论文发表减少VVER机组一回路核级树脂固体废物量

　　减少VVER机组一回路核级树脂固体废物量方法的研究

　　郭宏恩 山东核电有限公司

　　摘要：VVER机组原设计的核级树脂更换方案是以固定周期进行更换，但在实际运行中发现采用该方案存在核级树脂利用率低，放射性固体废物量多的问题。针对此问题，本文提出了将核级树脂更换方案优化为核级树脂失效之后再更换的动态更换方案。同时，结合实际运行经验，采取了优化一回路净化系统的运行模式及水化学控制等多项措施，有效提高了核级树脂的利用率，减少了一回路核级树脂固体废物量，具有较高的经济和社会效益。

　　关键字：净化系统；核级树脂利用率；更换频度；运行模式

　　Abstract： The original design of nuclear grade resin replacement scheme of VVER unit based on fixed cycle for replacement, but found in actual operation, using the scheme exisedt some questions， including the utilization rate of nuclear grade resin lower, and radioactive solid wastes more.Aiming at this problem, this paper puted forward the nuclear grade resin dynamic replacement scheme when the nuclear grade resin losed efficacy . combining with the actual operation, a number of measures have been taken ,including optimizing the operating mode of the purification system and taking water chemical optimized control measures. The application of these methods, effectively improved the utilization of nuclear grade resin, reduce the primary circuit quantity of radioactive solid waste, bringed higher economic and social benefits for the Nuclear power plant.

　　Key words: purification system;Nuclear grade resin utilization;Change frequency;The operation mode

　　田湾核电站是国内首次引进的VVER机组，一回路主要净化系统设计装填核级阳树脂13.0 m³，核级阴树脂7.7 m³。原设计要求反应堆冷却剂净化系统（KBE）、一回路冷却剂处理系统（KBF）、冷却剂贮存系统离子交换器系统（KBB）核级树脂更换频度为每年一次，乏燃料水池及硼箱水净化系统（FAL）核级树脂为每两年一次1。但在实际运行过程中发现如果按设计要求对这些核级树脂进行更换，存在着核级树脂利用率低，放射性固体废物量大的问题。下表1是二号机组U2C5寿期一回路各净化系统核级树脂使用率的统计情况。

　　表1：一回路净化系统核级树脂交换容量和一个燃料循环使用情况

　　（未统计2FAL30AT002数据，系因系统优化后该机械床改为空床，未装填核级阳树脂。）

　　从上表1也可看出，按照设计方案对核级树脂进行更换时，核级树脂在更换时仍剩余较多的交换容量，利用率较低，这既增加了树脂采购成本，也使电厂的放射性固体废物量增多。

　　1. 优化一回路净化系统树脂更换频度

　　1.1  核级树脂交换容量和原设计的利用率

　　一回路各净化系统装填的核级阳树脂，其体积交换容量为2.10mol/L，核级阴树脂的体积交换容量为1.20mol/L。在实际运行过程中，除KBB10AT002外，其他净化系统阴床是硼酸饱和之后运行，主要是用于控制相关系统中的氯离子含量。根据俄方的研究结果，核级阴树脂硼饱和之后对氯离子的吸附能力为理论交换容量的2%2。以此为依据，一回路相关净化系统交换容量见下表2：

　　表2：一回路净化系统核级树脂交换容量统计表

　　1.2  优化核级树脂更换方案的风险分析

　　优化核级树脂更换方案，减少核级树脂固体废物量的生成，前提条件是不能因此引起相关系统水质的偏离。优化核级树脂更换方案，必须考虑到机组功率运行期间，核级树脂失效后对相关系统水质的影响。

　　在净化系统投运期间，要求每班一次（1次/8小时）对净化系统出口水质进行监测。在这样的监测频度下，核级树脂在机组功率运行期间失效，也完全可以在8小时内发现。当发现核级树脂失效后，如果准备更换树脂，从库房领取到核级树脂最终冲洗合格，所需时间约40小时。根据历年的运行经验表明，在采取严格有效的一回路水化学控制措施情况下，功率运行时即使相关净化系统停运，也不会造成一回路水质指标发生偏离的情况。

　　1.3  核级树脂的优化更换方案

　　原设计要求的以固定周期对核级树脂进行更换的方案，未考虑核级树脂更换前的失效程度，造成核级树脂的利用效率不高，因此产生了更多的放射性固体废物。结合实际运行经验，目前采取的核级树脂更换方案为核级树脂完全失效之后即床出入口相应的阴阳离子浓度完全一致后再进行更换。采用该优化方案后，核级树脂交换容量使用率基本在80%以上，高于俄方设计的更换方案。

　　2013年开始实施核级树脂的优化方案后，一回路主要净化系统的核级树脂更换优化方案与原设计方案如下表3所示：

　　表3：树脂更换频度方案对比

　　其中FAL30AT001、FAL30AT003装填的核级阳树脂使用寿命长达四年以上，在阳床尚未失效但运行期间出现磺酸基团降解脱落比较严重的情况时，为优化水化学控制，也需考虑更换。

　　2. 一回路各净化系统运行模式的优化

　　田湾核电站虽然是俄罗斯设计的VVER机组，但净化系统完全按照俄方设计的模式运行时，在实际运行中也出现了一些未曾预料到的问题。因此在实际运行中，采取了一系列优化净化系统运行模式措施，有效提高了核级树脂的利用效率，减少了核级树脂固体废物量。下面将分别进行论述：

