Vol. 40 No. 6
Dec. 2020
第40卷第6期
2020年］2月
核科学与工程Nuclear Science and Engineering 压水堆一回路应用富集硼酸
对堆芯CIPS 影响的研究
杨建锋，秦慧敏，刘婵云*
（上海核工程研究设计院有限公司，上海200233）
摘要：反应堆冷却剂系统（RCS ）内的腐蚀积垢物（又称污垢）在燃料棒表面沉积导致轴向功率峰值
向堆芯入口处偏移（堆芯CIPS 现象）会影响核电厂运行，它可能导致反应堆降功率时反应堆轴向功 率分布控制困难、临界工况评估出现偏差等问题。在压水堆核电厂一回路中采用富集硼酸替代天然硼
酸可以降低冷却剂中的硼酸浓度，有利于控制冷却剂pH 与降低锂浓度，改善水化学环境与降低材料 腐蚀。本文研究压水堆一回路应用采用富集硼酸替代天然硼酸对堆芯CIPS 现象的改善作用，参考美
国核电厂运行研究所（INPO ）发布的CIPS 风险评价准则，通过堆芯硼酸沉积量评估堆芯CIPS 风险 程度。文章以CAP1000的前三循环为例，采用BOA 程序研究不同丰度下、堆芯不同时刻的硼酸
沉积质量变化规律。结果表明：采用富集硼酸替代天然硼酸可以降低冷却剂中硼酸浓度，硼酸沉积质
量因此大幅减少。相对于采用天然丰度硼酸，CAP1000采用40.0%丰度硼酸后堆芯最大沉积硼 酸质量降低约80%, CIPS 风险等级将由中高风险降为低风险。因此，在压水堆核电厂一回路冷却剂 中采用富集的硼酸对堆芯CIPS 现象有良好的抑制效果，有助于提升堆芯运行性能。
关键词：压水堆；富集硼；CIPS 中图分类号：TL364. 4
文章标志码：A 文章编号：0258-0918 （2020） 06-0932-05
Rearch on the CIPS Effection of Using Enriched 10B
Boron Acid in PWR Primary Coolant System
YANG Jianfeng, QIN Huimin, LIU Chanyun*
（Shanghai Nuclear Engineering Rearch & Design Institute Co. , Ltd. , Shanghai. 200233, China ）
Abstract : The deposition of corrosion crud on the fuel rod surface can cau the axial
power peak to shift to the core inlet , that is, Crud Induced Power Shift phenomenon
（CIPS ） . This will affect the nuclear power plant operation ・ It may bring difficulty to control the axial power distribution when the reactor power is reduced or it may cau
extra deviation in the evaluation of critical conditions. The u of enriched boric acid in-收稿日期：2020-05-28
作者简介：杨建锋（1986—），男，浙江绍兴人，工程师，博士研究生，现从事反应堆热工水力设计与安全分析研究工作 通讯作者：刘婵云：liucy@ snerdi. com. cn
932
stead of natural boric acid in the primary circuit of the PWR nuclear power plant can reduce the concentration of boric acid in the coolant,which is beneficial to control the pH value of the coolant an
d reduce the lithium concentration,improve the water chemical environment and reduce material corrosion.This paper studies the influence on CIPS phenomenon by using enriched boric acid instead of natural boric acid in the primary loop of pressurized water reactors.With reference to the CIPS risk asssment criteria issued by the Institute of Nuclear Power Plant Operations(INPO),the CIPS risk level of the core is evaluated by the amount of boric acid deposited on the fuel rod surface.Taking the first three cycles of CAP1000as an example,the BOA program is ud to study the changes of boric acid deposition quality at different10B abundances and at different times in the core.The results show that the u of enriched boric acid can reduce the concentration of boric acid in the coolant,and the quality of boric acid deposition is therefore greatly reduced.Compared with the u of natural abundance boric acid, the maximum core deposited boric acid quality is reduced by about80%with the u of 40.0%10B abundance boric acid,and the CIPS risk level will be reduced from medium high risk to low risk.Therefore,the u of10B enriched boric acid in the primary loop coolant of the PWR has a good inhibition effect on the CIPS phenomenon and is helpful to improve the core operating performance.
