AP1000反應堆補水控制系統混合補水分析

焦中杰

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200000）

與常規壓水堆核電廠相比，AP1000的化學和容積控制系統（簡稱CVS）有較大的簡化，其主要技術特點如下：負荷跟蹤期間，反應堆冷卻劑系統不調節硼濃度，取消了硼回收系統；系統采用高壓加氫，取消了化學和容積控制箱；系統貯存2.5%重量濃度的硼酸溶液，該濃度不需要熱跟蹤，不強制要求特殊的環境溫度；設計有反應堆補水控制系統，可向一回路提供所需硼濃度的含硼水。本文重點對調試期間CVS反應堆補水控制系統混合補水試驗進行分析。

1 簡介

1.1 CVS簡介

AP1000 CVS主要功能是為一回路提供凈化、化學控制和容積控制。

1.1.1 凈化控制

CVS凈化回路包括再生熱交換器和下泄熱交換器、節流孔板、樹脂床、反應堆冷卻劑過濾器及相關閥門、管道和儀表。整個凈化回路位于安全殼內，與反應堆冷卻劑系統直接相連，在反應堆冷卻劑系統的壓力下運行，用于除去反應堆冷卻劑中的腐蝕產物和裂變產物。在功率運行期間，利用主泵提供RCS凈化流的強制循環驅動壓頭。凈化流從主泵出口引出，經過再生熱交換器和下泄熱交換器冷卻，然后經混床進行除鹽，必要時通過陽床，再經過過濾器和再生熱交換器加熱后返回主泵入口，如圖1所示。

圖1 化學和容積控制系統簡圖

凈化回路中的混床用于除去離子狀裂變產物和腐蝕產物，過濾器用來除去顆粒狀雜質和碎樹脂，陽床在需要時投入用于除去反應堆冷卻劑中的鋰，也可以在發生燃料破損事故時除去放射性同位素銫。

正常運行時不需要對反應堆冷卻劑進行除氣，當燃料破損超出正常范圍時，可將反應堆冷卻劑引入核島放射性液體處理系統進行除氣。此時經過CVS的下泄流首先經過下泄孔板降壓，然而排入核島放射性液體廢物處理系統脫氣裝置，除去其中的放射性裂變氣體。脫氣后的含硼水進入核島放射性液體廢物處理系統的流出液暫存箱，由補水泵送回RCS，從而實現循環除氣。

1.1.2 容積控制

CVS容積控制通過補水和下泄來實現。CVS補水回路包括高揚程補水泵及其相關的入口和出口管道。補水泵位于安全殼外的輔助廠房，通過一根公共入口母管從硼酸貯存箱除鹽水系統吸水。下泄回路包括反應堆冷卻劑過濾器下游凈化回路的排水管線。流體通過一個下泄孔板（大幅降低流體壓力）和安全殼隔離閥，并輸送到放射性液體廢物處理系統（WLS）處理。

1.1.3 化學控制

CVS化學控制包括硼濃度調節、pH控制和含氧量控制。CVS化學加藥回路主要包括鋅添加裝置和氫添加裝置。鋅添加裝置和氫添加裝置分別設有一根獨立的注入管線，經輔助廠房進入安全殼內。另外，硼酸、聯氨、氫氧化鋰等均通過補水回路加入到一回路。

RCS的硼濃度調節是為了補償啟堆、停堆、換料和燃耗引起的反應性變化。RCS的硼化和稀釋分別采用質量分數為2.5%的硼酸溶液和除鹽水，以上充和下泄配合的方式進行。質量分數為2.5%的硼酸溶液由硼酸制備箱制備后儲存在硼酸儲存箱內。

正常運行期間，RCS的硼濃度調節操作一般通過反應堆補水控制系統完成。在壽期末，一回路硼濃度很低，此時如果采用稀釋的方式降低一回路硼濃度，將會產生大量的放射性廢液。此時可以采用除硼的方式，即將化學和容積控制系統的備用混床投入運行，作為除硼床除去反應堆冷卻劑中的硼，來降低一回路硼濃度。

