AP1000核电站降低一回路冷却剂溶解氮浓度方法研究

叶杉1，闫国栋2，林金怡3

1．国核（福建）核电有限公司，福州，350001

2．国核（福建）核电有限公司，福州，350001

3．国核（福建）核电有限公司，福州，350001

4．摘  要：我国现行国家标准《核动力厂环境辐射防护规定》明确规定了核电厂在正常运行工况下气态和液态放射性流出物的年排放总量限值[1]，即对于同一核电厂址，所有机组的年总排放量应控制在3000MWt功率单堆排放总量控制值的4倍以内。而14C是主要的气态放射性排出物之一，通过降低一回路冷却剂溶解氮浓度可减少14C排放，因此有必要研究AP1000核电站降低一回路冷却剂溶解氮浓度的方法。

关键词：核电站；14C排放；溶解氮

1概述

我国现行国家标准《核动力厂环境辐射防护规定》明确了核电厂在正常运行工况下气态和液态放射性流出物的年排放总量限值。14C是重要的气态放射性流出物，因此需要研究减少14C排放的方法。

AP1000压水堆核电站排放至环境的14C主要由一回路冷却剂（以下简称“RCS”）中的17O和溶解在RCS系统中的14N在中子辐照下活化产生。经研究，氮与14C的产生量成线性关系，RCS系统中溶解14N浓度为5-45ppm时，溶解氮对14C的贡献为2%-20%，14ppm氮对14C的贡献为6%。由于RCS系统中的17O含量基本保持不变，降低RCS中溶解氮浓度在一定程度上能降低14C的产生量。由于国家核安全局对核电站的气态14C排放限值有严格要求，因此核电站在遵守电站设计和技术规格书要求的前提下，有必要研究降低RCS溶解氮浓度的方法，从而减少14C的产生和排放量。

2RCS溶解氮浓度计算方法

AP1000压水堆核电站可通过测量RCS氨浓度反推溶解氮浓度，利用RCS系统中溶解氮气、氢气和氨动态平衡关系（3H2 +N2≒2NH3），当达到平衡时其化学平衡常数K为定值。

       （1）

其中，C的单位为mol/kg。

用平衡状态下RCS溶解氮、溶解氢和溶解氨的平均浓度代入上式，可计算得出K值[2]。如果只考虑补水稀释，RCS溶解氮浓度随时间的变化如下：

CRCS-DN2（t）=13.4ppm+(CRCS-DN2（0）-13.4ppm）×exp（-0.0138×t/days）         （2）

式中：

t为反应堆启动后的时间，单位为天；CRCS-DN2（t）为反应堆启动后t天RCS溶解氮的浓度；13.4ppm为RCS补水的溶解氮浓度，为饱和的氮浓度；CRCS-DN2（0）为反应堆启动时RCS溶解氮的浓度，AP1000压水堆核电站中该值为54ppm，计算过程如下：

RCS真空充注后RCS溶解氮浓度约62ppm，联氨除氧引入氮30ppm，总溶解氮约92ppm，RCS总氮体积约21m³（RCS水装量按300吨计算）。稳压器（以下简称“PZR”）建立汽腔后，约8m³氮气进入PZR汽相（氮气分压约0.03MPa），即反应堆启动时RCS建汽腔后残留氮气浓度为54ppm(43cc/kg) [2]。

由于公式（2）设置了一些假设条件（如：补水量为2724kg/d，不考虑PZR喷淋脱气），通过此公式可以说明在燃料循环期间，RCS溶解氮浓度最终与补水氮浓度一致（13.4ppm）。平均RCS溶解氨浓度为0.58ppm，平均溶解氢浓度为34cc/kg，溶解氮浓度为13.4cc/kg,将这三个值换算成统一的单位mol/kg后代入公式（1）可得AP1000核电机组的化学平衡常数K=1962。

目前AP1000核电机组RCS氨浓度基本稳定在0.4-0.5ppm，根据公式（1）可推算出平衡氮浓度约6-9ppm。平衡氮浓度由反应堆启动时的54ppm降为6-9ppm，主要有两个原因：一是公式（2）指出的补水稀释；二是PZR喷淋将RCS溶解氮脱至PZR汽腔。由于燃料循环初期RCS溶解氮浓度大于PZR汽相氮气分压对应的饱和溶解氮浓度，在PZR喷淋投用的情况下，能够将包括氮气在内的不凝结气体脱至PZR汽腔，因此通过PZR喷淋方式能降低RCS溶解氮浓度。RCS由于反应堆启动初期的大流量喷淋、长期小流量喷淋和功率运行间歇性大流量喷淋，RCS溶解气体稳定在30cc/kg左右，考虑到RCS溶解有35cc/kg的氢气，虽然溶解气体测量方法会由于样品少量逃逸导致测量值偏低，但仍然能够说明RCS除氢气外，其他不凝结气体已非常少。[2]

3RCS溶解氮浓度分析

RCS冷却剂中溶解氮气、氢气和氨存在动态平衡关系（3H2 +N2≒2NH3）。根据化学反应平衡原理，当关系式一侧的某种物质浓度发生变化时，平衡将向减弱这种变化的方向移动，即当RCS溶解氮浓度增加（或减小）时，会导致冷却剂中氨浓度增加（或减小）。

