一种压水堆核电厂氚排放源项计算方法

摘要

本发明涉及压水堆核电厂设计技术，具体涉及一种压水堆核电厂氚排放源项计算方法。该方法通过对产氚各个途径的参数及产氚份额分析，筛选出反应堆主回路中氚产生的三个主要途径：三元裂变产氚、硼活化产氚、锂活化产氚，三个途径产氚量累积起来即为总产氚量。在计算氚排放源项时，液态氚排放源项按总产氚量的100％考虑，气态氚排放源项按总产氚量的10％考虑，计算结果与氚排放源项实测结果吻合较好。

说明书

技术领域

本发明涉及压水堆核电厂设计技术，具体涉及一种压水堆核电厂氚排放 源项计算方法。

背景技术

对于压水堆核电站,反应堆主冷却剂中氚的产生主要有如下途径：

(1)燃料裂变(三元裂变)产生的氚通过燃料包壳扩散或燃料包壳破损处 泄漏进入反应堆主冷却剂中；

(2)可燃毒物棒中的硼与中子反应并扩散到主冷却剂中；

(3)反应堆主冷却剂中的中子与可溶硼的反应；

(4)反应堆主冷却剂中的中子与可溶锂的反应；

(5)二次中子源产氚并扩散到主冷却剂中。

由于氚通过燃料包壳扩散到主冷却剂的扩散机理尚无定论，所以三元裂变 和二次中子源进入主冷却剂的扩散率目前无法精确确定，另一方面，氚通过燃 料包壳的扩散率与温度、压力以及包壳材料有密切关系，所以不同堆型关于氚 源项的计算方法也不尽相同，目前通用的做法是根据氚排放数据的实测值来进 行初步估算氚的燃料包壳扩散率。

M310机组在早期设计中，氚源项设计值按正常运行条件和最为不利情况两 种工况考虑，通过燃料包壳的扩散率分别考虑为1％和2％，在之后采用M5包壳 材料后，根据氚排放量的实测值，两种工况的扩散率分别修改为2％和3％。

关于AP1000氚源项的设计值，最佳估算值考虑燃料包壳扩散率为2％，设计 基准值考虑燃料包壳扩散率为10％。但AP1000在计算排放源项时采用现实源项， 即氚的排放值为0.4Ci/MWt.a(a表示年)，乘以3400MWt的热功率，得到总氚 释放量为50.3TBq/a。

EPR机型在计算氚排放源项时，考虑主冷却剂中氚浓度限值为37GBq/t，液 态氚排放量为主回路废水排放量与氚浓度限值的乘积。

以上是各类机型基于不同的包壳材料、经验数据等因素所得到的氚排放源 项计算方法，针对我国的核电发展现状，结合国家相关法规导则及审管当局的 要求，需要提出一套与之相适应的氚排放源项计算方法，满足核电自主设计和 环境排放的需求。

发明内容

本发明的目的是基于多年的设计经验和核电厂氚排放的实测数据分析， 兼顾国家相关法规导则及审管当局的要求，提供一套满足我国实际情况的氚 排放源项计算方法。

本发明的技术方案如下：一种压水堆核电厂氚排放源项计算方法，包括 以下三个途径的产氚量：

(1)燃料裂变(三元裂变)产生的氚通过燃料包壳扩散或燃料包壳破损 处泄漏进入反应堆主冷却剂中；

(2)反应堆主冷却剂中的中子与可溶硼的反应；

(3)反应堆主冷却剂中的中子与可溶锂的反应；

将上述三个产氚途径的计算结果累加得到总产氚量，在计算氚排放源项 时，液态氚排放源项按总产氚量的100％份额考虑，气态氚排放源项按总产 氚量的10％份额考虑。

进一步，如上所述的压水堆核电厂氚排放源项计算方法，其中，对于第 (1)种途径的产氚量，基于单个平衡换料循环中氚的产生量进行计算，将基 于平衡循环的全堆芯氚产生量乘以氚的扩散率，得到扩散到主冷却剂中的氚 量。

