邱 斌，毛玉龙，冯英杰，胡艺嵩，蒙舒祺
一回路腐蚀产物在灵活性燃料管理模式下的沉积行为及源项水平分析
邱 斌，毛玉龙*，冯英杰，胡艺嵩，蒙舒祺
（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000）
压水堆一回路腐蚀产物的沉积和迁移，不仅会降低燃料包壳传热效率，增加源项水平，还可能导致轴向功率异常偏移等现象，影响反应堆安全稳定运行。为适应电网需求变化和提高经济性，越来越多的反应堆采用更加先进且灵活的燃料管理策略。为研究不同换料策略下一回路腐蚀产物的沉积行为及源项水平，本文针对某百万千瓦级压水堆分别采用18个月换料、16/20个月交替换料和24个月换料模式开展了分析，并从控制一回路腐蚀产物沉积和放射性的角度给出了最优的燃料管理策略。研究结果表明，24个月换料模式的堆芯污垢（Chalk Rivers Unidentified Deposit，CRUD）总量最少、冷却剂源项水平最低，16/20个月交替换料模式的CRUD总量最多、冷却剂源项水平最高。综合考虑腐蚀控制和辐射防护，24个月换料模式具有一定的优越性。
燃料管理；
压水堆；
腐蚀产物；
沉积；
放射性源项
压水堆核电站运行期间，一回路中的锆合金、不锈钢和镍合金等材料长期在高温高压和腐蚀性水环境服役中，加上辐照、振动、疲劳、磨损、冲刷等作用，很容易发生腐蚀。腐蚀产物随着冷却剂在一回路中迁移，将在一回路结构材料和燃料元件表面发生沉积。沉积的腐蚀产物不仅会降低燃料包壳传热效率，增加堆芯流动阻力，严重时还可能导致流道局部阻塞[1]；
一回路的腐蚀产物流经堆芯时会活化产生58Co和60Co等放射性同位素，增大一回路源项水平，进而影响反应堆维修和检修人员的辐射剂量率[2-4]；
燃料表面污垢（Chalk Rivers Unidentified Deposit，CRUD）还会吸附冷却剂中的硼元素，严重时造成堆芯轴向功率异常偏移[5,6]。
随着可再生能源的大量投产及电力市场的改革，部分核电站减负荷调峰现象也越发频繁，为追求更高的经济效益，越来越多先进且灵活的燃料管理策略被提出。高立刚[7]等人分析研究了岭澳核电站分别采用年度1/4换料、18个月换料和24个月换料的优缺点，论证了岭澳核电站采用年度1/4换料的可行性；
王丹[8]和位金锋[9]则对核电站采用24个月长周期燃料管理进行了研究；
刘婵云[10]等人对两环路大型压水堆开展了12个月、18个月、16/20个月交替以及24个月换料的分析研究，完成了多种灵活性燃料管理策略的安全性和经济性评估；
许星星[11]等人也对新形势下的燃料管理优化进行了研究。换料策略对不同的核电站的安全性和经济型的优势并不一样，同时其对燃料设计、堆芯设计和热工水力设计等方面的影响也不尽相同。一回路腐蚀产物的迁移与沉积作为核电运行中重要的现象之一，在变更换料策略时有必要进行评估。
本文介绍了压水堆一回路腐蚀产物的沉积原理，并对某压水堆不同燃料管理策略下的腐蚀产物沉积及源项水平进行了计算分析。
1.1 腐蚀模型
国内外均制定了评估金属材料腐蚀行为的标准。以图1给出的示意图为例，横轴为材料服役总时间、纵轴为材料腐蚀总量。国外标准[12]以时刻腐蚀总量曲线的切线斜率作为此时的腐蚀速率，国内标准[13]则以0时刻和时刻连线的正切值作为时刻的腐蚀速率。腐蚀曲线通常根据各种材料的实验数据拟合、或反应堆运行期间的测量数据反推，经验性较强。从腐蚀曲线可以看出，不论采用何种评价标准，随着服役时间增加，腐蚀速率都呈逐渐下降趋势。
图1 腐蚀行为评价标准示意图
1.2 沉积和活化模型
金属材料在服役环境下形成的腐蚀产物主要以铁基镍酸盐的形式沉积并形成一层输送的腐蚀薄膜。经过溶解、沉积的动态平衡，迁移到堆芯时，其中的Ni和Co等元素会被中子活化生成58Co和60Co，一回路冷却剂中主要腐蚀活化产物还有58Ni、59Fe、51Cr等，其来源见表1[14]。为计算冷却剂中腐蚀产物含量及结构材料表面腐蚀产物沉积量，将一回路系统进行区域划分，考虑腐蚀产物在一回路系统中的侵蚀、沉淀、溶解、热扩散和沉积等现象，单位面积上沉积元素的质量可表述为[15]；
其中：——壁面腐蚀产物质量，kg；
——颗粒态腐蚀产物浓度，kg/m3；
p——颗粒态腐蚀产物沉积系数，m/s；
——离子态腐蚀产物沉淀速率，m/s；
——离子态腐蚀产物饱和溶解度，kg/m3；
——离子态腐蚀产物浓度，kg/m3；
——面积，m2；
——节点间的传质系数；
——时间，s。
表1 压水堆一回路冷却剂中主要腐蚀活化产物的来源
活化腐蚀产物主要有两种形式：主冷却剂中的溶解和非溶解态的活化腐蚀产物以及沉积在系统和管道上的活化腐蚀产物。根据国内外核电厂的运行经验反馈，58Co和60Co两种核素在停堆时贡献了辐射剂量率的85%以上[16]。关于一回路冷却剂中放射性核素的活度浓度可表示为[17]：
——化学和容积控制系统的净化流量，m3/h；
——净化时间，h；
——一回路水体积，m3；
DF——净化系统对一回路冷却剂中腐蚀产物的去除因子。
本文针对某百万千瓦级压水堆核电站分别采用18个月换料、16/20个月交替换料（以下简称“交替换料”）和24个月换料模式下的一回路腐蚀产物沉积及源项水平进行计算分析。分析时从首循环开始，历经第2循环和第3循环两个过渡循环，从第4循环开始进入平衡循环。计算步骤如下：
（1）通过三维核设计程序COCO[18]计算得到堆芯轴向和径向功率分布；
（2）再由堆芯热工水力子通道程序LINDEN[19]计算堆芯内局部热工水力参数；
（3）最后采用污垢分析软件CAMPSIS[20]计算CRUD沉积和一回路源项水平。
本文分析的压水堆共有157组燃料组件，首循环采用低泄漏的堆芯布置方式，后续基于首循环堆芯设计开展三种长周期换料策略。18个月换料策略的平衡循环中换料组件数为64盒，按富集度分两批，分别为36组4.55%富集度组件和28组4.95%富集度组件；
16/20个月交替换料策略中，16个月换料的平衡循环中采用33组4.30%富集度组件和24组4.75%富集度组件，共计57组新组件；
20个月换料的平衡循环中采用36组4.70%富集度组件和36组4.95%富集度组件，共计57组新组件；
24个月换料策略的平衡循环中采用92组燃料组件，平均富集度为4.95%[21]。
表2和图2分别给出了不同换料策略下的CRUD总量和主管道沉积源项水平，图3～图6分别给出了不同换料策略下冷却剂中58Co、60Co和51Cr放射性源项活度，计算结果表明：
