压水堆一回路应用富集硼酸对堆芯CIPS影响的研究

杨建锋，秦慧敏，刘婵云

(上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233)

在压水堆中，液体10B控制毒物硼酸作为化学控制手段，与控制棒一起组成反应性控制系统，分别用于控制慢的和快的反应性变化。天然丰度的硼酸中10B含量仅占19.9%左右(原子分数)，其余都是中子吸收能力很弱的11B。在压水堆核电厂一回路冷却剂/慢化剂中采用富集10B的硼酸，可以提高化学控制手段的反应性控制能力，从而降低堆芯运行硼酸浓度要求，特别是寿期初硼酸浓度。硼酸浓度的降低有利于提高燃料循环寿期初一回路冷却剂/慢化剂的pH(或者降低锂浓度)，从而有利于降低燃料包壳的腐蚀、降低应力腐蚀引起的蒸汽发生器管束破裂风险，对改善系统和设备的腐蚀都有一定的好处。硼酸浓度的降低还有利于改善冷却剂的工作环境，减少结晶和沉淀；减少化学试剂添加量、减轻净化处理的工作负荷，延长一回路中新鲜硼酸的替换周期。根据公开文献报道，富集10B硼酸的优势，主要通过两个方面表现出来：一是10B增加，二是硼酸浓度降低。其优势总结如表1[1-6]所示。

表1 富集10B硼酸替代天然丰度硼酸的优势Table1 Advantages of enrich 10B boric acid substituting for natural boric acid

硼酸浓度的降低理论上可以减少硼沉积，在公开文献中虽然定性提到了富集10B硼酸由于浓度降低可以减少硼酸结晶和沉淀的风险，但未见详细计算，更未见对此针对性地开展堆芯CIPS风险评价。因此，本文将以CAP1000为研究对象，在富集10B硼酸(40%原子分数)对核设计堆芯功率分布影响的基础上，采用BOA程序进行堆芯CIPS风险评价。

1 CIPS风险

CIPS(Crud Induced Power Shift)，又称AOA(Axial Offset Anomaly)，是指反应堆冷却剂系统(RCS)内的腐蚀积垢物(又称污垢)在燃料棒表面沉积而导致轴向功率峰值向堆芯入口处偏移的现象。

在反应堆运行时，RCS系统管道上的腐蚀产物(镍、铁等)将会释放到冷却剂中，并在发生过冷泡核沸腾的高热流密度燃料组件上部沉积并形成污垢。硼会在污垢的孔状间隙内聚集，到一定程度时，就会沉淀到污垢上，这将会导致燃料组件上部功率降低，由此功率峰值将向下部移动，即出现CIPS现象。CIPS现象并不直接与反应堆安全分析的准则相关，但它会影响核电厂的运行。如：CIPS现象出现将导致在反应堆降功率时反应堆轴向功率分布控制更加困难、停堆裕量减小、临界工况评价出现偏差等。基于以上原因，美国核电厂运行研究所(INPO)发布了“INPO 07-004达到卓越燃料性能导则”。在该导则中要求所有用户在每一循环的换料过程中都必须对污垢导致的风险进行评价。CIPS风险评价准则与堆芯内燃料组件数目有关，以最大堆芯沉积硼酸质量作为指标，如表2所示[7]。

表2 堆芯CIPS风险评价准则Table 2 Rule of risk assessment for CIPS

2 CIPS评价方法

CIPS现象是由于发生过冷泡核沸腾的通道内燃料组件上部杂质沉积物内聚集硼酸而引起的。杂质沉积物中主要是从蒸汽发生器和堆芯其他外表面释放进入冷却剂的镍和铁等腐蚀产物。从第二循环开始，上一循环中沉积在燃料棒上的杂质沉积物也将释放到冷却剂中。

CIPS分析过程主要包括三个步骤。首先，使用三维核设计程序预计堆芯功率分布；其次，将堆芯功率分布作为输入条件提供给热工水力子通道程序，以计算堆芯内燃料棒光滑表面的过冷泡核沸腾率和局部的热工水力参数；最后，使用BOA程序以评价污垢最大厚度、污垢最大质量以及最大堆芯沉积硼酸质量。核设计、子通道及BOA程序分析流程，如图1所示。

