非能动安全壳热量导出系统换热水箱水质研究

马惠昀，李丽娟，于沛，郭泽华

1. 中国核电工程有限公司，北京 100840

2. 哈尔滨工程大学 核科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150001

3. 黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001

“华龙一号”非能动安全壳热量导出系统（passive containment heat removal system，PCS）[1-4]和二次侧非能动余热排除系统（passive residual heat removal system，PRS）共用一个换热水箱。由于PCS 和PRS 都是用于应对超设计基准事故的措施，换热水箱在系统备用期间基本处于静置状态。长期静置会导致水箱中出现微生物滋生、空气中盐分溶解[5]和水蒸发现象，从而使得水箱中水的钠离子、氯离子、氟离子和硫酸盐等杂质含量逐渐增加，造成换热水箱中设备和管道结垢腐蚀[6]，进而致使设备换热能力下降或设备损坏，最终导致PCS 和PRS 失效。

由于长期静置换热水箱的水质管理在核电厂及类似工业生产过程中的应用属于创新性的工艺[7-8]，国内外核电同行相关的研究及实验报告较少，对长期静置换热水箱的水质[9-11]变化状况和管理措施的研究成为长期静置换热水箱工艺设计迫切需要解决的问题。

1 研究方法

为了研究PCS 水箱长期静置后的水质变化状况，并提供有效的水质管理措施，根据“华龙一号”PCS 水箱设计了水箱实验体，开展长期静置水质研究及水质管理研究实验。通过定期取样分析水中的离子含量、电导率以及pH 值等参数，确定水质管理措施。

1.1 研究装置

如图1 所示，水箱实验体上设有U 形管，U 形管的尺寸采用与工程设计相同的设计参数，即U 形管位于外部的竖直部分，采用直径600 mm的不锈钢管，其上覆盖防风防雨盖板。水箱本体和U 形管之间用直径60 mm 的不锈钢管连通，不锈钢接管连接处设置孔板（孔板上设置3 个3 mm直径的小孔），模拟工程上U 型水封与水箱本体的连通，这样的设置保证U 形管与空气的接触，接触面积与工程设计近似。以上设置都尽可能地模拟和体现外部环境对水质的影响。

图1 实验水箱结构示意

U 形管及其上覆盖防风防雨盖，外部覆盖并包裹细丝密网，以减少飞虫、树叶、爬虫进入等外部环境对水体的影响。立方体水箱上部操作口设置硅胶密封，以保证立方体水箱模拟工程设计的近似度。

1.2 研究内容

2 台水箱实验体放置于“华龙一号”核电站附近，以保证与“华龙一号”PCS 水箱外部环境一致。2 台水箱实验体首次充水后进行定期取样，2#水箱不加药，用于长期静置水质研究，同时作为1#加药水箱的对照组；1#水箱进行加药（H2O2）实验，维持水箱内H2O2质量分数在50±20×10-6，用于水质管理研究。

2 PCS 水箱长期静置水质研究

对2#水箱U 型管和水箱本体中水进行定期取样检测，并对检测结果进行具体分析。

2.1 2#实验水箱水中部分离子质量分数变化趋势分析

实验检测了2#实验水箱U 型管水中及水箱本体水中的钠、氯、氟、硫酸根离子的质量分数，变化趋势如图2 所示。

图2 2#实验水箱水中部分离子质量分数变化情况

从图2 可以看出，水箱U 型管中水的钠、氯、氟、硫酸根离子质量分数与水箱本体中水的各离子质量分数初期近似，随着静置时间的增加，U 型管中水的离子质量分数逐渐高于水箱本体水中的。这是由于水箱U 型管与大气连通，且沿海地区空气中钠、氯、氟、硫化物含量较高，导致水箱U 型管中水的钠、氯、氟、硫酸根离子质量分数随时间分别提升965%、624%、80%、1 325%。

水箱本体中水的各离子质量分数均远远小于水箱U 型管，钠、氯、氟、硫酸根离子质量分数分别提升121%、64%、12%、202%。这是由于水箱U 型管水中的各离子质量分数增加后从孔板中扩散至水箱本体水中，导致水箱本体水中硫酸盐质量分数略有增加。说明U 型管与水箱本体之间的孔板起到了良好的隔离作用，降低了空气中离子对水箱内水质的影响。

2.2 2#实验水箱中水的电导率变化趋势分析

电导率是用来描述物质中电荷流动难易程度的参数，可以反映出水中离子总质量分数的变化。图3 为实验水箱U 型管和水箱本体中水的电导率变化趋势。

图3 2#实验水箱中水的电导率变化情况

从图3 中可以看出水箱U 型管中水的电导率与水箱本体中水的电导率初期近似，随着静置时间的增加，U 型管中水的电导率逐渐高于水箱本体，这与水箱中离子质量分数变化趋势一致。同样说明U 型管内离子质量分数高于水箱本体的离子质量分数，也能表明U 型管与水箱之间的孔板起到了良好的隔离作用。

2.3 2#实验水箱中水的pH 值变化趋势分析

pH 值表示的是水溶液的酸碱性强弱程度，pH 值过低可能会导致设备腐蚀，同时pH 值也可以侧面反映空气中杂质（硫化物、氮氧化物、CO2）对水质的影响。图4 为25 ℃时实验水箱U 型管和水箱本体中水的pH 值变化趋势。