（1） 16/20个月交替换料产生的CRUD总量较18个月换料和24个月换料偏大，24个月换料产生在前几个循环的CRUD总量与18个月换料相当，后几个循环产生的CRUD总量最小；
（2） 24个月换料的主管道沉积源项水平最高，16/20个月交替换料策略的主管道沉积源项水平与18个月换料相当；
（3）24个月换料产生的一回路冷却剂中58Co和51Cr放射性活度最小，一回路冷却剂中60Co放射性活度最大。
表2 不同换料策略下的CRUD总量
图2 不同换料策略下的主管道沉积源项水平
图3 不同换料策略下的冷却剂58Co活度
图4 不同换料策略下的冷却剂60Co活度
图5 不同换料策略下的冷却剂51Cr活度
注：A、B、C分别表示18个月换料、16/24个月交替换料和24个月换料。
结合图6对上述趋势进行分析，可知：
（1）腐蚀产物的沉积速率是影响CRUD总量的重要因素，换料周期时间越短，腐蚀沉积速率越大，16/20个月交替换料策略下的平均腐蚀沉积速率相对较大，导致产生的CRUD总量最大；
（2）换料周期时间越长，腐蚀产物的在主管道中沉积总量就会越多，沉积源项水平就会越大，所以24个月换料策略下的主管道沉积源项最高；
（3）长周期24个月换料下的腐蚀产物总量较小，导致一回路冷却剂中活化的58Co和51Cr放射性活度也最小，而60Co的半衰期较长，换料时间越长，所以累积的60Co也越多。
本文揭示了压水堆腐蚀产物沉积机理，并评估了某压水堆在三种不同换料策略下的CRUD总量、主管道和冷却剂中源项水平，主要结论如下：
（1） 24个月换料的CRUD总量最少、16/20个月交替换料的CRUD总量最多；
（2） 24个月换料的冷却剂源项水平最低、16/20个月交替换料的冷却剂总量最高；
（3） 24个月换料的主管道沉积源项水平最高、16/20个月交替换料和18月换料的主管道沉积源项水平相当。
综上所述，24个月换料模式的CRUD总量最少、冷却剂源项水平最低，从腐蚀控制和辐射防护角度，24个月换料策略具有一定优势。
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Analysis of the Primary Corrosion Product Deposition Behavior and Radioactivity Level under Flexible Fuel Management Strategies
QIU Bin，MAO Yulong*，FENG Yingjie，HU Yisong，MENG Shuqi
（China Nuclear Power Technology Research Institute，Shenzhen of Guangdong Prov. 518000，China）
The deposition of corrosion products in the PWR primary circuit will not only reduce the heat transfer efficiency and increase the radioactivity level, but also lead to abnormal axial power deviation of core, which will seriously affect the safety of nuclear reactors. For better adapting to the change of power grid demand and improving economy, more and more reactors adopt more advanced and flexible fuel management strategies. In order to study the deposition behavior and radioactivity level of corrosion products in the primary circuit under different refueling strategies, this paper analyzes the 18-month refueling mode, 16/20-month alternate refueling mode and 24-month refueling mode respectively for a 1000 MWe PWR, and gives the optimal flexible fuel management strategy from the perspective of controlling deposition and radioactivity. The results show that the total CRUD amount and coolant radioactivity level are the least in 24-month refueling mode, compared to the highest in 16/20-month refueling mode. Considering corrosion controlling and radiation protection, the 24-month refueling mode has advantages.
Fuel management strategies; PWR; Corrosion products; Deposition; Radioactivity
TL364
A
0258-0918（2022）06-1248-05
2022-02-17
国家自然科学基金（U20B0211，针对堆芯氧化腐蚀产物材料-热工-中子行为的多物理耦合机理）；
国家自然科学基金（52171085，模拟压水堆一回路冷却剂中燃料包壳管表面污垢沉积行为与机理研究）
邱 斌（1991—），男，广东深圳人，工程师，学士，现主要从事反应堆一回路热工水力和水化学研究
毛玉龙，E-mail：maoyulong@cgnpc.com.cn
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