CAP1000化容系统树脂床的设置改进探讨

桂璐廷

（上海核工程研究设计院，上海200233）

摘要：CAP1000化学和容积控制系统现有两台混床和一台阳床，每次换料期间需更换所有树脂床。现通过改变树脂床的设置数量、树脂填装方式和运行策略，探讨减少放射性废树脂产生量的可行性。

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关键词 ：树脂床；氢氧型阴树脂；锂型阳树脂；氢型阳树脂；Li?7

0引言

离子交换技术是目前为止应用最广泛、最有效的核电一回路水净化处理技术。在CAP1000电站中，通过化容系统的树脂床来将反应堆冷却剂的纯度和放射性水平维持在可接受的限值以下。通过去除反应堆冷却剂中离子形式或颗粒形式的裂变产物、活化产物、离子杂质和腐蚀产物，化容系统可以维持反应堆冷却剂系统正常运行所需的化学性质。目前，CAP1000的化容系统设置有两台混床和一台阳床，每台树脂床的树脂装量均为1.42m3。混床内以2∶1的比例分别装填了OH型阴树脂和Li型阳树脂；阳床内则全部装填了H型阳树脂。根据现设计要求，这3台树脂床均需在停堆期间进行更换，因此在每个换料周期会产生4.26m3的带放废树脂［1］。本文将探讨通过对树脂床配置的改动来减少放射性废物产生量的可行性。

1运行现状［1］

AP系列电站的化容系统通过混床去除离子态腐蚀产物和一些离子态裂变产物。通常一台混床运行，另一台混床备用。备用混床可作为除硼床，以减少燃料寿期末调硼所产生的放射性废液量。阳床可以作为混床净化的补充，在燃料破损时提供进一步的净化；同时阳床还可以去除反应堆冷却剂中多余的锂。正常运行期间阳床只在除锂时投入，使用率很低。但由于仅有一台除锂床，因此该台阳床必须在停堆时更换，以保证下一循环期间的除锂能力。

2改进方案

根据EPRI［2］的建议，为了减少废树脂的产生量，可设置两台并联的阳床，其中一台使用锂型阳树脂，一台使用氢型阳树脂。锂型阳床用于正常运行期间的净化，氢型阳床用于除锂或在必要时除铯。在这两台阳床前设置两台阴床，其中一台阴床用于正常净化，一台阴床用于在寿期末除硼，设置方式与原设计一致。一台氢型阳床可通过除锂操作来进行锂化，并在下一次燃料循环期间作为正常净化的阳床使用。

考虑到原混床内阴树脂容积为0.95m3，阳树脂容积为0.47m3。为了保证改进后的净化效率至少与原设计一致，在改进方案中设置了四台树脂床，包括两台阴床和两台阳床，所有树脂床的树脂装量均为0.95m3。正常运行期间，净化用阴树脂量为0.95m3，与原设计一致；净化用阳树脂也为0.95m3，比原设计增加100%；用于除锂的阳树脂量为0.95m3，比原设计减少33%。

根据树脂样本，净化流量应为8～50BV/h。现在每个树脂床的容积均为0.95m3，因此适用的净化流量范围为7.6～47.5m3/h。AP系列电站化容系统的净化流量为22.7m3/h，满足现设计要求。

3可行性论证

3.1除锂能力

由于一回路冷却剂中的硼酸使冷却剂pH处于酸性范围，为了减少金属腐蚀，会加入LiOH作为pH控制剂。由于Li?6中子吸收截面很大（960b），在堆内会生成大量的氚，因此一般采用高纯的Li?7来作为pH控制剂［3］。

Li?7的中子吸收截面很低（0.039b），一般不产生感生放射性。同时，冷却剂中的B?10的中子反应会产生Li?7［3］：

10B+n=7Li+4He

其反应速度正比于单位冷却剂体积重靶核密度（硼浓度）与中子通量的乘积，中子通量又与堆功率成正比。对于堆功率为2750MW的核电站，冷却剂硼浓度为1000mg/L时，Li?7浓度增值约为每天106

μg/L。以冷却剂质量为200t计，则每天将产生20g的Li?7。考虑到反应堆冷却剂硼浓度是呈直线下降的，因此取Li?7的日平均产量为10g，则在一个燃料循环寿期内大约会产生6kg的Li?7。

由于过高的锂浓度会加速锆合金腐蚀，因此在功率运行期间锂浓度限值为3.5mg/L，在热态零功率期间浓度限值为6mg/L。随着硼浓度的降低，在寿期末锂浓度可低至0.2mg/L［4］。

以6mg/L来估算，在运行初期溶解在整个反应堆冷却剂系统中大约有2kg的Li?7；在一个燃料循环内B?10的中子反应大约会产生6kg的Li?7；保守估计从锂型树脂床上会有大约1kg的Li?7被其他阳离子置换出来。由于堆芯内其他损耗考虑有50%的裕量，因此假设一个燃料循环内除锂床大约需要去除13.5kg的Li?7。

