压水堆一回路硅酸盐沉积热力学分析

污物在燃料棒上的沉积严重危害核电站的安全经济运行。本文运用热力学分析方法,计算了压水堆一回路Al、Ca和Mg与Si沉积形成硅酸盐的高温热力学数据,获得了553.15 K、583.15 K和613.15 K三个温度下Si-H2O、Al-H2O、Ca-Si-H2O、Mg-Si-H2O、Al-Mg-Si-H2O和Ca-Mg-Si-H2O六个体系的高温E-pH图,确定了高温水溶液中各固相的稳定存在区域和沉淀生成与溶解的倾向性,为完善污垢沉积模型提供参考。结果表明,在压水堆一回路正常运行条件下,只有Si-H2O和Al-H2O体系中以溶解态物质H3SiO4-和Al(OH)4-的形式稳定存在,其余体系均为固态物质稳定存在。随着温度升高,一回路中各体系的固相区域均有增大,说明沉淀进行生成反应的倾向性更大,也更易沉积在燃料棒上。

混合堆芯中腐蚀产物沉积和一回路放射性水平的影响研究

为提升核电站的经济效益和满足高燃耗的需要,越来越多先进高效的核燃料组件被研究制造,并采用与原有组件混合布置的方式进行性能评估,从而形成混合堆芯。燃料污垢(CRUD,Chalk Rivers Unidentified Deposit)的沉积及一回路冷却剂中源项水平对于大修人员辐射防护有着重要影响,由于两种组件结构和材料上的差异,造成混合堆芯热工水力条件的变化,可能会对一回路腐蚀产物沉积和一回路放射性水平造成一定影响。本文针对某压水堆引入改进型AFA-3G燃料组件的过渡循环,对比计算了不同混合堆芯方案下的冷却剂源项和主管道停堆沉积源项(dose rate)水平。计算结果表明,不同混合堆芯方案下一回路冷却剂源项变化较小,引入改进型AFA-3G燃料组件对于降低主管道dose rate具有积极作用。

水化学参数对压水堆燃料表面污垢沉积过程的影响研究

通过调整压水堆(PWR,Pressurized Water Reactor)运行期间各种水化学参数,能够有效控制一回路水质。作为影响燃料性能的重要因素,污垢(CRUD,Chalk Rivers Unidentified Deposits)在燃料表面的沉积行为会随水化学参数调整而改变。本文研究了溶解氢气(DH,Dissolved Hydrogen)浓度、pH、注锌和超声波清洗(UFC,Ultrasonic Fuel Cleaning)对某PWR功率运行期间CRUD沉积过程的影响,结果表明DH浓度对CRUD沉积影响较小,提高pH、注锌和应用UFC能够抑制CRUD沉积。研究成果为从水化学控制角度提高PWR安全性和经济性提供了理论依据和数据支撑。

某采用延伸运行模式的压水堆CIPS风险评估

压水堆(Pressurized Water Reactor,PWR)功率运行期间一回路中的腐蚀产物会生成反应堆污垢(Chalk Rivers Unidentified Deposit,CRUD),引起硼在CRUD中析出,增大垢致轴向功率偏移(Crud Induced Power Shift,CIPS)的风险。延伸运行(Stretch-Out,SO)是反应堆的一种灵活运行方式,能够提高反应堆的经济性。本文介绍了PWR硼析出分析模型,并研究了SO工况对CRUD和硼析出量的影响,最终对其CIPS风险做出评估。计算结果表明,SO工况可以减少PWR的CRUD总量和厚度,并且有利于降低下一燃料循环初期的硼析出量,进而降低CIPS风险。研究成果为PWR在SO期间的CRUD和CIPS风险控制提供了理论依据和数据参考。

水化学参数对压水堆燃料表面污垢沉积过程的影响研究

通过调整压水堆(Pressurized Water Reactor,PWR)运行期间各种水化学参数,能够有效控制一回路水质。作为影响燃料性能的重要因素,污垢(Chalk Rivers Unidentified Deposits,CRUD)在燃料表面的沉积行为会随水化学参数调整而改变。本文研究了溶解氢气(Dissolved Hydrogen,DH)浓度、pH值、注锌和超声波清洗(Ultrasonic Fuel Cleaning,UFC)对某PWR功率运行期间CRUD沉积过程的影响,结果表明DH浓度对CRUD沉积影响较小,提高pH值、注锌和应用UFC能够抑制CRUD沉积。研究成果为从水化学控制角度提高PWR安全性和经济性提供了理论依据和数据支撑。