Keywords：PWR；Enriched10B；CIPS
在压水堆中，液体“B控制毒物硼酸作为化学控制手段，与控制棒一起组成反应性控制系统，分别用于
控制慢的和快的反应性变化。天然丰度的硼酸中“B含量仅占19.9%左右（原子分数），其余都是中子吸收能力很弱的"B。在压水堆核电厂一回路冷却剂/慢化剂中采用富集|°B的硼酸，可以提高化学控制手段的反应性控制能力，从而降低堆芯运行硼酸浓度要求，特别是寿期初硼酸浓度。硼酸浓度的降低有利于提高燃料循环寿期初一回路冷却剂/慢化剂的pH（或者降低锂浓度），从而有利于降低燃料包壳的腐蚀、降低应力腐蚀引起的蒸汽发生器管束破裂风险，对改善系统和设备的腐蚀都有一定的好处。硼酸浓度的降低还有利于改善冷却剂的工作环境，减少结晶和沉淀；减少化学试剂添加量、减轻净化处理的工作负荷，延长一回路中新鲜硼酸的替换周期。根据公开文献报道，富集"B硼酸的优势，主要通过两个方面表现出来：一是"B增加，二是硼酸浓度降低。其优势总结如表心所示。
表1富集"B硼酸替代天然丰度硼酸的优势
Tablel Advantages of enrich10B boric acid
substituting for natural boric acid
浓度增加带来的好处减少硼酸整体用量带来的好处可以增强反应性控制能力
相对稳定的冷却剂pH运行
环境
可以使用含有高丰度獅U
的燃料
降低材料腐蚀，减少化学试
剂添加量
可以增加使用混合氧化物
（M0X）燃料
淡水和软化水的需求量减少可以增加燃耗和循环周期降低硼酸结晶和沉淀风险
可以减少燃料费用、废液
储存和处理费用
减少铁镰活化物及引起的金妍儿冬奥会
辐射
硼酸浓度的降低理论上可以减少硼沉积，在公开文献中虽然定性提到了富集"B 硼酸由于浓度降低可以减少硼酸结晶和沉淀的风险，但未见详细计算，更未见对此针对性地开展堆芯CIPS风险评价。因此，本文将以CAP1000为研究对象，在富集"B 硼酸（40%原子分数）对核设计堆芯功率分布影响的基础上，采用BOA程序进行堆芯CIPS风险评价。
933
1CIPS风险
CIPS（Crud Induced Power Shift），又称AOA（Axial Offt Anomaly）?是指反应堆冷却剂系统（RCS）内的腐蚀积垢物（又称污垢）在燃料棒表面沉积而导致轴向功率峰值向堆芯入口处偏移的现象。
在反应堆运行时，RCS系统管道上的腐蚀产物（鎳、铁等）将会释放到冷却剂中，并在发生过冷泡核沸腾的高热流密度燃料组件上部沉积并形成污垢。硼会在污垢的孔状间隙内聚集，到一定程度时，就会沉淀到污垢上，这将会导致燃料组件上部功率降低，由此功率峰值将向下部移动，即出现CIPS现象。CIPS 现象并不直接与反应堆安全分析的准则相关，但它会影响核电厂的运行。女口：CIPS现象出现将导致在反应堆降功率时反应堆轴向功率分布控制更加困难、停堆裕量减小、临界工况评价出现偏差等。基于以上原因，美国核电厂运行研究所（INPO）发布了TNPO07-004达到卓越燃料性能导则
”。在该导则中要求所有用户在每一循环的换料过程中都必须对污垢导致的风险进行评价。CIPS风险评价准则与堆芯内燃料组件数目有关，以最大堆芯沉积硼酸质量作为指标，如表2所示⑺。
表2堆芯CIPS风险评价准则
Table2Rule of risk asssment for CIPS
堆芯燃料组件数目
低风险/
(1bm/kg)
中等风险/
(1bm/kg)
严重风险/
(1bm/kg)
1210.19/0.090.63/0.29 1.25/0.57
1570.24/0.110.81/0.37 1.63/0.74
1770.28/0.130.92/0.42 1.83/0.83
1930.30/0.14 1.00/0.45 2.00/0.91
2410.37/0.17 1.25/0.57 2.50/1.13 2CIPS评价方法
cips现象是由于发生过冷泡核沸腾的通道内燃料组件上部杂质沉积物内聚集硼酸而引起的。杂质沉积物中主要是从蒸汽发生器和堆芯其他外表面释放进入冷却剂的镰和铁等腐蚀产物。从第二循环开始，上一循环中沉积在燃料棒上的杂质沉积物也将释放到冷却剂中。
CIPS分析过程主要包括三个步骤。首先，使用三维核设计程序预计堆芯功率分布；其次，将堆芯功率分布作为输入条件提供给热工水力子通道程序，以计算堆芯内燃料棒光滑表面的过冷泡核沸腾率和局部的热工水力参数；最后，使用BOA程序以评价污垢最大厚度、污垢最大质量以及最大堆芯沉积硼酸质量。核设计、子通道及BOA程序分析流程，如图1所示。