以罗门哈斯公司的核级氢型阳树脂AmberliteIRN99为例，其体积全交换容量为2.4eq/L。除锂所使用的阳树脂容积为0.95m3，锂离子为1价，单位摩尔重量为6.94g。根据公式：

MLi=（Ex/n）·V·m（1）

式中，MLi为除锂量（kg）；Ex为树脂交换容量（eq/L）；n为锂离子与树脂结合时所体现的价位；V为树脂容积（m3）；m为锂的单位摩尔质量（g）。

根据计算，0.95m3的AmberliteIRN99理论除锂量为15.8kg，满足除锂容量的要求。

3.2除硼和净化效果

改进后的方案中阴树脂量与改进前一致，阳树脂量比改进前增加100%。因此改进后阴树脂的除硼和净化效果应不会比改进前降低。但考虑到除锂阳床已使用了一个燃料寿期，其交换容量可能会因为辐照等原因而下降［5］。

受辐照后交换容量的下降程度与树脂交联度有关。随交联度（DVB）的不同，在经过一个燃料循环的辐照后，交换容量会降低5%～30%，DVB越高则交换容量下降越少。在化容系统中一般选用DVB为16%的核级树脂，因此保守估计其交换容量不会降低超过10%。参考锂型阳树脂AmberliteIRN318的交换容量，降低后的交换容量仍可达2.16eq/L。根据表1，反应堆冷却剂中主要的阳离子杂质为锂（1价）、铝（3价）、钙（2价）和镁（2价）。

式中，Vpurification为能够净化的水量（m3）；Ex为树脂交换容量（eq/L）；Vresin为树脂容积（m3）；G为阳离子浓度（mg/L），不考虑锂离子；M为阳离子的单位摩尔质量（g）；n为阳离子与树脂结合时所体现的价位。

根据计算，如假设进入树脂床的反应堆冷却剂始终维持表1中的阳离子浓度，则0.95m3经过锂化的阳树脂可以净化25650m3的反应堆冷却剂。AP系列电站的反应堆冷却剂系统装量大约为300m3，考虑到在正常运行期间通过金属表面腐蚀、补水等途径带入系统的阳离子数量有限，因此改进后的阳树脂床应有能力满足正常运行的需要。

根据其他电站的实际运行数据，由于在正常运行期间水质控制比较严格，因此反应堆冷却剂中的无机离子浓度都很低。在这种背景浓度下，树脂床对于无机离子的去除效果有限。因此，对于阳树脂净化水量的计算是保守的。改进后的方案能够满足正常运行的需要。

3.3经济分析

AP系列化容系统改进后每个燃料循环可以减少锂型树脂使用量0.95m3，减少放射性树脂废物1.42m3。根据EPRI数据，B/C类废物［6］处置的理论价格是33900美元/m3［2］。实际处理价格约为理论价格的2～3倍［2］。根据现在的减容工艺，每立方米树脂可减容约30%。因此化容树脂的最终处置价格可能为47460～71190美元/m3。而锂型树脂价格约为400000元/m3。改进后的化容系统设计不仅能够减少前期树脂的采购费用，也可以减少后期放射性固体废物的处理费用。

4结论

本文中将原系统中的3个1.42m3的树脂床更换为4个0.95m3的树脂床后，正常运行期间可以使用1个混床和1个阳床，参与净化的树脂比原设计多33%。但除锂床会在下次燃料循环时作为净化床再次使用，因此废物产生量反而比原设计减少了33%。虽然改进后除锂床容量有所减少，而且在经受长期辐照后交换容量有所降低，但核级树脂由于其交联度较大，降级幅度有限。根据核算，现有的树脂容积和交换容量不影响下一个燃料循环期间的使用。改进后使用单独的阴床作为除硼床，其除硼能力与原设计一致，同时该阴床也可作为另一台阴床的备用。

减少放射性废物的产生一直是核电站关注的问题，尤其是直接与反应堆冷却剂接触的化容系统树脂，一般都含有较多的长半衰期核素。经过本文的改进后，每个燃料循环可以减少锂型树脂使用量0.95m3，减少放射性树脂废物1.42m3。按照现有的树脂价格和中放废物处置价格，可以产生客观的经济效益。最重要的是，减少了放射性固体废物的产生量。

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参考文献］

［1］孙汉虹.第三代核电技术AP1000［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［2］EPRI.UtilityPositionReportonSignificantDesignConsiderationsfortheWestinghouseAP1000LLWManagementProgram［Z］，2006.

［3］徐秀萍.核电厂化学分析和监督［M］.北京：国核大学出版社，2013.

［4］EPRI.PWRPrimaryWaterChemistryGuidelines［Z］，1999.

［5］李华，马燕，肖艳，等.西安脉冲堆水净化系统混床废树脂的性能变化［J］.原子能科学技术，2010，44（1）：25?29.

［6］U.S.NuclearRegulatoryCommissionRegulations：Title10，CodeofFederalRegulations，Part61［Z］，2014.

收稿日期：2015?07?31

作者简介：桂璐廷（1982—），男，上海人，硕士，工程师，研究方向：核电站系统设计。