停堆碱性运行对“华龙一号”CIPS风险的影响研究

为评估中广核“华龙一号”停堆碱性控制对燃料组件垢致轴向功率偏移风险(CIPS)的影响,本文从理论分析和软件计算两个角度进行了研究。结果表明,压水堆停堆碱性控制会显著减少燃料组件表面污垢的释放,主要表现为抑制镍铁氧化物(Ni_(x)Fe_(3-x)O_(4))的分解。该机组停堆碱性控制状态下燃料组件表面的污垢继承率约为85%,最大硼沉积质量为0.099 7 kg,评估结果为CIPS低风险。但相比停堆酸性控制,实施停堆碱性控制后的压水堆在后续燃料循环内发生CIPS的风险更高,具体风险等级还需结合机组的热工水力参数和一回路水化学环境进行评估。

污垢效应对螺旋管式蒸汽发生器蒸干点影响分析研究

螺旋管式蒸汽发生器(HOTSG,Helical coiled Once-Through Steam Generator)的蒸干点位置由于传热恶化会带来额外的风险,而工质中的腐蚀产物会沉积在传热管表面形成积垢影响螺旋管蒸干点的产生位置,本研究基于自主开发螺旋管模型的热工水力系统程序WISTARIA,分析了不同的积垢厚度对螺旋管式直流式蒸汽发生器传热管换热系数、含气率、蒸干点生成位置的影响程度。研究结果表明,螺旋管式直流蒸汽发生器积垢后,局部换热性能下降,进而影响压降与临界含气率,并影响蒸干点的液膜破碎过程。本研究结果为考虑积垢对螺旋管式直流式蒸汽发生器蒸干点的影响提供了设计参考依据。

注锌对压水堆锆合金表面污垢的影响研究

腐蚀产物在压水堆(Pressurized Water Reactor,PWR)锆合金表面沉积后会形成污垢(Chalk Rivers Unidentified Deposit,CRUD),降低燃料包壳换热能力,并对一回路放射性水平产生影响。注锌作为一种水化学调节方式,在国内外各核电站中正得到越来越广泛地应用。CRUD主要成分为镍铁络合物,锌作为比镍铁更活泼的金属,可能通过置换反应改变CRUD成分、或在较高热流密度的环境下析出并与镍铁形成新的金属络合物。利用人造污垢实验设备,在与PWR服役工况相近的环境下开展了注锌对人造污垢影响实验,并采用扫描电子显微镜(Scanning Electric Microscope,SEM)和X射线光电子能谱仪(X-ray Photoelectric Spectroscopy,XPS)对注锌前后CRUD的形貌、成分和氧化颗粒尺寸进行了分析。结果表明:锌主要在加热段的CRUD中析出;注锌后CRUD的镍铁比从0.58升高至0.65,氧化颗粒物孔隙率从30.15%降低至10.08%;相对于未注锌工况,CRUD开裂现象更为明显,微观形貌从疏松多孔状转变为较致密状态。本文研究成果为在运机组评估注锌对燃料性能的影响提供了参考依据。

燃料污垢对DNBR的影响分析

在压水堆中,一回路腐蚀产物会在燃料表面沉积产生污垢造成的局部位置冷却剂流通面积减小,在一定情况下可能会对偏离泡核沸腾比(DNBR)产生影响。本研究采用子通道程序LINDEN,基于通道轴向变形的方法,评估分析了各类典型工况下不同污垢位置和不同污垢厚度对DNBR的影响。研究结果表明,污垢产生在DNBR最小的通道附近时会使DNBR减小,引起安全裕量降低。本研究结果为评估燃料污垢对DNBR的影响提供了数据支撑和参考依据。

一种压水堆CIPS风险评估方法

功率运行期间,压水堆(Pressurized Water Reactor,PWR)一回路腐蚀产物在燃料组件沸腾区域发生沉积形成污垢(Chalk Rivers Unidentified Deposit,CRUD)。当污垢增长到一定程度,会吸附冷却剂中的硼酸,造成燃料组件局部功率分布异常,进而引发垢致轴向功率偏移事件(CRUD Induced Power Shift,CIPS)。国际上通常基于污垢厚度评估CIPS风险,但发生过CIPS的反应堆运行数据表明,污垢厚度并不是影响CIPS的唯一因素。为更加科学地评估PWR的CIPS风险,需要综合考虑CRUD特征和热工水力条件对CIPS的影响。本文基于多孔介质中的传质机理和CRUD形貌特征,开发了模拟CRUD内部硼沉积的分析模型,并采用该模型揭示了Callaway电厂和Ulchin电厂发生CIPS的深刻原因。结果表明:引起Callaway发生CIPS的最重要因素是CRUD厚度,而引起Ulchin发生CIPS的最重要因素则是CRUD孔隙率。研究结果为科学评估核反应堆CIPS风险提供了理论依据和数据支撑。

