中广核自主污垢行为分析软件CAMPSIS1.0研发与验证
彭思涛，蒙舒祺，张一骏，付鹏涛，洪 亮，阮天鸣，周 青，张晓茜，赵 园，厉井钢
中广核自主污垢行为分析软件CAMPSIS1.0研发与验证
彭思涛，蒙舒祺，张一骏，付鹏涛，洪亮，阮天鸣，周青，张晓茜，赵园，厉井钢
（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518026）
压水堆污垢行为涉及材料、化学、热工、中子学等多个学科，包含了较为复杂的物理过程，可能引发污垢导致功率偏移（CIPS）、污垢导致局部腐蚀（CILC）等潜在运行风险，也会影响一回路冷却剂及金属表面的放射性剂量。自2018年开始，历时3年中广核开发了自主污垢行为分析软件CAMPSIS1.0，它包含腐蚀释放、水化学、核素活化、污垢沉积等污垢行为模拟所需的核心模型，同时具备了CIPS、CILC风险分析和一回路腐蚀产物活化源项分析的能力。通过实验数据、电厂正常运行和停堆期间的测量数据对软件进行了系统验证。结果表明，CAMPSIS1.0初步具备了在工程上进行污垢行为分析的能力。
压水堆；
燃料污垢；
行为分析；
运行；
源项
压水堆一回路压力边界主要由不锈钢和镍基合金组成，它们都会发生腐蚀反应。腐蚀产物进入一回路中与水、硼酸等发生化学反应，产生不同化合物。这些化合物以离子态或颗粒态的形式存在于水中，随冷却剂在一回路中流动，在经过堆芯时部分元素被中子活化。它们最终或沉积在燃料、一回路压力边界表面，或经由化容系统被净化。
压水堆污垢行为包括腐蚀释放、水化学反应、污垢沉积、污垢中硼吸附等多个物理过程，涉及材料、水化学、热工流体、中子物理多个学科，可能引起轴向功率偏移（Crud Induced Power Shift，CIPS），污垢导致局部腐蚀（Crud Induced Localized Corrosion，CILC）等多种潜在运行风险，它们曾在美国、欧洲和加拿大等国的多个早期投运的反应堆中发生。此外腐蚀释放产物还会导致一回路冷却剂及金属表面活度升高，对蒸汽发生器维修带来较大的挑战。
为分析污垢行为，美国开发了BOA软件[1]，目前最新版本是V4.0，它可用于CIPS、CILC分析。法国先后开发PACTOLE[2]和OSCAR[3]，这两款软件主要用于一回路腐蚀活化源项分析。为了应对越发严苛的安审规则以及满足核电出海对自主化的需求，中广核集团从2018年起开始了自主化污垢行为分析软件CAMPSIS1.0（以下简称CAMPSIS）版的研发，并于2020年完成了该版本的定版发布。由于CIPS、CILC现象及腐蚀产物活化所经历的物理过程是大致相当的，CAMPSIS在规划之初就将完整模拟污垢行为作为其研发目标，它可计算污垢厚度、污垢中硼沉积量、冷却剂中腐蚀产物活化源项。为对该软件进行验证与确认，采用了电厂运行数据、实验数据和其他软件计算数据进行了对比验证。结果表明，CAMPSIS基本能够正确反映污垢相关物理现象，能应用于压水堆污垢风险评估。
压水堆一回路的污垢行为是非常复杂的。压水堆一回路中制造压力容器的不锈钢、制造蒸汽发生器的因科镍合金等一回路金属会发生腐蚀反应，向一回路输出铁、镍、锰等金属元素[4,5]。释放的金属元素一方面与水及水中其他离子反应产生不同化合物与离子基，另一方面与中子发生核反应产生放射性同位素。
水中的化合物与离子基部分会通过净化系统去除，部分会沉积到燃料、蒸汽发生器等一回路表面。由于腐蚀释放、沉积的速率都和工况密切相关，一回路的水中的离子浓度也会随着工况不同而不同[6]。
当离子沉积到金属表面后，会形成污垢。这种污垢既可能发生生长，也可能反溶到水中。当燃料表面的污垢过厚时，可能导致传热恶化，发生CILC现象；
污垢中的部分金属离子会慢慢向构成管道的基金属渗透，如60Co这类长半衰期放射性核素的渗透会导致放射性在局部的累积；
燃料表面的污垢本身会形成类似烟囱的微观结构，这种结构有利于硼元素的沉积，从而导致局部中子吸收异常增加，发生CIPS现象[7]。
锌元素的注入有利于在管道金属表面形成更密实的氧化层，减少腐蚀释放，从而在源头上减少污垢行为的不利影响[8]。但这个过程是复杂的，注锌过程中的置换反应，可能导致短期离子浓度和放射性水平的增加。
以上物理现象，都是污垢行为分析软件中需要考虑并模拟的。
CAMPSIS中包含的腐蚀释放模型、水化学模型、污垢沉积模型、硼沉积模型、腐蚀产物活化模型、注锌等模型。本章对上述模型逐一进行简要介绍。
2.1 腐蚀释放模型
腐蚀释放模型给出了不同核素的腐蚀释放速率，如式（1）所示，它是一个和时间、工况相关的函数。该模型使用的腐蚀释放速率是基于实验来进行标定的，通过在实验室中对不锈钢、因科镍合金等一回路材料在不同pH、腐蚀时间下进行测量得到的。
其中：——单位面积的材料腐蚀释放速率，mg/（dm2·month）；
1、2——材料、pH修正系数，根据腐蚀实验数据或电厂运行数据拟合得到；
——材料入堆时间，month。
2.2 水化学模型
水化学模型用来给出一回路冷却剂的pH及各种离子的饱和溶解浓度。CAMPSIS基于离子浓度平衡方程求解获得一回路各离子的饱和溶解度。通过考虑水中H+/OH-的平衡系数、硼酸三级电离及离子电荷守恒关系[9-11]确定pH。