由于化容系统净化床处于连续运行状态，导致RCS产生氨的速率与净化床交换吸附氨速率一致，从而保持RCS氨浓度在0.5ppm左右。根据RCS加氨控制溶解氢实践经验，在满功率条件下，RCS冷却剂中氢气、氮气和氨在24小时内可达到平衡。RCS溶解氮平衡后，RCS氨浓度小于燃料循环末期氨浓度（0.58ppm），证明RCS溶解氮浓度小于第一燃循环末期氮浓度、小于饱和水溶解氮浓度（13.4ppm）。

4RCS换水降氮法

当RCS溶解氮浓度大于补水饱和氮浓度（13.4ppm）时，RCS换水可稀释降低RCS溶解氮浓度，减少14C的产生量，但换水会增加年度14C排放量。当RCS溶解氮浓度小于补水中的氮浓度（13.4ppm）时，RCS补水会向RCS引入氮，并且换水还会增加年度14C排放量，因此从控制RCS氮和14C排放量的角度，应尽量减少RCS换水。

RCS换水短期内将增加14C排放量。14C排放量与RCS换水不完全成正比关系，但总体而言在排放之后的几周内排放量会有所增加，但增加量有限。如果RCS换水10m³，即使14C排放量与RCS换水体积成正比，增加14C排放量约1.0×1010Bq，在可接受范围内。因此，可在RCS除锂操作时用换水方式评估换水对14C排放量的影响。

RCS除锂一般需要净化20m³，换水方式替代CVS树脂床净化，可节约CVS阳床交换容量，保障大修停堆核素净化效率。

5PZR主喷淋脱气降氮法

当RCS冷却剂中溶解氮浓度大于PZR汽相氮气分压对应溶解氮浓度时，PZR喷淋可将喷淋水中的氮气脱除至PZR汽相，从而降低RCS冷却剂中溶解氮浓度。根据EPRI导则[3]，对于设置容控箱的机组，容控箱可以去除47.8%的14C，PZR汽相积聚约7%的14C。AP1000核电机组由于未设计容控箱，RCS中14C占比较高。因此，PZR喷淋将促进14C在PZR汽相积聚、降低冷却剂中14C比活度，缓解14C排放压力。

功率运行期间，PZR最小喷淋流量为0.45m³/h，按最小喷淋计算，约25天对RCS系统喷淋循环一遍；在4组备加全部投运情况下，喷淋流量约11 m³/h，20h可对RCS冷却剂循环脱气一遍，启动主喷淋可加速氮气脱至PZR汽相，降低14C产生量。

PZR喷淋将促进14C在PZR汽相积聚、降低冷却剂中14C比活度，实施喷淋后VFS的14C浓度会显著下降，缓解14C排放压力。但是，在满功率运行、PZR备加全停、比加投运情况下，无上充下泄，0.086m³/h连续加氢的条件下，可维持30-40cc/kg。可见在满功率、PZR备加全投情况下，PZR汽相累积约0.21m³/h氢气。因此，增加PZR主喷淋运行将加剧PZR汽相氢气累积，延长下一循环大修除氢工期。

降氮操作后，VFS 14C比活度显著下降，说明喷淋将溶解在RCS冷却剂中的14C不凝结气体脱入了PZR汽腔，降低了RCS中的14C浓度，PZR主喷淋可作为调节14C排放的手段。

RCS总溶解气体增加量大于5cc/kg。如果RCS溶解气体增加量大于5cc/kg(升高6.25ppm氮)，则表明PZR气体反溶到RCS，此时需要考虑通过喷淋脱氮，直至溶解气体降低至30cc/kg平衡状态。通过RCS平衡氨浓度计算溶解氮大于13.4cc/kg。根据RCS溶解氨浓度，由第1节公式（1）计算得到的RCS溶解氮大于13.4ppm时，可以考虑通过喷淋脱氮。

PZR喷淋可降低RCS溶解氮，并且可将部分含14C不凝结气体脱入PZR汽相，缓解14C排放压力。但会增加PZR汽相氢气累积，延长下一循环大修PZR除氢工期，另外会将RCS冷却剂中的部分14C气体脱至汽腔，增加下一循环大修期间14C排放量。

6功率运行期间PZR排气降氮法

PZR具备功率运行期间排出不凝结气体功能，因此功率运行期间可通过PZR排气实现以下目的：

（1）降低PZR汽相氮气分压，促进PZR喷淋溶解氮析出和避免PZR汽相氮反溶至冷却剂，减少14C产生。

（2）排出含14C气体，PZR汽相积累大量含14C气体，排气可均衡14C排放。

（3）排出放射性惰性气体，停堆需要在功率运行期间通过PZR排气均衡排放，避免集中排放超限和PZR排气不充分导致灭汽腔后，惰性气体超限制约压力容器开盖。

由于PZR排气经过RCDT液相后，无机14C大部分被水吸收，排出气体主要是氢气和氮气的混合气体及含14C有机小分子气体（甲烷）。因此PZR排气可排出氮气、氢气、放射性惰性气体和含14C气体（甲烷等），可以通过执行PZR排气均衡14C排放。

7总结

综上所述，AP1000核电站可通过采用RCS换水、PZR主喷淋脱气、PZR排气等方法降低一回路冷却剂溶解氮浓度，进而减少核电站向环境排放气态14C，严格遵守国家要求的核电厂在正常运行工况下气态和液态放射性流出物的年排放总量限值。

参考文献

[1] 《核动力厂环境辐射防护规定》（GB6249-2011）

[2] AP1000 Chemistry Characterization-Fluid Type X-Pressurizer Steam

[3] EPRI 3002004709 Advanced Nuclear Technology PWR Primary Side Gas Management in the Advanced Pressurized Water Reactors, 2015.11

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