不同燃料包壳在高温高压水中的表面腐蚀产物沉积行为研究

压水堆一回路材料腐蚀产物在燃料包壳表面沉积会形成燃料污垢。燃料污垢可能引起垢致轴向功率偏移(Crud Induced Power Shift,CIPS)和包壳垢致局部腐蚀(Crud Induced Localized Corrosion,CILC)。腐蚀产物的沉积与燃料包壳表面特性相关,例如表面粗糙度等。Cr涂层锆合金是一种典型的事故容错燃料(Accident Tolerant Fuel,ATF)包壳。Cr涂层可能改变锆合金包壳表面的特性,进而改变腐蚀产物在燃料包壳表面的沉积行为。本论文通过试验研究了锆合金包壳和Cr涂层锆合金包壳在高温高压水中的表面腐蚀产物沉积行为。试验后采用扫面电子显微镜(Scanning Electric Microscope,SEM)对污垢的表面和截面的形貌和成分进行分析。结果表明,Cr涂层锆合金包壳表面污垢成分含有Cr元素;Cr涂层锆合金包壳表面污垢无明显烟囱状结构,锆合金包壳表面烟囱状结构明显,且烟囱面密度约为127个/mm^(2);Cr涂层锆合金包壳表面污垢平均厚度比锆合金包壳表面的污垢厚度减小约6μm。

新型先进压水堆反射层旁流设计改进

反应堆水力学设计的主要内容包括确定反应堆压力容器和堆芯的压降与旁流。传统CPR1000核电站采用的围板–辐板–吊篮筒体结构,容易出现销钉掉落等问题,影响了核电站的正常运行。因此,先进压水堆设计中考虑采用金属反射层结构代替上述结构。本文采用自主开发的旁流计算程序ELM,对反应堆压力容器压降和旁流进行了详细计算,并与实验结果进行了对比分析,计算结果证明了金属反射层的结构改进是合理可靠的。

镍铁对压水堆锆合金表面污垢形成及硼析出的影响研究

压水堆(Pressurized Water Reactor,PWR)腐蚀产物会在锆合金表面形成污垢(Chalk Rivers Unidentified Deposit,CRUD),冷却剂中硼在CRUD中的析出会造成轴向功率分布异常,影响堆芯安全性。镍铁作为CRUD的主要成份,对CRUD形成及硼析出具有较大影响。在高温高压动水循环实验回路中模拟了PWR锆合金表面CRUD的形成过程,采用X射线光电子能谱仪(X-ray Photoelectric Spectroscopy,XPS)和扫描电子显微镜(Scanning Electric Microscope,SEM)等方法研究了镍铁对CRUD形成及硼析出的作用机理。调整镍铁注入顺序和溶解氢(Dissolved Hydrogen,DH)浓度的检测结果显示:DH浓度分别为40 cm^(3)·kg^(-1)和0 cm^(3)·kg^(-1),对应的CRUD最大厚度为5μm和15μm;镍铁比分别为1.06、0.48和0.11时,对应的CRUD中硼摩尔百分数为19.8%、4.5%和0.3%。研究结果表明:铁比镍更容易在干净的锆合金表面沉积,形成的CRUD为尖晶石结构,CRUD中的铁对镍沉积具有促进作用;当镍发生沉积后,CRUD逐渐从尖晶石结构转变为疏松多孔形貌;CRUD中镍铁比升高会造成硼析出,而镍铁比较低的区域几乎没有硼析出。本文研究成果揭示了燃料表面污垢形成过程及其对硼析出的影响机理。

压水堆燃料表面污垢密度计算模型及验证

压水堆(PWR)一回路材料释放的腐蚀产物会在燃料表面沉积形成污垢,增大垢致轴向功率偏移(CIPS)和垢致局部腐蚀(CILC)的潜在风险。密度是决定污垢特性的重要参数,实际测量燃料表面污垢的密度不仅成本高,而且必须考虑放射性风险,因此国内外均缺乏相关的数据。本文基于PWR运行经验和关键试验结果开发了一种燃料表面污垢密度计算模型,并与人造污垢实验数据对比,初步验证了模型的合理性,为深入研究PWR一回路燃料污垢行为提供了理论依据和数据支撑。

