注锌对燃料包壳表面污垢沉积及硼析出的影响研究

反应堆一回路腐蚀产物在燃料包壳表面过冷泡核沸腾的作用下沉积于包壳表面,形成燃料污垢。一回路注锌被认为是抑制燃料包壳表面污垢沉积的重要途径之一。本文通过开展国产锆合金燃料包壳在不同锌浓度下的污垢沉积试验,研究在模拟核电站高温高压水环境中注锌对污垢沉积行为的影响,得到污垢沉积的锌浓度敏感性结果。冷却剂中的锌浓度越高,燃料包壳表面的烟囱状结构越不明显,污垢表面越平整,污垢沉积厚度越小,污垢内部镍铁比降低,硼析出量越少。当锌浓度增加至100μg·L^(-1),污垢内部有少量含锌物相析出。结果表明:当锌浓度在0~100μg·L^(-1)范围内时,一回路注锌能够显著抑制燃料包壳表面的污垢沉积。

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。

一回路注锌对“华龙一号”CIPS风险的影响研究

压水堆运行期间堆芯沉积的污垢有可能导致反应堆发生垢致轴向功率偏移,国际上诸多压水堆运行经验表明一回路注锌能够降低垢致轴向功率偏移风险。本文研究了一回路注锌对垢致轴向功率偏移影响的深刻原因,并采用中广核自主开发的污垢分析软件CAMPSIS对“华龙一号”机组开展了注锌前后的垢致轴向功率偏移风险评估。计算结果表明,注锌能够减少污垢总量以及硼析出量,进而降低垢致轴向功率偏移风险。研究成果为压水堆实施一回路注锌提供了理论依据和数据支撑。

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。

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。

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。

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。

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。

中广核自主污垢行为分析软件CAMPSIS1.0研发与验证

压水堆污垢行为涉及材料、化学、热工、中子学等多个学科,包含了较为复杂的物理过程,可能引发污垢导致功率偏移(CIPS)、污垢导致局部腐蚀(CILC)等潜在运行风险,也会影响一回路冷却剂及金属表面的放射性剂量。自2018年开始,历时3年中广核开发了自主污垢行为分析软件CAMPSIS1.0,它包含腐蚀释放、水化学、核素活化、污垢沉积等污垢行为模拟所需的核心模型,同时具备了CIPS、CILC风险分析和一回路腐蚀产物活化源项分析的能力。通过实验数据、电厂正常运行和停堆期间的测量数据对软件进行了系统验证。结果表明,CAMPSIS1.0初步具备了在工程上进行污垢行为分析的能力。

一种压水堆燃料污垢行为分析方法及应用

腐蚀产物在压水堆(Pressurized Water Reactor,PWR)燃料表面沉积后形成的污垢(Chalk Rivers Unidentified Deposits,CRUD)会对反应堆安全性和经济性造成影响。直接检测燃料污垢存在诸多客观条件限制,且目前尚未对PWR燃料污垢行为开展系统研究。本文阐明了PWR运行数据与燃料污垢行为之间的关系,提出了一种适用于PWR的燃料污垢行为分析方法,并对某PWR连续循环开展了燃料污垢行为分析。结果表明,本文提出的分析方法能够较真实反映PWR燃料污垢水平,研究成果可为PWR在运机组开展燃料污垢行为分析提供参考。

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。

长期低功率运行对压水堆CIPS风险的影响研究

长期低功率运行(Extended Low Power Operation,ELPO)在压水堆(Pressurized Water Reactor,PWR)中具有广泛的实践经验,随着国内核电装机容量增加,为满足电网负荷不断变化的需求,越来越多的核电机组需面对日负荷跟踪或ELPO。大部分在运机组通过调整硼浓度来实现ELPO运行,ELPO期间主流体硼浓度升高、堆芯功率降低,这些变化会影响硼在燃料表面污垢(Chalk Rivers Unidentified Deposit,CRUD)中的析出,改变垢致轴向功率偏移(Crud Induced Power Shift,CIPS)程度。本文揭示了CIPS的根本原因,并采用子通道程序和污垢分析程序评估了某百万千瓦级PWR采用ELPO模式后的CIPS风险。计算结果表明,将堆芯功率下降至75%,CIPS风险降低;继续将堆芯功率下降至50%,CIPS风险略有升高,但仍低于满功率运行工况。研究结果为评估ELPO对CIPS的影响提供了数据支撑,同时也为控制CIPS风险提供了新的思路。