对于如式（2）所示的反应，CAMPSIS中认为其平衡浓度满足：
其中：x——配平系数；
、、、——化合物或离子基。
其中：——平衡常数；
[]——离子或化合物的浓度，10-9。
通过式（2）、式（3）的结合，可获知各化合物和离子基的饱和溶解度，从而确定一回路中各元素溶解态和颗粒态的比例。
2.3 污垢沉积模型
污垢沉积模型主要用于确定一回路各表面污垢沉积速度和总量。该模型使用的沉积模型基于一回路表面的温度确定沉积系数；
基于冷却剂当前离子态和颗粒态浓度确定沉积速率。CAMPSIS中认为污垢在金属表面的沉积速率为：
其中：s——金属表面离子沉积速率，g/（cm2·s）；
p——金属表面颗粒沉积速率，g/（cm2·s）；
s0——金属表面某离子态的平衡浓度，10-9；
p、s2、s1——工况相关系数。
2.4 系统物质守恒模型
通过对整个系统的腐蚀释放、沉积及净化情况的统计，可建立如式（6）所示的冷却剂内的元素平衡方程，并依此获得冷却剂中各元素的变化情况。
其中：——冷却剂中离子浓度，10-9；
r——腐蚀释放速率，g/s；
d——一回路金属表面的总沉积速率，g/s；
p——化容系统净化速率，g/s。
2.5 硼沉积模型
硼沉积模型用来计算污垢中硼的沉积情况。该模型依据污垢处局部热工参数、污垢厚度及硼浓度确定硼沉速率。通过对时间进行数值积分，确定硼沉积总量。CAMPSIS中考虑的硼沉积效应包括超过污垢层中微型“烟囱”内硼超过饱和溶解度造成的沉积和污垢内的物理吸附两种效应[12]。
2.6 腐蚀产物活化模型
腐蚀产物活化模型主要用来确定一回路冷却剂中及污垢中腐蚀活化产物的沉积量。与水化学、腐蚀释放的原理不同，腐蚀产物活化是一个物理过程，它涉及若干关键的同位素。腐蚀释放产物进入冷却剂后，在经过堆芯时部分核素受到中子辐照形成活化产物。活化产物随着冷却剂流动弥散至整个一回路，部分随着污垢沉积到金属表面。冷却剂和污垢中的腐蚀活化产物用式（7）进行计算。
——时间，s；
金属表面的活化产物部分会渗透至一回路压力边界的金属基体中从而造成局部放射性活度增加[13]，CAMPSIS开发了相应的模型。
2.7 注锌模型
理论和实践均证明，注锌是压水堆减少腐蚀释放、降低一回路腐蚀活化产物总活度的有效手段[14,15]。该模型中，模拟了注锌后对污垢行为的主要影响，包括锌对腐蚀释放的影响、锌对污垢密度的影响、锌对空隙率等污垢特征参数的影响、锌对污垢内原有元素的置换等。结合硼沉积模型和系统物质守恒关系可模拟出注锌条件下污垢和冷却剂内的各种参数的变化。
2.8 换料后污垢的继承
反应堆停堆换料时，由于压力、温度的改变，一回路部分污垢会反溶；
同时，在停堆期间会注入双氧水对污垢进行清洗，也会移除大量污垢；
加入的新燃料是没有污垢的，而使用的旧料有些来自更早的循环。这些现象都在软件内建立了相应的机制进行考虑。
3.1 软件上下游数据传递关系
软件CAMPSIS需要用到外部提供的热工输入参数、换料信息，它由上游的堆芯计算软件COCO[16]及子通道计算软件LINDEN[17]产生。相关数据流如图1所示。
图1 使用CAMPSIS进行污垢行为分析时的数据传递关系
3.2 软件内计算流程
CAMPSIS软件[18]采用C++语言开发，软件的主要计算流程如图2所示。
图2 CAMPSIS软件计算流程图
3.3 软件实现功能
CAMPSIS主要实现的功能是一回路污垢及分布的计算、污垢内硼沉积量的计算以及放射性活度的计算。图 3、图 4 分布展示了CAMPSIS模拟的某压水堆电厂首环污垢总量的变化和污垢内硼的变化。
图3 某压水堆机组前三循环燃料表面污垢总量
图4 某压水堆机组前三循环燃料污垢内硼沉积总量
CAMPSIS主要采用软件计算数据、实验数据和电厂运行数据进行验证。本章展示了CAMPSIS的代表性验证。
4.1 pH对比验证
pH是化学计算的基础。为验证pH计算正确性，使用CAMPSIS和核电厂现有计算工具进行了对比。在参考温度为300 ℃，不同的硼、锂浓度使得pH在6.6和7.4之间变化。CAMPSIS计算的pH与现有工具计算获得的pH如图5所示，两者高度吻合。
图5 pH CAMPSIS计算结果与电厂现有软件的对比
4.2 溶解度实验
镍和铁是污垢的主要元素，因此CAMPSIS主要研究这两种元素的溶解度。图6以300 ℃下Fe3O4溶解度为示例，对比了CAMPSIS预测值和实测值[19,20]的差异。由于溶解度绝对值较小，图6纵坐标为对溶解度取对数后的数据。
结果表明，pH压水堆常见运行区间内，Fe3O4溶解度预测值与实验值吻合度较高。
图6 不同pH下Fe3O4溶解度计算结果
4.3 冷却剂中腐蚀释放产物活度
冷却剂中的放射性水平直观地体现了污垢水平的变化情况。图7给出了某机组60Co的实测值与CAMPSIS计算的对比，结果表明CAMPSIS模拟值与测量值大部分处于同一量级。
图7 不同循环冷却剂60Co活度计算结果
4.4 蒸汽发生器冷管段活度
大修期间管道内的放射性活度也是污垢行为的一个重要表征。图8给出了某机组中冷管段放射性活度的实测值与CAMPSIS计算的对比。结果表明CAMPSIS模拟值与测量值大部分处于同一量级。