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

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。

压水堆一回路pH控制策略对积垢燃料包壳完整性的影响研究

压水堆(PWR,Pressurized Water Reactor)通常采用不同的硼酸和氢氧化锂浓度配比维持一回路pH。一回路各种材料在高温高压水环境下长期服役,其腐蚀产物在燃料包壳表面沉积形成污垢(CRUD,Chalk Rivers Unidentified Deposits),污垢内部的灯芯沸腾会造成硼酸和氢氧化锂局部浓缩,改变污垢内部冷却剂的热物性,进而影响污垢和燃料包壳交界面处的温度和pH。由于温度和pH对燃料包壳局部腐蚀及裂纹萌生拓展影响显著,因此需要耦合热力学和化学动力学评估一回路pH控制策略对积垢燃料包壳完整性的影响。研究结果表明,采用天然硼和氢氧化锂控制策略的积垢燃料包壳完整性失效风险最高,采用无硼运行控制策略的积垢燃料包壳完整性失效风险最低。

压水堆一回路pH控制策略对积垢燃料包壳完整性的影响研究

压水堆(Pressurized Water Reactor,PWR)通常采用不同的硼酸和氢氧化锂浓度配比维持一回路pH。一回路各种材料在高温高压水环境下长期服役,其腐蚀产物在燃料包壳表面沉积形成污垢(Chalk Rivers Unidentified Deposits,CRUD),污垢内部的灯芯沸腾会造成硼酸和氢氧化锂局部浓缩,改变污垢内部冷却剂的热物性,进而影响污垢和燃料包壳交界面处的温度和pH。由于温度和pH对燃料包壳局部腐蚀及裂纹萌生拓展影响显著,因此需要耦合热力学和化学动力学评估一回路pH控制策略对积垢燃料包壳完整性的影响。研究结果表明,采用天然硼和氢氧化锂控制策略的积垢燃料包壳完整性失效风险最高,采用无硼运行控制策略的积垢燃料包壳完整性失效风险最低。

污垢对压水堆PCI二类事故工况的热工响应影响研究

目前的压水堆Ⅱ类事故工况PCI(Pellet Cladding Interaction)研究中暂未考虑表面污垢对燃料棒破损风险的影响,为明确燃料棒表面污垢对PCI分析的热工作用机理及影响程度,本研究基于SMART、COPERNIC、CANTAL和THEMIS等分析程序,从热工分析出发得到了压水堆Ⅱ类事故工况下燃料棒破损风险与污垢厚度的关系。研究结果表明,污垢内部的灯芯沸腾会显著降低冷却剂和燃料包壳之间的传热系数,考虑污垢效应后燃料棒破损风险增加。本研究结果为进一步完善压水堆Ⅱ类事故工况PCI研究方法论提供了理论和数据支撑。

考虑积垢效应的直流蒸汽发生器热工水力分析

直流蒸汽发生器二次侧材料的腐蚀产物会沉积在传热管表面形成积垢,为明确积垢对其热工水力参数的影响,本研究基于热工水力模块化程序LOCUST,分析了不同的积垢厚度对直流式蒸汽发生器传热管壁面温度、换热系数、压降和含气率的影响程度。研究结果表明,直流蒸汽发生器二次侧积垢主要出现在汽化区域,一旦积垢产生,其换热能力下降。本研究结果为考虑积垢对直流式蒸汽发生器换热能力的影响提供了设计参考依据。

CRUD对压水堆硼析出影响的分析模型及其应用

从20世纪90年代起,许多在运压水堆核电站相继出现污垢引起的轴向功率偏移(CRUD Induced Power Shift, CIPS),严重影响反应堆的安全运行。运行经验表明,该现象与硼在燃料表面污垢(Chalk Rivers Unidentified Deposit, CRUD)中的析出密切相关。为了研究CRUD对硼析出影响的机理,本工作基于热工水力理论基础建立了CRUD引起的硼析出模型,并利用分析软件CAMPSIS对比了使用天然硼和富集硼作为一回路添加剂对某压水堆CIPS风险的影响程度。结果表明,相对与天然硼,采用富集硼作为一回路添加剂虽然会降低堆内硼元素的析出总量,但在循环寿期末硼10的析出量不降反增。由于硼元素中的硼10才会对燃料组件局部功率产生实质性的影响,因此使用富集硼并不一定能够降低压水堆发生CIPS的风险。