核电站一回路氢含量影响因素分析及控制策略说明

0 引言

国内某核电站燃料包壳存在加速氧化的现象，根据设计方答复，提高一回路的氢含量可以较好的抑制加速氧化的进程。电站规范要求氢含量的限值为17＜H2＜50cm3/kg （STP），为抑制加速氧化，需控制一回路氢含量在252<35cm³/kg （STP）。根据电厂的实际运行经验，正常机组配置状态下可能无法满足上述要求。

1 一回路氢的作用及控制原理

1.1 核电站一回路氢的作用说明

导致出现核电站反应堆一回路氢含量的核心作用是抑制放射性碘的生成，并缓解一回路水的辐射分解，保障反应堆冷却系统的安全与稳定。

1. 抑制放射性碘：一回路水中的放射性碘（如碘-131）主要来自水的辐射分解及燃料包壳的少量释放。向一回路注入氢气后，氢会与辐射分解产生的氧化性物质反应，减少其对水的持续分解，从而降低放射性碘的生成。

2. 保护材料与水质：氢气与氧化性物质的反应能维持一回路水的还原性环境，避免反应堆堆芯、主管道等金属结构因氧化而腐蚀，同时减少腐蚀产物，避免杂质影响冷却效率或堵塞设备。

1.2 一回路氢含量的控制说明

核电站一回路的氢正常会因为复合、析出、连续排气等因素存在持续的消耗，因此需要对一回路进行连续的补氢。补氢功能由化学容积控制系统（RCV）的加氢站完成，加氢站由喷射泵、混合管线、气体分离器以及相关的管线组成。

喷射泵位于上充泵吸入口侧，驱动流体来自主泵轴封注入管线。混合管段由以一定角度倾斜的一系列管板组成，通过不断地分离和重新组合流体，实现其混合氢气和冷却剂的功能。气体分离器冷却剂出入口均沿切向设计，使得进入分离器中的冷却剂沿轴向旋转。冷却剂在分离器中的停留时间和旋转过程中的压力分布，使未溶解的氢气从冷却剂中分离出来，在上部汇集，然后进入喷射泵。

2 反应堆冷却剂中氢含量影响因素及控制手段

2.1 影响核电站一回路中氢含量的因素

在核反应堆功率运行阶段，一回路氢含量的影响因素主要包含容控箱压力及吹扫流量、稳压器加热器运行状态、喷射泵运行压力、上充泵运行状态、机组功率水平、二回路换水的频率、堆芯内反应等。相关因素汇总如下：

根据机组的实际运行经验，上述影响因素中对氢含量变化的定量数据如下：

稳压器加热器运行状态：启动极化喷淋后氢含量会先下降后上涨，较初始值增加约

2. 下泄流量：下泄流量加倍后氢含量大约上涨 0.3ppm 。

3. 容控箱压力：容控箱压力每上涨0.1bar，对应氢含量上涨约0.1ppm。

4. 加氢站分离器排气：对分离器进行排气每次可提升约 0.05ppm 。

5. 一回路换水：一回路进行换水时其换水速率会对氢含量变化有较大影响，如果换水速率过快则氢含量会出现先快速下降。

2.2 影响核电站一回路中氢含量控制手段

根据上述一回路氢含量的影响分析，通过对相应变量进行控制，可以在一定范围内人为对氢含量进行控制

优化换水策略：

对一回路换水时，若换水速率较快会导致一回路的含氢水被置换，新换入一回路的水由于加氢能力限制导致无法短时间内达到平衡状态。因此会导致快速换水时氢含量快速下降的现象。

提高 VCT 压力：

容控箱与加氢站气体分离器现场布置高度基本一致，两个容器类似于连通器。当调整 VCT 压力时，气体分离器压力也随之变化。提高 VCT 压力时，加氢站气体分离器压力随之上涨，氢气更容易溶入一回路流体。

加氢站分离器进行排气：

对加氢站分离器进行排气操作可以排除聚集在分离器顶部的不凝结气体，从而提高氢气的分压，因此对加氢站分离器进行排气可以起到提升氢含量的作用。

启动极化喷淋：

当稳压器进行极化运行时，会打破原有稳压器内部系统的气液平衡，稳压器喷淋水以雾化状态进入稳压器汽相，水中的氢气释放；由于加热器投运，PZR 底部液相冷却剂中氢气释放进入PZR 气空间，通过波动管进入回路的低氢冷却剂，造成一回路溶解氢浓度降低。随着稳压器汽相空间集聚的氢气返溶到稳压器液相，造成稳压器液相溶解氢浓度上涨，总体效果，将提高一回路溶解氢。

启动两台上充泵运行：

RCV 双泵运行增大了上充下泄流量，使加氢站内氢更容易溶入一回路。RCV 双泵运行可明显提升一回路氢含量。根据机组实际数据，RCV 双泵运行时一回路氢含量比单泵运行时提高至少 0.3-0.4ppm。

调整容控箱吹扫流量：

容控箱由氮气覆盖。降低 VCT 吹扫流量理论上可降低溶入一回路氮气量。根据目前调整 VCT 吹扫流量的实际效果看，其作用不明显。另外吹扫流量不能无限制降低，吹扫流量过低存在氢爆风险。

3 加氢设备能力提升的改造说明

该三代核电站在实际运行控制中发现虽然采用了上述手段但氢含量提升仍未符合预期，针对该情况，分析判断为加氢站的加氢能力不足。为保障机组氢含量控制的需要，该电站对加氢站的氢气混合管线进行了改造。1.增加混合元件数量混合元件数量从 4 个增加到12 个，每个混合元件长度为129mm，混合元件间隔 137mm 。混合元件的增加提升了搅浑效果。

2.修改混合管管径

混合管管径从 DN150 缩小为DN125，提高主流流速至理想流速 0.66m/s，提升气泡与静态混合元件的撞击力度，从而使气泡更为细小，增大气液接触面积，进一步促进氢气溶解。

当前该电站已完成相关改造，改造后机组运行初期氢含量有了明显的提升，说明该改造对提升一回路的加氢能力有明显的效果。

4 结语

核电厂在运行期间必须严格遵守技术规范的要求，在出现异常时，能够及时分析处理，这样才能保证核电机组长期安全稳定运行。该三代核电站在控制一回路氢含量的过程中积累了大量的实践经验，虽然有些影响因素并无严格的定量分析，但是在相应参数的控制上已经有了相对成熟可信的手段。另外，上述分析和总结对其他电站的运行控制也有相当重要的借鉴意义。

参考文献：

[1] 王本振．压水堆核电站氧化运行前一回路氢浓度控制要求及策略［J］．中国核科学技术进展报告（第五卷），2017（10）：41-43.