更进一步，所述氚的扩散率在正常工况下为2％，在不利工况下为3％。

进一步，如上所述的压水堆核电厂氚排放源项计算方法，其中，对于第 (2)种途径的产氚量的计算公式为：

上式中：

A(³H)_B：硼活化产生的氚的活度；

k：时间常数；

λ：氚的衰变常数；

V_水：堆芯中受到活化的水体积，考虑到上、下反射层及围板外水层的活化 贡献，近似取V_水≈1.1V_{水(活性区)}；

堆芯区域主冷却剂中¹⁰B的宏观中子反应截面；

堆芯区域主冷却剂中反应¹⁰B(n,2α)T的平均的中子注量率；

f_负：负荷因子。

进一步，如上所述的压水堆核电厂氚排放源项计算方法，其中，对于第 (3)种途径的产氚量的计算公式为：

上式中：

A(³H)_Li：锂活化产生的氚的活度；

k：时间常数；

λ：氚的衰变常数；

V_水：堆芯中受到活化的水体积，考虑到上、下反射层及围板外水层的活化 贡献，近似取V_水≈1.1V_{水(活性区)}；

堆芯区域主冷却剂中⁶Li的宏观中子反应截面；

堆芯区域主冷却剂中反应⁶Li(n，α)³H的平均的中子注量率；

f_负：负荷因子。

更进一步，在计算锂活化产氚时，正常工况下和不利工况下⁶Li的丰度 分别考虑为0.02％和0.04％。

本发明的有益效果如下：

1)通过对产氚各个途径的参数及产氚份额分析，筛选出主要的三个产氚 途径：三元裂变产氚、硼活化产氚、锂活化产氚，三个途径产氚量累积起来 即为总产氚量。在计算氚排放源项时，液态氚排放源项按总产氚量的100％ 考虑，气态氚排放源项按总产氚量的10％考虑，与氚排放实测源项结果吻合 较好。

2)首次提出三元裂变产氚扩散至主冷却剂的部分是基于氚的堆芯产生 量，而不是积累量，计算结果与氚排放源项实测结果吻合较好。

3)根据核电厂氚排放实测数据，对比其他堆型的氚包壳扩散率，本方法 考虑氚以固定的扩散率扩散到主冷却剂中，正常工况下和不利工况下氚通过 包壳的扩散率分别考虑2％和3％。

4)提出锂活化产氚计算时，正常工况下和不利工况下⁶Li的丰度分别考 虑为0.02％和0.04％。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中所涉及的硼锂协调图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明基于多年的设计经验和核电厂氚排放的实测数据分析，兼顾国家相 关法规导则及审管当局的要求，提供一套满足我国实际情况的氚排放源项计算 方法。

本计算方法主要考虑以下三个途径的产氚量：

●燃料裂变(三元裂变)产生的氚通过燃料包壳扩散或燃料包壳破损处泄 漏进入反应堆冷却剂中；

●反应堆冷却剂中的中子与可溶硼的反应；

●反应堆冷却剂中的中子与可溶锂的反应；

将上述三个产氚途径的计算结果累加得到总产氚量，在计算氚排放源项时， 液态氚排放源项按总产氚量的100％份额考虑，气态氚排放源项按总产氚量的10％ 份额考虑。此处的总产氚量指的是主回路中三种途径产氚相加得到的总产氚量， 由总产氚量分别计算得到液态排放和气态排放量，即液态氚排放量为总产氚量， 气态为10％的总产氚量，此算法主要考虑到主回路总产氚量计算值与实测排放值 的实际差异，共考虑排放了110％的总产氚量，由此计算得到的液态、气态排放 量与实测结果比较相符。

