鄒宇飛

摘要：采用非能動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核電廠最大限度使用了自然驅(qū)動(dòng)力，例如堆芯補(bǔ)水箱就是利用冷熱流體的密度差進(jìn)行自然循環(huán)注入。在三個(gè)壓力等級(jí)的應(yīng)急補(bǔ)水水源中，只有堆芯補(bǔ)水箱在正常運(yùn)行工況下是與RCS相通的。并且由于硼水濃度更高，堆芯補(bǔ)水箱硼濃度會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)由于濃度擴(kuò)散而低于要求限值。本文主要濃度降低的原因進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，評(píng)估濃度擴(kuò)散的影響，并針對(duì)現(xiàn)有措施提出優(yōu)化方案，進(jìn)行簡(jiǎn)要對(duì)比。

關(guān)鍵詞：堆芯補(bǔ)水箱;硼濃度;技術(shù)規(guī)格書;濃度梯度

1、堆芯補(bǔ)水箱硼濃度低于限值問題

取樣發(fā)現(xiàn)，堆芯補(bǔ)水箱的硼濃度要低于技術(shù)規(guī)格書中要求的限值。分析后可能原因?yàn)椋阂驗(yàn)槿肟陔妱?dòng)閥常開，一回路低濃度硼水與堆芯補(bǔ)水箱高濃度硼水通過入口平衡管線進(jìn)行交換。

如果有組分的濃度梯度存在，則每一種組分都有向其低濃度方向轉(zhuǎn)移，以減弱這種濃度不平均的趨勢(shì)，組分在濃度梯度作用下由高濃度向低濃度方向的轉(zhuǎn)移過程稱為傳質(zhì)[1]。傳質(zhì)過程遵循斐克定律：J≡-D?ρ，其中：J為擴(kuò)散通量;D為擴(kuò)散系數(shù)，主要依靠試驗(yàn)來(lái)確定;?為拉普拉斯算符;ρ為質(zhì)量濃度。

濃度梯度越大，則擴(kuò)散通量也越大。堆芯補(bǔ)水箱含的硼水濃度通常在3400～3700ppm。而為了確保RCS具有負(fù)的慢化劑溫度系數(shù)，冷卻劑的硼濃度在功率運(yùn)行時(shí)通常不能太高，一般要求要小于某個(gè)臨界值（大約1400ppm，不同電廠略有差異）。堆芯補(bǔ)水箱正常運(yùn)行時(shí)入口閥常開，通過平衡管線與RCS相連，一回路低濃度硼水與補(bǔ)水箱內(nèi)高濃度硼水就會(huì)在濃度差的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行擴(kuò)散。

溫度梯度和壓力梯度的存在也會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散，分別稱為熱擴(kuò)散和壓力擴(kuò)散，這些擴(kuò)散的結(jié)果也會(huì)導(dǎo)致濃度擴(kuò)散[1]。堆芯補(bǔ)水箱的入口平衡管線頂端溫度約為160℃，而冷段溫度卻可以達(dá)到280℃，巨大的溫差產(chǎn)生很大的流體密度差，所引起的自然對(duì)流造成的濃度擴(kuò)散是需要考慮的[2]，但是由于沒有合適的經(jīng)驗(yàn)公式，分析中將忽略這一部分的影響。取樣水體積大約為20L，這造成了補(bǔ)水箱壓力降低，也會(huì)導(dǎo)致一回路的低濃度硼水進(jìn)入堆芯補(bǔ)水箱。

2、現(xiàn)階段采取的措施以及遇到的問題

2.1、現(xiàn)階段采取的補(bǔ)硼措施

一旦堆芯補(bǔ)水箱硼濃度取樣不合格，就需要利用化容系統(tǒng)調(diào)整其硼濃度，化容系統(tǒng)流程如下圖1所示。補(bǔ)水的主要操作步驟為：

（1）隔離凈化回流：關(guān)閉穩(wěn)壓器輔助噴淋隔離閥和化容系統(tǒng)凈化回流隔離閥;

（2）補(bǔ)硼通道在線：將堆芯補(bǔ)水箱補(bǔ)硼通道上的閥門打開;

（3）啟動(dòng)補(bǔ)硼：?jiǎn)?dòng)化容系統(tǒng)補(bǔ)水泵向堆芯補(bǔ)水箱補(bǔ)水;