控制反應堆冷卻劑pH的化學添加劑為氫氧化鋰。氫氧化鋰所含7Li同位素的富集度必須超過99.9%，在需要添加氫氧化鋰時，將化學藥物手動倒入化學添加箱內，然后用除鹽水沖動補水泵的吸入口，通過補水管線注入RCS。在需要除去一回路冷卻劑中過量的氫氧化鋰時，可以通過投入凈化子系統的陽床進行除鋰。在壽期末因硼濃度較高，10B（n，a）7Li輻照分解反應產生較多的7Li，需要投入陽床，除去過多的鋰離子，控制一回路pH。在壽期末RCS的硼濃度降低，10B（n，a）7Li反應較弱，可以根據需要向一回路添加氫氧化鋰，以提高pH。

在反應堆啟動階段，RCS升溫升壓初期，向RCS添加聯氨作為除氧劑，進行化學除氧。在需要添加聯氨時，將化學藥物手動倒入化學添加箱內，然后用除鹽水沖到補水泵的吸入口，通過補水管線注入RCS。在功率運行時，向RCS添加H2，以減少一回路冷卻劑輻照分解產生的游離氧。氫氣由電廠氣體系統的高壓氫氣瓶提供，經過再生熱交換器加入后最終注入反應堆冷卻劑系統。

1.2 反應堆補水控制系統介紹

CVS補水和下泄子系統的運行由反應堆補水控制系統（RMCS）控制。RMCS允許操縱員調整RCS硼濃度，并根據穩壓器液位來控制RCS水裝量。在電廠正常運行期間，每天均需測量一回路的硼濃度，將其數值輸入到RMCS中，以確定向一回路進行補水時混合補水三通閥的開度。

操縱員通過軟操來操作RMCS。在自動運行模式下，2臺補水泵不能同時運行，操縱員必須手動選擇1臺補水泵在需要時自動啟動。操作員也可根據需要通過手動控制啟動2臺補水泵，以增大向一回路的補水流量。

RMCS共有4種運行模式?！芭鸹焙汀跋♂尅蹦Ｊ接糜谡{節RCS硼濃度；“混合”和“自動補水”模式用于補充RCS水裝量而不改變硼濃度?！芭鸹薄跋♂尅焙汀盎旌稀蹦Ｊ叫栌刹倏v員啟動RMCS?！白詣友a水模式”可由操縱員選擇，該模式下，RMCS由穩壓器液位信號自動觸發[1]。

為硼化RCS，操縱員設置反應堆補水控制系統以“硼化”模式運行，為RCS添加一定數量的硼酸（不含除鹽水），輸入向一回路注入的水容積和注入流量，啟動“硼化”模式。在啟動“硼化”模式后，三通混合閥切換到硼酸貯存箱吸入管線，除鹽水隔離閥自動關閉。選定的補水泵隨即自動運行，流體從正常補水管線進入RCS。通過設置在補水泵出口總管上的流量計測量流量，RMCS累計達到預設量后，泵停運。在一回路補水過程中，由下泄隔離閥穩壓器水位控制程序自動控制，在穩壓器水位達到高定值時自動開啟。

如果需要稀釋RCS，操縱員選擇RMCS“稀釋”模式，向RCS添加一定比例的除鹽水，輸入向一回路注入的水容積和注入流量，啟動“稀釋”模式。啟動“稀釋”模式后，三通混合閥切換到除鹽水水源，除鹽水隔離閥自動開啟。補水泵運行方式相似，將流體從正常補水通道輸送流體到RCS，直到達到預設量。在一回路補水過程中，下泄隔離閥由穩壓器水位控制程序自動控制，在穩壓器水位達到高定值時自動開啟。

當一回路發生小泄漏時，需向一回路補充與一回路相同硼濃度的硼酸溶液，此時可選擇“混合”模式。在“混合”模式運行下的RMCS，將硼酸和除鹽水混合，以達到預期的硼酸濃度。輸入向一回路注入的水容積和注入流量，然后啟動“混合”模式。啟動“混合”模式后，三通混合閥開到一定程度，除鹽水隔離閥自動開啟，調整至一回路所需硼濃度。通常RMCS在“自動”模式下運行，以補償RCS泄漏并將穩壓器液位維持在正常運行范圍內。在一回路補水過程中，下泄隔離閥由穩壓器水位控制程序自動控制，在穩壓器水位達到高定值時自動開啟。