图1CIPS风险评价流程图
Fig.1Schematic of CIPS riskasssment
CAP1000核电厂是两环路非能动压水堆核电厂，共装载157个燃料组件，活性段高度为4267.2mm，堆芯热功率为3400MW。本文的核设计分析采用基本负荷运行模型、子通道分析基于与核设计程序一致的1/4个对称堆芯模型、水化学程序中采用冷却剂未注锌模型。根据工程经验，在新电厂或核电厂实施较大变化后的前三个燃料循环中，蒸汽发生器U型管上的杂质释放率变化很大（呈指数变化），堆芯CIPS的风险上升很快，从第四燃料循环开始，U型管上的杂质的释放率趋于稳定，风险亦趋于平稳。因此，本文将针对CAP1000压水堆核电厂的第一循环至第三循环进行分析。
934
3结果与讨论
3・1名义硼浓度和临界硼浓度
根据分析结果可知，不考虑堆芯燃料管理方案或者装载燃料形式的变更，采用富集硼酸后不会改变堆芯的反应性控制要求，不会对堆芯燃耗与功率分布、慢化剂温度系数、燃料温度系数、多普勒功率系数、控制棒控制能力、堆芯动态参数等产生影响。但由于丰度提高使得硼微分价值增大，堆芯临界硼浓度将发生相应变化，结果如图2和图3所示。
1
、鏗
書
---第一循环，10b=19.9%
—
—
第一循环，10b=40.0%
—
—第二循环，10b=19.9%
—
—第二循环，10b-40.0%
…
…第三循环，10b=19.9%
—
—第三循环，10b-40.0%
图2临界硼浓度
Fig.2Critical concentration o£boric acid
H G F E D C B A
0.676 1.119 1.150 1.337 1.199 1.250 1.1540.386
0.676 1.119 1.150 1.337 1.199 1.250 1.1540.386
0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%
1.119 1.201 1.283 1.187 1.304 1.282 1.1260.320
1.119 1.201 1.283 1.187 1.304 1.282 1.1260.320
0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%
1.150 1.286 1.019 1.227 1.273 1.2520.636
1.150 1.286 1.019 1.227 1.273 1.2520.636
0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%
1.337 1.188 1.227 1.088 1.147 1.0140.327
1.337 1.188 1.227 1.088 1.147 1.0140.327
0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%
savanna
1.199 1.306 1.273 1.1480.7070.348
1.199 1.306 1.273 1.1480.7070.348
0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%
1.250 1.285 1.254 1.0140.348
1.250 1.285 1.254 1.0140.348
0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%
1.154 1.1290.6370.328
1.154 1.1290.6370.328
0.0%0.0%0.0%0.0%
0.3860.321—19.9%方案
0.3860.321TO.O%方案
0.0%0.0%—差值
图3堆芯功率分布比较
Fig.3Core power distribution comparison
always什么意思3.2CIPS风险评价
针对CAP1000压水堆核电厂的第一循环至
第三循环进行CIPS风险分析，图4给出了堆内
沉积污垢中的硼酸质量随循环时间的变化。由