（4）恢復(fù)在線：恢復(fù)設(shè)備的正常在線。

2.2、補(bǔ)硼過程遇到的問題

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在利用化容系統(tǒng)進(jìn)行堆芯補(bǔ)水箱補(bǔ)硼時(shí)，常因以下兩個(gè)問題而導(dǎo)致補(bǔ)硼不成功：

（1）凈化回流管線止回閥（圖1閥門②）存在一定的內(nèi)漏，導(dǎo)致硼水通過凈化管線反向注入到RCS冷腿;

（2）補(bǔ)水返回管線卸壓閥（圖1閥門①）打開，導(dǎo)致硼水通過凈化回流管線注入到RCS。

3、優(yōu)化方案及對(duì)比

根據(jù)硼濃度低于限值要求產(chǎn)生的原因和補(bǔ)硼時(shí)遇到的困難，可以從兩個(gè)方面來(lái)提出優(yōu)化方案：一個(gè)是防止堆芯補(bǔ)水箱與RCS的硼水交換;另一個(gè)是從修改化容系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，解決補(bǔ)硼困難問題。

3.1、將堆芯補(bǔ)水箱入口電動(dòng)隔離閥關(guān)閉

將常開的堆芯補(bǔ)水箱入口電動(dòng)隔離閥關(guān)閉，可以防止二者進(jìn)行交換，從而解決了硼濃度降低的問題。但是這會(huì)帶來(lái)另外一些問題：首先，堆芯補(bǔ)水箱入口閥是一個(gè)非安全相關(guān)的閥門，電源取自非安全相關(guān)的電源，如果將其關(guān)閉則在事故工況下將不能保證其可靠打開;其次，如果提高入口閥門的安全等級(jí)，將增加投資，同時(shí)需要重新進(jìn)行安全分析。此外，在安注觸發(fā)時(shí)將造成水錘問題。

可見，修改入口閥的狀態(tài)不是一個(gè)合適的選擇。

3.2、將補(bǔ)水返回管線卸壓閥變更為氣動(dòng)逆止閥

在向堆芯補(bǔ)水箱補(bǔ)硼時(shí)將補(bǔ)水返回管線卸壓閥關(guān)閉，這可以防止補(bǔ)硼過程中硼水注入到一回路。但是將補(bǔ)水返回管線卸壓閥關(guān)閉，會(huì)帶來(lái)RHX殼側(cè)超壓的風(fēng)險(xiǎn)。

綜合來(lái)看，這是一個(gè)可行的方案。為了降低在補(bǔ)硼期間RHX殼側(cè)超壓而卸壓閥不能及時(shí)打開的風(fēng)險(xiǎn)，可以在規(guī)程中增加相關(guān)監(jiān)視要求，加強(qiáng)對(duì)穩(wěn)壓器液位和下泄運(yùn)行的監(jiān)視，一旦出現(xiàn)超壓的風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)打開補(bǔ)水返回管線卸壓閥。

此外，將補(bǔ)水返回管線卸壓閥關(guān)閉后，可以適當(dāng)增加補(bǔ)水流量，利用補(bǔ)水泵出口高壓使補(bǔ)水返回管線止回閥的可靠密封，防止反向泄漏。

3.3、將補(bǔ)水管線上的手動(dòng)隔離閥變更為電動(dòng)隔離閥

將補(bǔ)水管線上的手動(dòng)隔離閥（圖1閥門③）變更為電動(dòng)隔離閥。在向堆芯補(bǔ)水箱補(bǔ)硼時(shí)遠(yuǎn)程手動(dòng)關(guān)閉。補(bǔ)水子系統(tǒng)屬于縱深防御系統(tǒng)，該閥門正常處于鎖開的狀態(tài)。在變更為電動(dòng)閥后，為了滿足該項(xiàng)要求，可以在將其遠(yuǎn)程打開后，將其斷電并將電源上鎖。缺點(diǎn)是增加了投資，并且電源的安全等級(jí)要有一定的提高。

3.4、方案對(duì)比

綜合分析，方案2和3是較好的解決方案。除此以外，為了保證了取樣結(jié)果的準(zhǔn)確性，取樣前還應(yīng)該首先向堆芯補(bǔ)水箱內(nèi)補(bǔ)充硼水，保證取樣的水為堆芯補(bǔ)水箱硼水而非來(lái)自平衡管線。

參考文獻(xiàn)

[1]賈力，方肇洪，錢興華.高等傳熱學(xué).-北京：高等教育出版社，2013.3.

[2]Ostrach S.Comnective phenomena in fluids heated from below.Trans ASME 1957.