CN1313992A

CN1313992A - 控制锌加入核能反应堆的方法

Info

Publication number: CN1313992A
Application number: CN99801735A
Authority: CN
Inventors: W·J·马布尔
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2001-09-19
Also published as: JP2002542458A; BG104498A; KR20010108008A; EP1149388A1; CZ20011865A3; HUP0104253A2; CA2353724A1; BR9914624A; WO2001027933A1

Abstract

本发明提供一种控制向核能反应堆中引入的锌从而控制辐射形成的方法。其中,锌离子被引入到反应堆的水中以减少在反应堆系统中锌的损失。在该方法中,锌离子引入到反应堆水中的速率要与锌离子在反应堆中损失的速率相平衡。

Description

控制锌加入核能反应堆的方法

本申请涉及的是在核能反应堆中减少辐射的形成。更确切地说，本发明提供一种控制反应堆水中锌浓度的方法，以便减少反应堆系统的水中损失的锌。

发明背景

在水冷核反应堆中一个主要的问题是：在反应堆系统的结构部件上有放射性物质的积聚。例如，在反应堆关闭期间，工人们处于由内壁和管路表面放射的辐射当中，残留在氧化物薄膜中的放射性材料在这些表面上积聚是主要的放射源。

包括沸水反应器在内的核能反应堆的再循环管中形成的放射性钴(⁶⁰Co)是主要的放射源，尤其是在反应堆关闭期间。为了找到限制⁶⁰Co形成的方法，近年来已进行了各种尝试来确定影响⁶⁰Co形成速率和大小的参数。现有的工作已证明在再循环管中形成的大部分⁶⁰Co是在不锈钢表面形成氧化物薄膜期间⁶⁰Co进入氧化物薄膜而产生的。

US4950449描述了使用锌离子来去除或减少放射性物质的沉积并且减少水冷核反应堆中颗粒间的应力腐蚀开裂。锌可以氧化锌糊，浆料或含水溶液的形式加入。

US4756874描述了使用具有低含量的同位素⁶⁴Zn的锌，为了在不增加⁶⁴Zn的活化产物⁶⁵Zn存在的情况下，减少放射性钴的积聚。在此情况下锌可以锌盐或氧化锌的形式加到反应堆的水中。

US4759900涉及的是通过将氧化锌连续注射到反应堆水中的方式来抑制放射性钴的沉积。氧化锌可以制成糊，浆料或含水溶液的形式。

现在人们需要对锌加到核能反应堆的控制以及监控进行改进以便更好的控制反应堆中放射性材料的形成。本发明已寻找到一令人满意的方法。

发明概述

本发明现已发现，在核能反应堆中形成的辐射可通过在反应堆的水中建立一稳定的锌离子浓度的方式来加以控制。这使得整个机构达到并且保持一稳定的平衡状态。

根据一个方面，本发明提供一种控制加入到核能反应堆中的锌，从而控制辐射形成的方法，其中锌离子被引入到反应堆的水中，该方法包括使向反应堆的水中加入锌离子的速率，与其在反应堆系统中损失的速率相平衡。

图面说明

本发明将参考下面的附图作详细描述：

图1是用于锌质量平衡的沸水反应堆流程简图；

图2表示的是锌浓度系数(CF)的经验公式与工厂实际数据之间的比较图。

发明详述

本发明基本的锌加入方法是：在反应堆的水中建立并保持一稳定的锌离子浓度，从而使得整个机构适合于控制辐射的形成，以达到并保持一平衡状态。根据本发明，现已测得锌离子浓度越高，减少⁶⁰Co生成的结果就越好。为了实现这一平衡状态，就必须使锌损失的过程与锌加入的过程相平衡，以便使防止辐射形成的方法保持稳定。通过使用工厂的运行数据来测定经验系数，以形成并改进该锌材料的平衡。

基本的质量平衡公式是：

输入的锌=输出的锌+积聚的锌 (1)

(a)输入的锌

输入到反应堆中的锌量是在最终加入的水中可溶性和不溶性锌浓度的总和乘以最终加入水的流速：

输入的锌=F×(Zn_Fs+Zn_F1) (2)

其中：

F=加入水的流速(M#/hr)

Zn_Fs=在加入水中的可溶性锌浓度(ppb)

Zn_F1=在加入水中的不溶性锌浓度(ppb)

(b) 输出的锌

离开反应堆的锌量是由通过反应堆水清洗(RWCU)系统除去的锌和在水流中转移的锌组成的。

输出的锌=R×{(Zn_Rs+Zn_R1)-(Zn_REs+Zn_RE1)}+(S×Zn_S) (3)

其中：

R=反应堆中水的清洗流速(M#/hr)

Zn_Rs=在反应堆水中的可溶性锌浓度(ppb)

Zn_R1=在反应堆水中的不溶性锌浓度(ppb)

Zn_REs=在RWCU废液中可溶性锌浓度(ppb)

Zn_RE1=在RWCU废液中不溶性锌浓度(ppb)

S=蒸汽流速(M#/hr)