图1 CIPS风险评价流程图Fig.1 Schematic of CIPS riskassessment

CAP1000核电厂是两环路非能动压水堆核电厂，共装载157个燃料组件，活性段高度为4 267.2 mm，堆芯热功率为3 400 MW。本文的核设计分析采用基本负荷运行模型、子通道分析基于与核设计程序一致的1/4个对称堆芯模型、水化学程序中采用冷却剂未注锌模型。根据工程经验，在新电厂或核电厂实施较大变化后的前三个燃料循环中，蒸汽发生器U型管上的杂质释放率变化很大(呈指数变化)，堆芯CIPS的风险上升很快，从第四燃料循环开始，U型管上的杂质的释放率趋于稳定，风险亦趋于平稳。因此，本文将针对CAP1000压水堆核电厂的第一循环至第三循环进行分析。

3 结果与讨论

3.1 名义硼浓度和临界硼浓度

根据分析结果可知，不考虑堆芯燃料管理方案或者装载燃料形式的变更，采用富集硼酸后不会改变堆芯的反应性控制要求，不会对堆芯燃耗与功率分布、慢化剂温度系数、燃料温度系数、多普勒功率系数、控制棒控制能力、堆芯动态参数等产生影响。但由于10B丰度提高使得硼微分价值增大，堆芯临界硼浓度将发生相应变化，结果如图2和图3所示。

3.2 CIPS风险评价

针对CAP1000压水堆核电厂的第一循环至第三循环进行CIPS风险分析，图4给出了堆内沉积污垢中的硼酸质量随循环时间的变化。由图可知，堆芯内沉积的硼酸质量随循环时间先增加后下降，在循环中期达到最大值。前三个循环中，第三循环的沉积硼酸质量显著高于其他两个循环，第一循环的沉积硼酸质量最低。

图4 堆芯内沉积的硼酸质量随循环时间的变化Fig.4 Deposit boric mass vs.cycle time

图5给出了堆芯最大沉积硼质量与堆芯冷却剂中的10B丰度之间的关系。从图5中可知：随着堆芯冷却剂中的10B丰度增加(对应名义硼浓度减小)，堆芯最大沉积硼酸质量均呈现指数下降趋势。在同一循环，采用10B丰度40%的富集硼酸的堆芯最大沉积硼酸质量可比采用10B丰度19.9%的天然硼酸的减小约80%；考虑10B丰度后，积垢中10B质量可降低超过65%，因此，CIPS风险显著降低。

图5 堆芯最大沉积硼质量随硼富集度的变化Fig.5 The max deposit boric mass vs.10B enrichment

CAP1000核电厂前三循环不同燃料组件腐蚀积垢物的最大厚度、腐蚀积垢物的最大质量、堆芯最大硼酸质量,如表3所示。

表3 CIPS风险评价结果汇总Table 3 Results of CIPS risk evaluation

(1)对于10B为天然丰度(19.9%)的情况，在不实施注锌的工况下，前三循环最大堆芯沉积硼质量为0.460 4 kg(1.015 lbm)，出现在第三循环，高于CIPS中等风险限值。

(2)对于10B为富集硼丰度(40.0%)的情况，在不实施注锌的工况下，前三循环最大堆芯沉积硼质量为0.074 4 kg(0.164 lbm)，出现在第三循环，以10B质量换算为天然硼酸质量后约为0.152 4 kg，接近CIPS低风险限值，极大降低了CIPS风险。

4 结论

本文通过对压水堆一回路应用富集硼酸后堆芯CIPS风险评估研究发现：

(1)堆内积垢硼酸质量与堆芯临界硼浓度密切相关，采用富集硼酸可在不会改变堆芯的燃耗与功率分布、10B浓度保持不变的情况下，由于10B丰度提高从而降低冷却剂中硼酸浓度，从而有效降低堆芯沉积硼酸质量。

(2)应用富集硼酸(40.0%)与天然硼酸(19.9%)相比，最大堆芯沉积硼酸质量可降低超过80%左右，堆芯CIPS风险等级显著降低，因此，在压水堆核电厂一回路冷却剂中采用富集10B的硼酸后，有助于降低堆芯发生CIPS现象的风险，改善腐蚀积垢物在燃料棒表面沉积而导致轴向功率峰值向堆芯入口处偏移。