重水堆压力管主系统重水疏排初步研究

梁 锋

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

1 换管及重水疏排背景

秦山三期重水堆机组是从加拿大原子能有限公司AECL（现为加拿大Candu能源公司，简称CE）引进的CANDU-6型核电机组，每台机组的反应堆全堆芯有380根压力管贯穿于排管容器的排管内，压力管作为燃料承载容器，内装12根燃料棒束，全堆共装载4 560根燃料棒束。基于重水堆堆芯的固有设计特点，由端部组件、压力管、排管以及排管和压力管之间的定位环等组成的燃料通道组件，长期处于高辐照和高温高压工况下。随着电厂的连续运行，这些燃料通道组件将不可避免地发生老化和性能降级现象，特别是承载燃料组件及一回路冷却剂压力边界的压力管，会发生老化变形和延迟氢脆等材料性能变化，最终导致其不满足设计安全要求，所以在机组运行到一定年限后必须进行压力管更换。加拿大CE公司有成熟、并已经过考验的设计，但为了应对国际合作存在的潜在风险，建议继续开展重水真空疏排装置研制工作，对重水真空疏排工艺进行自主化设计，掌握重水真空疏排工艺核心技术，从而保证换管项目的顺利实施。

机组压力管换管前，需将主热传输系统及其辅助系统内重水（约192.4 t/单机组）疏排干净，贮存在重水临时贮存设施内，为压力管更换建立条件，同时减少重水损失，降低压力管更换期间人员的摄氚剂量以及放射性物质的环境释放量。目前，主热传输系统及其辅助系统的大部分重水可通过已有疏水管线排出，但是仅能使主系统正常疏水至集液管处，在压力管、Feeder管、主系统及部分设备低点处的重水难于正常排出，在压力管更换过程中，从已经实施过换管项目的国外电厂可以看出，主系统的重水在经过自身系统疏排到对应的重水储存箱中后，在压力管、上支管、主系统及部分设备低点处会有11～16 t的残余重水，因此需要在原有系统基础上增加真空疏排装置，将残余重水全部排空。

2 真空疏排原理

当液体上方大气的压力（外压）降低时，液体的沸点温度也就较正常沸点温度要低，例如，重水在0.0066MPa下，温度达到37.5℃即开始沸腾；而在0.02MPa下，温度需要达到62℃才开始沸腾。当压力增加，温度降低，水蒸气产生速率也会降低。反之，压力降低，温度升高，水蒸气产生速率也会提高。因此，影响液体沸腾的主要因素为温度和气压，以及液体沸腾面积和液体上方空气流动速度。

重水真空疏排工艺即通过一台真空泵对主热传输系统及其辅助系统进行抽吸，使其内部成负压状态，重水在较低温度下沸腾形成蒸汽，并在泵的抽吸作用下蒸汽经过冷凝器冷凝，冷凝液收集在重水储存箱中。

3 国外设计情况

Candu能源公司设计了一套真空疏排装置，可将堆芯内主系统残余重水排空，并在相关电站进行了有效的实施，具体方案如下：抽真空疏排装置是通过对热传输支管导入热空气和端屏蔽冷却系统加热，使主系统相关的压力管的部件或设备温度保持在50～60℃，然后将真空疏排装置连接到停堆冷却系统，通过真空疏排装置使主系统内压力降低到50mmHg以下，达到该重水温度下的饱和压力，使重水沸腾形成蒸汽而抽出，重水蒸汽经过冷凝器中冷凝并收集，最终通过冷凝液泵排至重水收集装置。概念设计图如图1所示，部分设备图如图2所示。

4 国内自主化评估及研究方向

4.1 部件生产能力、硬件能力

由于我国目前仅有两台CANDU6型重水堆机组，缺乏压力管更换的经验和技术储备，在重水真空疏排领域的研究还是空白。但是，在民用领域已有类似的研究和应用。

（1）真空泵：是重水真空疏排工艺中的核心设备。目前，国内真空泵的生产制造技术能力已达到国际先进水平。

（2）冷凝器：作为重水真空疏排装置冷凝单元的核心设备，是常见的化工设备。目前，国内各类冷凝器的生产制造技术都已非常成熟。冷凝器应用最多的主要有板式换热器和管式换热器。

4.2 自主化研究方向及难点

4.2.1 系统内残余重水分布情况及关键问题分析

对于主热传输系统及其辅助系统残余重水的存量、分布以及较难疏排的区域进行详细分析，完成工艺关键问题研究，包括明确疏水工作范围、系统接口以及先决条件，分析关键设备选型和疏水终点判断依据，评估系统加热能力和工作范围内系统耐负压能力等。

4.2.2 系统加热能力评估

根据主热传输系统及其辅助系统残余重水分布情况，分析需要预热的管段和设备。预热方式需考虑重水蒸汽在系统内不会再次凝结并重新返回到较难疏排的区域。重水预热可以选择通热空气、电伴热或通过运行慢化剂系统循环泵和端屏蔽泵等方式实现。通过运行慢化剂系统循环泵和端屏蔽泵加热的可行性及其加热能力需进一步分析论证。