Zn_S=在蒸汽中的总锌浓度(ppb)

通常转移到蒸汽中的可溶性物质的可接受系数为10^-3或更小。对于整个平衡来说，在蒸汽中损失的锌量是不重要的。

(c)积聚的锌

积聚被定义为：与随加入水进入的铁微粒结合的锌(大多数锌沉积在燃料包盖上)，沸腾过程导致的在燃料包盖表面上沉积的锌，和在主要的系统表面上形成的氧化物薄膜中结合的锌的和。该公式如下：

积聚的锌=(微粒中的锌)+(沸腾沉积的锌)+(在腐蚀薄膜中结合的锌) (4)

需要将上述公式分成几个部分，以评价每部分的关键因素。首先，对微粒中结合的锌进行评估：

微粒中的锌=F×(Fe_Fs+Fe_F1)×(a×Zn_Rs) (5)

其中：

Fe_Fs=在加入水中的可溶性铁浓度(ppb)

Fe_F1=在加入水中的不溶性铁浓度(ppb)

a=锌的结合系数(锌的#Zn/#Fe/ppb)

Zn_Rs=在反应堆水中的可溶性锌浓度(ppb)

S=蒸汽的流速(M#/hr)

Zn_S=在蒸汽中的总锌浓度(ppb)

其次，对沸腾沉积进行评估：

沸腾沉积的锌=F×(b×Zn_Rs) (6)

其中：

b=锌的沸腾沉积系数(锌的#Zn/#H₂O/ppb)

第三，将锌结合到在系统表面上的腐蚀薄膜中是及其复杂的，并公式化为：

腐蚀薄膜中结合的锌=(c×Zn_Rs)×fC_(t)dt(7)

其中：

c=锌的腐蚀结合系数(锌的#Zn/#氧化物/ppb)

C_(t)=作为时间的函数的氧化物形成速率(#氧化物/hr)

t=时间(hr)

对于每种结合锌的材料(也就是：不锈钢，因钢，钨铬钴合金等)“c”值一定是不同的。每种材料的腐蚀是自然对数，但是具有不同的值，并且随环境变化(例如：NWC对HWC)。所以当表面不同时，测定这部分锌的消耗量是及其困难的。可是，在锌加入的头几个月之后，与其它的情况相比这种消耗的作用是微乎其微的，并且可被忽略。

通常锌离子是以一定速率引入的，从而产生大约10亿分之1份(ppb)至100ppb的锌离子浓度。典型地，锌离子浓度是在约1ppb～约50ppb。

通过使用氧化锌源引入锌。例如：可将氧化锌含水悬浮液加入到反应堆的水中。另外，可使用一支流溶解在烧结的氧化物颗粒床层中的锌离子。在稳定操作期间，锌可通过RWCU以及通过吸收到随加入的水进入反应堆水中的铁微粒的方式从反应堆的水中去除。

反应堆中水的温度一般为120～550°F(BWR),120～650°F(PWR)的范围内。通常该温度是在212～350°F的范围内。更通常是在约340°～360°F的范围内。

下一步是测定在反应堆的水中需要多少锌以保持任何给定的浓度。从上述形成的锌平衡的方法，建立的经验公式用来评估在反应堆的水和加入水之间，锌的浓度系数。该公式表述为：

CF=1/{(0.9^*RWCU)+(0.02^*Fe_FW)+(0.008)}(8)

其中：

CF=浓度系数(RxWZn/FWZn)

RWCU=反应堆水清洗系统的尺寸(％FW流)

Fe_FW=在加入水中的总铁浓度(ppb)

在上述公式(8)中，0.9代表通过反应堆水清洗系统去除的效率，0.02代表被加入水中的铁吸收的锌量，即反应堆的水中每ppb的锌量(公式5中的“a”)，以及0.008代表锌的沸腾沉积系数(公式6中的“b”)。

锌的消耗量速率公式表述为：

Zn#/yr={(Zn_R ^*0.9^*RWCU)+Zn_R ^*0.02(^*Fe_FW)+(Zn_R ^*0.008)}^*FW^*(1E-9)^*24^*365

其中：

Zn_R=目标(Target)反应堆水的锌浓度(ppb)

FW=加入水的流速(lbs/hr)

上述公式得到每年所需要的锌的磅数。为了获得所需要的总氧化锌的磅数，结果还必须除以0.8。

图1是根据本发明形成的锌质量平衡的沸水反应堆流程简图。积聚的锌包括在非燃料表面(2)上结合的锌，通过沸腾(4)在燃料表面上沉积的锌，以及在铁微粒(6)上结合的锌。锌是随着加入到反应堆中的水流加入到反应堆(8)中的。锌从反应堆项部(12)通过蒸汽转移到涡轮机(14)中从而离开反应堆，以及通过反应堆水清洗(RWCU)系统(16)离开反应堆。