2 AP1000 RMCS試驗

AP1000在熱態功能試驗期間，CVS需驗證RMCS 4種模式即“硼化”“稀釋”“混合”與“自動補水”。

執行“硼化”模式試驗，需選定1臺補水泵設置為自動，在RMCS中設定補水泵出口流量、RCS補水量及當前硼酸儲存箱（簡稱BAST）硼濃度。通過目標硼濃度計算得出RCS補水量。啟動RMCS后，驗證補水泵入口三通閥切至硼酸儲存箱一側，開啟補水泵出口流量調節閥，將流量調至設定流量。達到補水設定值后，RMCS自動停止運行。對一回路進行取樣，驗證取樣結果與目標硼濃度是否一致。

執行“稀釋”模式試驗與“硼化”模式試驗類似，相同設置并驗證相關設備自動啟停，最后對一回路取樣，驗證結果與目標硼濃度是否一致。

執行“混合”模式試驗，需選定1臺補水泵進行自動控制，在RMCS中設定補水泵出口流量、RCS補水量、當前RCS硼濃度及當前硼酸儲存箱硼濃度。啟動RMCS后，驗證補水泵入口三通閥同時開向BAST和除鹽水管線，除鹽水供給閥打開，補水泵出口流量調節閥將根據補水泵出口流量整定值自動調節至相應的閥位，補水泵入口在通閥將自動調整開度，使設定硼濃度和計算硼濃度相匹配。當硼酸補給流量與除鹽水補給流量比例和RMCS中操縱員設定的硼濃度相差不小于2%時，1 min后觸發通知，如果該通知未能及時處理，RMCS將中止運行。存在閉鎖硼稀釋信號除外。

計算流量比與測量流量比的計算公式為

式中：CFR為計算流量比；Cr為當前RCS 硼濃度；CB為當前BAST硼濃度；MFR為測量流量比；FB為硼酸補給流量平均值；FD為除鹽水補給流量平均值；Δ為硼濃度補給偏差。

2.1 AP1000依托項目“混合”模式試驗

以AP1000依托項目某機組為例，“混合”模式試驗程序要求驗證100 ppm硼酸濃度向一回路“混合”補水。試驗設定如下：

補水泵出口流量設定為22.7 m3/hr；

RCS補水量3 m3；

當前RCS硼濃度為100 ppm；

當前BAST硼濃度為3 771 ppm。

根據計算公式，A、B 2列試驗結果見表1。

表1 “混合”模式補水試驗結果

偏差均超過2%，不滿足設計要求。

2.2 試驗結果偏離原因分析

（1）補水泵入口三通閥為氣動三通調節閥，在閥門接收指令到調節至設定閥位，所花時間約2 min，其閥門PID調節時間過長，導致長時間高濃度硼酸進入一回路，實際混合補水硼濃度偏離。

（2）查詢硼酸補給流量計與除鹽水補給流量計廠家文件，顯示儀表精度為3%，精度相對較低。當“混合”模式補水設定硼濃度過低時，硼酸補給流量計FB數值過低，精度不足會導致數據失真，測量流量比MFR不準確。由此可判斷，當“混合”模式補水設定硼濃度過高時，除鹽水補給流量計FD數值過低，同樣會導致MFR不準確。

2.3 改進后驗證

因硼酸補給流量計與除鹽水補給流量計暫無更高精度儀表可替代，故將“混合”模式補水硼濃度設定為“中間”硼濃度；同時將補水泵入口三通閥PID進行調整。根據上述措施改正后，再次進行試驗，本次試驗設定如下：

補水泵出口流量設定為22.7 m3/hr；

RCS補水量3 m3；

當前RCS硼濃度為880 ppm；

當前BAST硼濃度為4 400 ppm。

根據計算公式，A、B 2列試驗結果見表2。

表2 “混合”模式補水再次試驗結果

偏差小于2%，滿足設計要求。

3 結論

AP1000 CVS設有反應堆補水控制系統（RMCS），可實現4種模式向一回路補水。但因設備性能本身，存在混合補水濃度過低或過高時出現硼濃度補給超差的問題。本文從依托項目試驗中針對硼濃度補給偏差可能的原因進行分析，并針對性地進行驗證。在后續項目中，應對關鍵閥門、儀表采取更高精度，以便能夠獲得更精確的硼濃度補給。