图4 2#实验水箱中水的pH 值变化情况

从图4 中可以看出，实验水箱U 型管和水箱本体中水的pH 值整体变化不大且pH 值近似。说明海边空气含盐量虽高，但基本不会影响静置水箱中水的pH 值。

2.4 2#实验水箱中水浊度变化趋势分析

浊度是指溶液对光线通过时所产生的阻碍程度，体现了溶液的浑浊程度，浊度单位为NTU，表明仪器在与入射光成90°角的方向上测量到的散射光强度。图5 为实验水箱U 型管和水箱本体中水的浊度变化趋势。从图5 中可以看出，水箱U 型管中水的浊度与水箱本体水中的初期近似，随着静置时间的增加，U 型管中水的浊度略高于水箱本体，但总体来看浊度的数值变化不大。这是由于U 形管及其上覆盖的防风防雨盖和外部包裹的细丝密网阻挡了大部分外界的尘土和杂物，保证了水箱内的水质。而水箱U 型管中水的浊度大于水箱本体中水的浊度表明了U 型管与水箱之间的孔板起到了良好的隔离作用。

图5 2#实验水箱中水的浊度变化情况

3 PCS 水箱水质管理研究

对1#水箱U 型管和水箱本体进行定期取样检测，并与2#水箱水质进行对比。

3.1 PCS 水箱水中部分离子质量分数变化趋势分析

实验分别检测了2 个实验水箱U 型管和水箱本体中水的钠、氯、氟、硫酸根离子的质量分数。

从图6 中可以看出2 个实验水箱U 型管中水的钠、氯、氟、硫酸根离子质量分数与水箱本体中水的离子质量分数初期近似，随着静置时间的增加，离子质量分数增加幅度为：2#水箱U 型管＞1#水箱U 型管＞1#水箱本体＞2#水箱本体。这是由于U 型管与大气连通，空气中的离子溶于水中导致U 型管水中离子质量分数较高。

图6 2 个实验水箱水中部分离子质量分数变化情况

水箱本体水中离子质量分数低于U 型管，说明U 型管与水箱本体之间的孔板起到了良好的隔离作用，降低了空气中离子对水箱本体水质的影响。

1#水箱U 型管中水的钠、氯、氟、硫酸根离子质量分数增加幅度小于2#水箱U 型管，分别为229%、134%、31%和900%，说明加药后可以抑制U 型管内水中离子质量分数的增加，加药效果显著。而1#水箱本体中水的离子质量分数增加幅度大于2#水箱本体，分别为176%、82%、25%和641%，是由于1#水箱加药时需开启1#水箱本体加药口，1#水箱本体与空气接触，从而导致1#水箱本体水中的离子质量分数增加。

3.2 PCS 水箱中水的电导率变化趋势分析

图7为2 个实验水箱的U 型管和水箱本体中水的电导率变化趋势。

图7 2 个实验水箱中水的电导率变化情况

从图7 中可以看出电导率变化趋势与离子质量分数的变化趋势近似。同样说明U 型管与水箱之间的孔板起到了良好的隔离作用，也能表明加药可以抑制离子含量的增加。

3.3 PCS 水箱中水的pH 值变化趋势分析

图8为25 ℃时2 个实验水箱U 型管和水箱本体中水的pH 值变化趋势。从图8 中可以看出，2 个水箱U 型管和水箱本体中水的pH 值数据整体变化不大，2#水箱U 型管及水箱本体中水的pH 值略高于1#水箱U 型管，1#水箱本体pH 值最低。这是由于H2O2为弱酸，加入1#水箱后导致1#水箱本体中水的pH 值降低，而1#水箱U 型管与水箱之间孔板的隔离作用导致了1#水箱U 型管中水的pH 值略高于1#水箱本体。

图8 2 个实验水箱中水的pH 值变化情况

3.4 PCS 水箱中水的浊度变化趋势分析

图9为2 个实验水箱U 型管和水箱本体中水的浊度变化趋势。从图9 中可以看出浊度大小顺序为：2#水箱U 型管＞1#水箱U 型管＞1#水箱本体＞2#水箱本体，且水箱U 型管中水的浊度随时间增加而增加，而水箱本体内水的浊度略有增加但变化不大。这是由于U 型管与大气连通，导致空气中颗粒物和杂质进入U 型管内，但总体来说浊度的数值变化不大，这是由于U 形管及其上覆盖的防风防雨帽和外部包裹的细丝密网阻挡了大部分外界的尘土和杂物，保证了水箱内的水质。而水箱U 型管水的浊度大于水箱本体水的浊度表明了U 型管与水箱之间的孔板起到了良好的隔离作用。

图9 2 个实验水箱中水的浊度变化情况

4 结论

PCS 水箱长期静置后会受到空气中离子的影响，未加药的水箱U 型管内水的钠、氯、氟、硫酸根离子质量分数随时间分别提升965%、624%、80%、1 325%，未加药水箱本体内水中硫酸盐的质量分数均远远小于水箱U 型管，钠、氯、氟、硫酸根离子质量分数分别提升121%、64%、12%、202%；而加药后的水箱U 型管中水的钠、氯、氟、硫酸根离子质量分数增加幅度小于未加药水箱U 型管，分别为229%、134%、31%和900%，说明加药可以抑制U 型管内水中离子质量分数的增加，效果显著。水箱设置的U 型管水封（孔板）能起到良好的隔离作用，降低空气中离子对水箱内水质的影响，保证了水箱本体的水质。通过添加双氧水，能有效抑制水箱中钠、氯和硫酸根离子含量的增加。

本文针对“华龙一号”PCS 换热水箱的水质变化过程开展模拟实验研究，得到了PCS 水箱长期静置后的水质变化参数，并提供有效的水质管理措施，对国内外核电站中长期静置水箱的运行管理提供了理论支持。