图2表示的是，经验浓度系数(CF)公式图。黑色的方块是实际工厂数据，而黑色的长方块是从公式中得到的。从图2中可以看出，在两套数据之间存在着良好的配合关系。

实施例

下面将根据实施例对本发明进行描述。

假定在一个特定的工厂中，其加入水中平均含有1.5ppb的总铁量，希望的锌浓度系数约为20。在目标反应堆水中锌的浓度为10ppb，所需加入水中的锌浓度为0.5ppb。当用供水流量为10million lbs/hr的1％的清洗系统时，用公式计算出需要41.2lbs/yr的锌(假定全年满功率操作)，或51.5lbs/yr(23.4kg/yr)的氧化锌。

本发明在这里所描述的实施方案，被认为是最有实际意义的和最优选的实施方案，可理解本发明不限于上述披露的实施方案，相反它可覆盖各种改进以及等价的设置，这些均包括在所属权利要求的精神和范围内。

Claims

1、一种控制加入到核能反应堆中的锌以控制辐射形成的方法，其中锌离子引入到反应堆的水中，该方法包括使向反应堆水中加入锌离子的速率与锌离子在反应堆系统中损失的速率相平衡。

2、根据权利要求1的方法，其中加入锌离子从而产生约1ppb～100ppb的锌离子浓度。

3、根据权利要求2的方法，其中锌离子浓度约1ppb～50ppb。

4、根据权利要求1的方法，其中可根据下面的公式引入锌离子：

输入的锌=输出的锌+积聚的锌

其中输入的锌是进入反应堆水中的锌量，输出的锌是在系统过程中损失的量，积聚的锌是与铁微粒结合的锌，由沸腾导致的在燃料包盖表面上沉积的锌，以及在反应堆及其部件表面上形成的氧化薄膜中引入的锌的和，上述铁微粒是随加入水引入的。

5、根据权利要求4的方法，其中输入的锌由下述公式定义：

输入的锌=F×(Zn_Fs+Zn_F1)

其中：

F=加入水的流速(M#/hr)

Zn_Fs=在加入水中的可溶性锌浓度(ppb)

Zn_F1=在加入水中的不溶性锌浓度(ppb)。

6、根据权利要求5的方法，其中输出的锌由下述公式定义：

输出的锌=R×{(Zn_Rs+Zn_R1)-(Zn_REs+Zn_RE1)}+(S×Zn_S) (3)

其中：

R=反应堆中水的清洗流速(M#/hr)

Zn_Rs=在反应堆水中的可溶性锌浓度(ppb)

Zn_R1=在反应堆水中的不溶性锌浓度(ppb)

Zn_REs=在RWCU废液中可溶性锌浓度(ppb)

Zn_RE1=在RWCU废液中不溶性锌浓度(ppb)

S=蒸汽流速(M#hr)

Zn_S=在蒸汽中的总锌浓度(ppb)。

7、根据权利要求6的方法，其中积聚的锌由下述公式定义：

积聚的锌=(微粒中的锌)+(沸腾沉积的锌)+(在腐蚀薄膜中引入的锌) (4)。

8、根据权利要求7的方法，其中微粒中引入的锌由下述公式定义：

微粒中的锌=F×(Fe_Fs+Fe_F1)×(a×Zn_Rs) (5)

其中：

Fe_Fs=在加入水中的可溶性铁浓度(ppb)

Fe_F1=在加入水中的不溶性铁浓度(ppb)

a=锌的结合系数(锌的#Zn/#Fe/ppb)

Zn_Rs=在反应堆水中的可溶性锌浓度(ppb)

S=蒸汽的流速(M#/hr)

Zn_S=在蒸汽中的总锌浓度(ppb)。

9、根据权利要求8的方法，其中沸腾沉积的锌由下述公式定义：

沸腾沉积的锌=F×(b×Zn_Rs) (6)

其中：

b=锌的沸腾沉积系数(锌的#Zn/#H₂O/ppb)。

10、根据权利要求9的方法，其中腐蚀薄膜中结合的锌由下述公式定义：

腐蚀薄膜中结合的锌=(c×Zn_Rs)×fC_(t)dt (7)

其中：

c=锌的腐蚀结合系数(锌的#Zn/#氧化物/ppb)

C_(t)=作为时间函数的氧化物形成速率(#氧化物/hr)

t=时间(hr)。

11、一种评估在核反应堆的反应堆水和加入水之间锌浓度系数的方法，包括使用下述公式：

CF=1/{(0.9^*RWCU)+(0.02^*Fe_FW)+(0.008)} (8)

其中：

CF=浓度系数(RxWZn/FWZn)

RWCU=反应堆水的清洗系统的尺寸(％FW流)

Fe_FW=在加入水中的总铁浓度(ppb)

其中0.9代表通过反应堆水清洗系统去除的效率，0.02代表被加入水中的铁吸收的锌量，即反应堆的水中每ppb的锌量，0.008代表锌的沸腾沉积系数。

12、根据权利要求11的方法，其中锌的消耗量速率由下述公式表示为：

其中：

Zn_R=目标反应堆水的锌浓度(ppb)

FW=加入水的流速(lbs/hr)。

13、根据权利要求12的方法，其中所需ZnO的总磅数是根据权利要求12的公式得到的结果除以0.8获得的。