　　2.1  减少FAL系统核级阳树脂的装填量

　　FAL系统设置有两个并列的机械床FAL30AT001和FAL30AT002，用于净化乏燃料水池中的机械杂质。俄方设计的运行方式是当净化系统运行时，两个机械床一个运行一个备用。但实际运行中发现乏燃料水池机械杂质含量一直维持在极低水平（透光率在95%以上），腐蚀性阳离子Fe也从未超过 10ug/L，说明在实际运行中机械床起的作用并不大，净化系统设置两列机械床存在浪费且由于其使用周期较长，容易出现核级阳树脂磺酸基团降解脱落而增加硫酸根来源的情况。考虑到净化系统阳床FAL30AT003同时也可兼具机械床的功能，故采取了将两台机组FAL系统机械床FAL30AT002掏空，不再装填核级阳树脂的措施，这一措施可为电站减少核级阳树脂装填量4.8m3。

　　2.2  FAL系统单阴床运行模式净化阴离子

　　FAL系统主要作用是净化乏燃料水池水质，俄方设计的运行模式为1机械床（装填核级阳树脂）+1阳床+1阴床。但实际上由于乏燃料水池中机械杂质含量很低，且腐蚀性阳离子浓度长期维持在极低水平上，机械床和阳床运行的实际作用并不大。反而因采取这种运行模式，核级阳树脂磺酸基团老化降解速度加快，进入系统后生成硫酸根，既损失核级阳树脂的交换容量，又增加了阴床的工作负担。

　　结合实际运行经验，基于优化水质控制和有效利用FAL系统核级树脂的目的，开发了单阴床运行模式来净化系统中阴离子的方法。阳床则只在净化乏燃料水池放射性才投入使用，以提高放射性净化效率。

　　采用单阴床模式运行时，FAL系统阴床使用寿命相较于俄方设计的运行方式，延长了1/4以上，

　　2.3 提高核级树脂KBE50AT001的利用效率

　　除碱系统KBE10AT001装填了0.9 m3核级阳树脂，工作交换容量为1890mol,与KBB10AT001相比，KBE50AT001装填的核级阳树脂较比较少。 由于KBE50AT001与一回路冷却剂直接接触，目前其更换周期仍为每年一次。因此，在KBE50AT001更换前充分利用其交换容量，合理分担KBB10AT001的除碱压力，不仅利于寿期末期一回路溶氢总碱金属的优化控制，也能有效延长KBB10AT001的使用寿命。

　　通过提高KBE50AT001的利用效率，将其使用效率由之前的不超过20%，提高到约80%时，KBB10AT001的使用寿命可延长约30%。

　　2.4  延迟寿期末除硼系统KBB10AT002投运时间

　　KBB10AT002系统装填2.4m3的OH型阴树脂，交换容量为2880mol，用于寿期末期去除一回路硼酸。优化前KBB10AT002的投运时间是根据俄方设计当一回路硼浓度降至0.3g/L左右时。为进一步减少放射性固体废物量的生成，自U1C6寿期起，将KBB10AT002的投运时间延迟至一回路硼酸浓度为0.15g/L左右时。除硼系统投运之前一回路硼酸浓度控制采用注清水稀释的方式。

　　采取优化措施后，相当于每个燃料循环减少使用KBB10AT002核级阴树脂交换容量740mol，将KBB10AT002的使用寿命延长了约60%，从而减少了放射性固体废物的产生。

　　2.5  采取优化措施后的效果

　　在采取相关措施之后，统计2号机2012-2014年以来的数据，一回路核级树脂更换频度如下表4所示。

　　表4：一回路核级树脂优化之后的更换频度

　　统计2009-2014两年内两台机组一回路净化系统核级树脂消耗情况如下表5所示。

　　表5:2009-2014年机组核级树脂优化前后消耗对比表

　　从上表可以看出随着一系列优化措施的实施，从2011年开始逐步采取优化措施后，两台机组核级树脂消耗量均比原设计核级树脂消耗量少，且呈逐年降低趋势。对比2011-2012期间和2013-2014期间两台机组的核级树脂消耗量可以算出2013-2014两年时间里两台机组共减少核级阳树脂消耗量6.4m3，核级阴树脂消耗量3.6 m3，至少减少了10 m3的放射性固体废物，共为电厂节省了树脂采购成本60万元以上，放射性固体废物处理成本约1000万。同时由于核级树脂更换频度降低，处理放射性固体废物量减少，有效降低了电厂的集体剂量，提升了电站的WANO指标，为田湾核电站树立了良好的企业形象。

　　3. 结论

　　综上所述，在优化一回路核级树脂更换方案和净化系统运行模式后，将原设计方案核级树脂利用率从30%-70%，提高到80%以上，有效提高了核级树脂的利用率，、降低了树脂采购和固废处理成本，也减少了人员照射剂量，为核电站创造了更高的经济和社会效益。

　　目前，新型的核级阳树脂交换容量有了进一步的提高，一些特型树脂也已经开始得到应用如选择性吸附硼酸的螯合树脂等。这些新型树脂的使用，将能够进一步降低核电厂的放射性固体废物量。与此同时，膜技术处理放射性正也已经有了较多的研究利用，这将为减少核电厂放射性固体废物量提供更多的研究方法。

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