[发明专利]一种向压水反应堆中的水冷却剂中添加有机化合物的方法

说明书

发明背景

技术领域

本发明总体上涉及将有机化合物添加到压水反应堆中的水冷却剂中的方法，更具体地，涉及将有机化合物添加到通过压水反应堆的初级回路的水冷却剂中的方法。

发明背景

污垢是在装置操作过程中，当初级回路例如反应堆冷却剂系统(RCS)中的结构材料暴露于水冷却剂如反应堆冷却剂时形成的腐蚀产物的结果。这些腐蚀产物随后被释放到冷却剂中并能沉积在反应堆堆芯的燃料上。随着堆芯污垢沉积物厚度的增加，与干净表面的传热相比，传热减小。传热表面的温度升高，增加了覆层腐蚀。使燃料覆层腐蚀最小化对于确保覆层能够在装置的整个操作期间保持完整性是重要的。它也是燃料棒和反应堆堆芯设计中重要的考虑因素。历史上，在耐腐蚀材料的选择、化学控制添加剂的开发和装置操作实践方面做出了大量的努力，以使反应堆堆芯中的污垢形成和污垢沉积最小化。

当以硼酸的形式存在的硼在堆芯污垢沉积物中积累至足以抑制局部中子通量的高浓度时，会发生污垢引起的功率变化(CIPS)，其中硼酸是反应堆冷却剂添加剂，用来控制商业核动力装置例如压水反应堆(PWR)中的反应性。这导致了由硼沉积物引起的轴向功率分布变化。在不同的商业PWR的能量运行中，CIPS的出现被归结为PWR堆芯的上部延伸体(spans)中的足够厚的局部腐蚀产物沉积物，其位置与最高的反应蒸发速率预计发生的位置一致。局部厚污垢沉积物还会减少传热并提高燃料覆层温度，这会导致污垢引起的局部腐蚀(CILC)并可能导致燃料失效。

向PWR的反应堆冷却剂中注入可溶性锌添加剂已经用于减小辐射区域、一般的腐蚀控制和缓解初级水应力腐蚀开裂(PWSCC)的目的。在PWR系统中，水用作反应堆冷却剂。水通过泵循环穿过初级回路，即RCS，其包括容纳产生热量的反应堆堆芯的压力容器和多个流体回路。初级回路的水通常含有用来控制反应性的硼酸、用来提供还原条件的氢和用来将pH值保持在目标控制范围的添加剂。当在PWR中采用“锌添加剂”时，醋酸锌是加入到反应堆冷却剂中的优选添加剂。使用醋酸锌是可取的，因为醋酸根阴离子允许锌以可溶的形式提供，并且该阴离子及其分解产物最少或者没有表现出对RCS中结构材料的不利影响。以可溶的醋酸锌的形式加入锌已经在很多商业PWR电厂使用。

作为向PWR的反应堆冷却剂中添加醋酸锌的结果，已经在堆芯外关停辐射场(ex-core shutdown fields)和堆芯污垢沉积物的不同特征中观察到了一些想要的变化。然而，加入醋酸锌可能导致一些不同的操作和/或设计挑战。希望找到一种能够添加到水冷却剂中产生元素碳的反应堆冷却剂添加剂。此外，还希望找到可以调节堆芯污垢沉积物的反应堆冷却剂添加剂。而且，希望找到一种能够使污垢沉积物的沉积和形态产生有益变化却没有已知添加剂的潜在挑战的反应堆冷却剂添加剂。这种添加剂将希望用于在全世界范围内使用水反应堆堆芯设计的各种发电厂。

因此，进一步希望开发用于调节堆芯污垢沉积物的方法，该方法导致堆芯污垢沉积物具有以下特征的至少一个：(i)形态发生变化，例如污垢是颗粒更细的和/或不那么良好结晶的，(ii)沉积形式发生变化，例如污垢更薄和/或分布更均匀，(iii)停留时间降低，例如污垢在堆芯上的停留时间更短，和(iv)组成发生变化，例如污垢具有更高的碳含量。此外，希望开发能够抑制CIPS和/或CILC和/或一般的覆层腐蚀和/或水反应堆中燃料失效的方法。

发明概述

在本发明的一方面，提供了一种用于具有初级回路和反应堆堆芯的压水反应堆的方法。该方法包括向通过所述压水反应堆的初级回路的水冷却剂中添加足量的用来产生元素碳的有机化合物，所述有机化合物包括碳元素和氢元素。

所述有机化合物还可包括选自氧、氮的元素，以及它们的混合物。

元素碳的当量添加速率可保持在约1mg/小时至约10g/小时范围内。

所述水反应堆可以是核反应堆。水冷却剂可以在核反应堆的反应堆冷却剂系统内。

所述有机化合物可选自有机酸、醇、胺、醛、酮和它们的混合物。所述有机化合物可选自醋酸、甲醇、乙醇、乙胺、乙醇胺和它们的混合物。所述有机化合物能充分可溶。

所述方法可进一步包括在反应堆堆芯产生腐蚀产物沉积物，其包含占该沉积物约15wt％～约20wt％的元素碳。

反应堆堆芯内来自伽马射线和中子的辐射水平至多可为约4000Mrad/小时。反应堆堆芯中的氢浓度可以大于0cc/kg或为约25～约50cc/kg。

所述有机化合物可以连续加入或分批加入。

所述有机化合物可为高纯度形式。