4.5 燃料表面污垢元素摩尔比
压水堆核电厂污垢总量测量较难，但污垢中金属元素比例测量相对准确，它同样可作为数值模拟的验证支撑。图9给出了污垢内金属元素比例的实测值与CAMPSIS计算的对比。结果表明CAMPSIS模拟值与测量值吻合较好。
图8 不同循环冷管段放射性活度对比
图9 不同循环Ni-Fe-Cr比例
4.6 污垢中硼沉积实验
通过在实验室中制造人造污垢层，可以测出污垢对硼的容纳能力。利用CAMPSIS模拟相关实验工况[21,22]，可获得相应的计算值。图10给出了计算结果和实验结果的对比。
图10 人造污垢中镍/硼摩尔百分比的对比
CAMPSIS是一款可以完整模拟污垢行为的软件，现有验证表明CAMPSIS能初步满足工程上CIPS、CILC风险评估及活化腐蚀释放产物评估的要求。
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Development and Verification of CAMPSIS 1.0-A Crud Behavior Analysis Code
PENG Sitao，MENG Shuqi，ZHANG Yijun，FU Pengtao，HONG Liang，RUAN Tianming，ZHOU Qing，ZHANG Xiaoqian，ZHAO Yuan，LI Jinggang
（China Nuclear Power Technology Research Institute，Shenzhen of Guangdong Prov. 518026，China）
The crud behavior in PWRs involves complex physical processes that consist of several subjects including material science, chemistry, thermal hydraulics, neutronics, etc. It could induce CIPS (CRUD induced power shift) and CILC (CRUD induced localized corrosion) phenomena which will not only lead potential risks to plant operation, but also influence the radioactive dose of the moderator and metal surface. Internationally, the US developed code BOA is widely adopted to perform risk analysis of CIPS and CILC, and the PACTOLE or OSCAR code developed in FRANCE is utilized to perform source term analysis of the corrosion products. Since 2018, CGN took three years to develop its own crud behavior code CAMPSIS 1.0. The code contains the core models of corrosion release, water chemistry, nuclide activation and crud deposition which makes CAMPSIS capable to perform risk analysis of CIPS and CILC and source term analysis at the same time. CAMPSIS has been verified against experiment data, measurements in normal operational conditions and shutdown periods. Results showed that CAMPSIS 1.0 is capable to perform crud behavior analysis in engineering-level.
PWR; Fuel CRUD; Behavior analysis; Operation; Activation
TL364
A
0258-0918（2022）06-1235-07
2022-02-15
国家自然科学基金（U20B0211，针对堆芯氧化腐蚀产物材料-热工-中子行为的多物理耦合机理）；
国家自然科学基金（52171085，模拟压水堆一回路冷却剂中燃料包壳管表面污垢沉积行为与机理研究）
彭思涛（1984—），男，湖南株洲人，高级工程师，博士，现主要从事核反应堆设计专用软件研发
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