三元裂变产氚计算

对于三元裂变产氚，由于氚通过包壳向主冷却剂的扩散是一个持续的过程， 计算基于单个平衡换料循环中氚的产生量进行。扩散到主冷却剂中的氚通过以 下方法得到：基于平衡循环的全堆芯氚产生量，乘以氚的扩散率。目前,氚通 过包壳向主冷却剂的扩散率是基于核电厂氚排放实测值进行倒推的，即根据实 测数据及计算得到的氚在堆芯中的产生量，倒推出产生的氚有多少比例扩散到 主冷却剂中。结合包壳材料的特性，基于固定扩散率，2％和3％的假设与实测结 果吻合较好。因此，假设氚以固定的扩散率扩散到主冷却剂中，正常工况下和 不利工况下氚通过包壳的扩散率分别考虑2％和3％。计算还涉及以下参数：

(1)平衡换料工况下的燃料管理方案，包括堆芯分区和运行时间，比功率；

(2)燃料组件类型及包壳材料、初始富集度、燃耗深度。

硼活化产氚计算

主冷却剂中的溶解硼活化产生的氚是氚的主要来源之一，这部分的产氚量依 赖于主冷却剂中的硼浓度。

硼的活化是逐日计算然后进行累计。硼活化产生氚有两种途径：(i)通过反 应¹⁰B(n,2α)T直接产生氚；(ii)通过反应¹⁰B(n,α)⁷Li先生成⁷Li，再由⁷Li 活化产生氚。

对于途径(i)产生的氚的计算公式为：当天硼活化产生的氚的活度为：

上式中：

A(³H)_B：硼活化产生的氚的活度，Bq/天；

k：时间常数，s/天；

λ：氚的衰变常数，s^-1；

V_水：堆芯中受到活化的水体积，考虑到上、下反射层及围板外水层的活化 贡献，近似取V_水≈1.1V_{水(活性区)}；

堆芯区域主冷却剂中¹⁰B的宏观中子反应截面，cm^-1，是单位体积的主冷却剂中¹⁰B核子数，是¹⁰B的微观截面，具体数据见表1；

堆芯区域主冷却剂中反应¹⁰B(n,2α)T的平均的中子注量率， n·s^-1·cm^-2；

f_负：负荷因子。

锂活化产氚计算

锂的活化和硼的计算方法类似，不同的是，硼浓度有相应的测量数据，而锂 的浓度没有直接数据，可由硼锂协调图导出锂的浓度(典型的硼锂协调曲线见 附图1)，再计算出⁶Li、⁷Li同位素的浓度，最后才能计算其活化产生的氚。由 于⁷Li的微观截面较小，本方法不考虑⁷Li的活化产氚份额。⁶Li的产氚反应公 式为：

⁶Li(n,α)T，对应的中子能量为：En≤0.625eV

⁶Li活化产氚的计算公式为：

上式中：

A(³H)_Li：锂活化产生的氚的活度；

k：时间常数；

λ：氚的衰变常数；

V_水：堆芯中受到活化的水体积，考虑到上、下反射层及围板外水层的活化 贡献，近似取V_水≈1.1V_{水(活性区)}；

堆芯区域主冷却剂中⁶Li的宏观中子反应截面，cm^-1，是单位体积的主冷却剂中⁶Li核子数，是⁶Li的微观截面；

堆芯区域主冷却剂中反应⁶Li(n，α)³H的平均的中子注量率， n·s^-1·cm^-2；

f_负：负荷因子。

LiOH用于调节主回路冷却剂的PH值，通过稳定同位素分离的方法可使LiOH 中同位素⁶Li的丰度介于0.02％～0.04％，在计算锂活化产氚时，正常工况下和不 利工况下⁶Li的丰度分别考虑为0.02％和0.04％。基于此假设的计算结果叠加三 元裂变产氚、硼活化产氚之后，即将计算得到的活度数值相加，与氚排放实测 源项结果吻合较好。

表1产氚微观截面

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本 发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利 要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。