图可知，堆芯内沉积的硼酸质量随循环时间先
增加后下降，在循环中期达到最大值。前三个
循环中，第三循环的沉积硼酸质量显著高于其
他两个循环，第一循环的沉积硼酸质量最低。
°-°
--第一循环.10b=19.9%.未注锌
---第一循环.10b=40.0%.未注锌
一第二循环.10b=19.9%.未注锌
一•第二循环.心=40.0%.未注锌
••…第三循环.10b=19.9%.未注锌
—第三循环.10b=40.0%.未注锌
-----CIPS低风险
—CIPS中等风险
^~CIPS高风险
0100200300400500600
lufe
循环时间/EFPD
0.000
图4堆芯内沉积的硼酸质量随循环时间的变化
Fig.4Deposit boric le time
图5给出了堆芯最大沉积硼质量与堆芯冷
却剂中的丰度之间的关系。从图5中可
知：随着堆芯冷却剂中的丰度增加（对应
名义硼浓度减小），堆芯最大沉积硼酸质量均
呈现指数下降趋势。在同一循环，采用丰
度40%的富集硼酸的堆芯最大沉积硼酸质量
可比采用丰度19.9%的天然硼酸的减小约
80%；考虑丰度后，积垢中质量可降
低超过65%，因此，CIPS风险显著降低。
0.5000
0.4500
0.4000
0.3500
0.3000
0.2500
0.2000
0.1500
0.1000
0.0500
0.0000
□第一循环
△第二循环
X第三循环
plank
A
X
A
-B---------------&善
10.0%20.0%30.0%40.0%50.0%60.0%70.0%
丰度
图5堆芯最大沉积硼质量随硼富集度的变化
Fig.5The max deposit boric
mass vs.10B enrichment
935
CAP1000核电厂前三循环不同燃料组件 腐蚀积垢物的最大厚度、腐蚀积垢物的最大质 量、堆芯最大
硼酸质量，如表3所示。
(1)对于"B 为天然丰度(19.9%)的情
况，在不实施注锌的工况下，前三循环最大堆
芯沉积硼质量为0. 460 4 kg (1. 015 lbm)，出 现在第三循环，高于CIPS 中等风险限值。
表3
CIPS 风险评价结果汇总
(2)对于"B 为富集硼丰度(40.0%)的
情况，在不实施注锌的工况下，前三循环最大 堆芯沉积硼质量为0. 074 4 kg (0. 164 lbm),
出现在第三循环，以"B 质量换算为天然硼酸
质量后约为0.152 4 kg，接近CIPS 低风险限
值，极大降低了 CIPS 风险。
afflictTable 3 Results of CIPS risk evaluation
循环
污垢最大厚度污垢最大质量堆芯最大硼酸质量
\
voa新闻mils m lbm kg
lbm kg
19. 90%
1
0. 924
2. 347X10 — 5
3. 733
1. 6930. 0040. 001 8\mils m lbm kg
lbm
kg
2 1. 500
3. 810X10-5
8.186 3. 7130. 7670. 347 93
1.634 4. 15OX1O -5
& 466
3. 840
1. 015
0. 460 4
40. 00%
1
0. 615
1. 562X10-5
2. 1040. 95400
2 1.185 3. 010X10-5
5. 365 2.4340. 1130. 051 33
1. 261 3. 203X10-5 4. 702
2. 133
建筑安全技术与管理0. 164
0. 074 4
4结论
本文通过对压水堆一回路应用富集硼酸后
堆芯CIPS 风险评估研究发现：
(1) 堆内积垢硼酸质量与堆芯临界硼浓度 密切相关，采用富集硼酸可在不会改变堆芯的
燃耗与功率分布、浓度保持不变的情况下,
由于"B 丰度提高从而降低冷却剂中硼酸浓
度，从而有效降低堆芯沉积硼酸质量。
(2) 应用富集硼酸(40.0%)与天然硼酸
(19.9%)相比，最大堆芯沉积硼酸质量可降 低超过80%左右，堆芯CIPS 风险等级显著降
低，因此，在压水堆核电厂一回路冷却剂中采
用富集“B 的硼酸后，有助于降低堆芯发生 CIPS 现象的风险，改善腐蚀积垢物在燃料棒 表面沉积而导致轴向功率峰值向堆芯入口处
偏移。
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