在“硼化”或“稀释”后进行冲洗操作前关闭V003，以退出净化回路，然后关闭V081以隔离补水，之后再进行冲洗。在完成冲洗后，先打开V081，然后将V003置于点动模式（Jog Mode），逐步开启V003恢复净化流量。这样操作一方面在冲洗时隔离了高温冷却剂进入下泄热交换器的通路，另一方面在冲洗完成后提供了控制净化流量逐步恢复的手段，这样就不会因产生下泄或净化流量突然恢复而导致下泄热交换器出口超温。
但无论是否关闭V003，这种隔离向一回路补水的冲洗方法都存在以下缺点：
（1）在冲洗期间稳压器失去液位调节能力。关闭V081，在稳压器液位低时无法向一回路进行补水；关闭V003，在稳压器液位高时无法开启下泄向WLS进行排放。因此需要选择稳压器液位正常及功率稳定时进行冲洗。
（2）增加了废水排放。因为要补偿堆芯燃耗，“稀释”基本上每周都要进行，若每次都要进行补水总管冲洗且将冲洗水排至RCDT，会导致产生较多的废水，增加了运行成本。
3.2 冲洗方法改进建议
为了避免现有方法可能导致的问题，可以采用冲洗过程中不关闭任何阀门并将冲洗水直接注入一回路的方法。具体来说，在“硼化”或“稀释”操作后，采用“混合”补水方式，手动设定补水硼浓度为当前一回路冷却剂硼浓度，设定注入Kq体积的含硼水（q为AB管段容积），启动补水泵将AB管段留存的浓硼酸或除盐水冲洗进入一回路。K>1，具体值根据试验或工程经验确定，以使得留存在AB管段的浓硼酸或除盐水刚好全部注入一回路中。冲洗完毕后，AB管段充满与当前一回路冷却剂硼浓度一致的含硼水。按照这种方法，在“硼化”或“稀释”整个过程中，总共需要向一回路注入Q+Kq体积的流体（Q为调硼时注入一回路的浓硼酸或除盐水的体积计算值）。
该方法相比方法1来说，但有以下几点优势：
（1）简化了操作。若采取方法1调硼，在设定除盐水或浓硼酸注入量时，需要在注入量计算值Q的基础上再加上一个q（q为AB管段容积），即Q设定=Q+q，能保证正好有Q体积的硼酸或除盐水进入一回路中，从而使得调硼结束后，预计硼浓度与测量硼浓度一致。而采取方法2的话，除盐水或浓硼酸注入量就设定为计算值。在完成除盐水或浓硼酸的注入后，其留存在AB管段间的部分会在随后的冲洗中带入一回路，同时AB管段液体也替换成当前一回路浓度的含硼水，一举两得，这样就大幅简化了操作过程；
（2）有利于延长设备使用寿命。在整个操作过程中，无需操作任何阀门，减少了閥门操作次数，也就降低了阀门的磨损；另外，由于“稀释”基本上每周要进行，同时冲洗水直接进入一回路，整个过程相当于给一回路添加了Q+（K-1）q的装量，这在一回路存在一定泄露时降低了冷却剂补给需求，也就减少了补水泵启停次数；
（3）不影响稳压器液位调节。整个操作未隔离下泄和补水，若因功率突变等原因导致稳压器液位偏高或偏低，能够及时进行下泄或补水以维持稳压器液位正常；
（4）减少了废水排放量。冲洗水直接进入一回路，不再需要通过PXS阀门泄露试验盘排放到WLS，降低了WLS运行压力，提高了电站运行经济性。
4 结语
由于AP1000核电站CVS补水管路容积的存在，会导致堆芯出现非预期的反应性变化，在进行调硼操作后要对补水管路进行冲洗，但频繁的冲洗操作会加快设备损耗及增加废水排放。在实际运行操作过程中，建议充分考虑补水管路容积的影响，采取将冲洗水直接注入一回路的方法，可以有效避免上述问题，从而提高AP1000核电站运行的安全性和经济性。
参考文献：
[1]顾军，等.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010.Gu Jun，et al.Systems and Equitment of AP1000 Nuclear Power Plant[M]. Beijing： Atomic Energy Press，2010.
[2]郑福裕.压水堆核电厂运行物理导论[M].北京：原子能出版社，2009.Zheng Fu-yu. Introduction to the Physics of Pressurized Water Reactor Nuclear Power Plant[M]. Beijing： Atomic Energy Press，2009.