4.2.3 工作范围内系统耐负压能力评估

新增的重水真空疏排系统应不影响原有系统（即主热传输系统及其辅助系统）的正常运行。根据重水真空疏排系统对真空度的要求以及系统正常工作时的压力范围，并基于设备和管道的材料特性，评估工作范围内系统耐负压能力，提出相关应对措施。例如，疏水临近结束时，系统内液态重水几乎排空，已再无重水蒸汽产生，系统内压力无法得到补充，管道内又含有大量重水蒸汽未排出，此时真空泵如继续工作会使管内压力持续减小，管道可能存在安全性问题，因此可以考虑通过“停止抽气、注入空气、再抽真空”的方式排出残余重水蒸汽。

4.3 重水真空疏排工艺方案设计及运行控制分析

根据系统内残余重水分布情况及关键问题分析，完成重水真空疏排工艺方案设计，编制工艺流程图和设计说明。初步制订重水真空疏排工艺方案如下。

首先，通过向热传输支管保温层导入热空气对热传输支管进行预热，采用反馈式电柜对端屏蔽冷却系统进行预热，以及启动慢化剂系统的循环泵使慢化剂升温，对压力管及部件进行预热，使重水温度保持在一定范围内（初设值为60℃）。然后，将重水真空疏排装置连接到停堆冷却换热器出口阀3341-MV17/MV18处，启动真空泵使主系统内压力降低至一定值以下（初设值为0.006 6MPa），达到该重水温度下的饱和蒸汽压，使重水沸腾形成蒸汽而抽出。重水蒸汽经过停堆冷却系统热交换器和临时新增的两级冷凝器冷凝并收集在重水收集箱中，最终通过冷凝液泵排至重水储存箱。不凝性气体排至重水蒸汽回收系统进行干燥处理。

重水真空疏排工艺的主要热工参数包括重水加热温度、真空泵背压和疏水速率。三者之间相互联系，确定重水加热温度和真空泵背压后即可确定疏水速率。

4.3.1 重水加热温度

单从提高疏水速率方面考虑，热源的加热能力越强越好。但是，如果加热能力太强，存在系统超温风险。沸腾产生的重水蒸气过多，由于管道流动阻力存在会导致重水蒸气产生区域局部压力升高，局部压力升高会导致沸点升高，由于传热温差的存在热源（慢化剂、端屏蔽）的温度也会进一步升高，为保证设备安全，慢化剂和端屏蔽温度不能无限制提高，因此应该将其限制在合理可行尽量高的范围内。目前，设备安全方面限制有如下两点：（1）堆腔混凝土温度不能高于65℃，防止堆腔混凝土脱水；（2）HTS系统温度高于55℃时，端屏蔽系统需要保持运行，屏蔽环温度正常范围为60℃～66℃。

4.3.2 真空背压

单从提高疏排速率方面考虑，背压越低越好。降低背压需要提高真空泵能力，会导致成本增加，同时设备尺寸也会变大，设备的吊运、安装难度也会增加。安全方面主要考虑以下两点：（1）主热传输系统及其辅助系统真空边界范围内设备耐负压能力，主系统抽到绝对真空（0kPa），反应堆厂房压力在标准大气压下，主系统承受的外压是一个标准大气压，即101kPa。为确保真空边界内设备安全，需要对相关设备耐负压能力进行分析；（2）在系统真空度过低的情况下，重水蒸发吸热导致温度下降，是否存在引起局部区域重水结冰风险（标准大气压下重水冰点3.8℃），需要对此风险做进一步研究。

4.3.3 疏水速率

扣除前期重水疏排、换料机疏排（如果有）、系统升温、设备端接以及拆除所需的时间，保守估计真空疏排时间至少为8d。假设主热传输系统及其辅助系统内残留的重水量为14t（实际情况预计高于此值），并且重水真空疏排装置24 h连续运行，则疏水速率至少应为73 kg/h。根据主热传输系统重水疏排允许的实际窗口时间，需对疏水速率作进一步分析，并通过数值模拟分析软件对疏水速率与重水加热温度、真空背压之间的关系进行研究分析。

4.4 重水真空疏排装置样机设计、制造及试验

按照制订的重水真空疏排工艺方案及设计技术要求，对小型移动式重水真空疏排装置样机进行设计和制造。采用模块化技术对真空泵、冷凝器等设备进行高度集成。同时，对设备布置和接口进行优化，减少装置占地面积。

5 建议

对于主系统重水真空疏排装置，加拿大CE公司有成熟、并已经过考验的设计，考虑到国内的硬件建设能力已经具备，虽然没有换管相关的经验和技术储备，同时也存在不少需要科研攻关的难点，但仍然建议继续开展重水真空疏排装置研制工作，对重水真空疏排工艺进行自主化设计，掌握重水真空疏排工艺核心技术，提升主热传输系统及其辅助系统的疏水效率，进一步缩短疏水时间，提高压力管更换项目的经济性，并应对国际合作存在的风险从而保证换管项目的顺利实施。