国内核电站放射性水处理系统用水过滤器滤芯现状和探讨

　　摘 要: 核电站放射性水处理系统中，水过滤器滤芯主要用来去除以胶体形式存在于水中的腐蚀产物和悬浮的固体颗粒物，是保证电站稳定运行的重要设备。本文通过大量文献调研，对目前国内核电站放射性水处理系统所用水过滤器滤芯的规格尺寸和过滤精度、性能要求、性能鉴定方法、核电站滤芯应用情况，以及国内外开发现状进行了详细综述。随着我国核电的高速发展，国内应加快水过滤器滤芯的研制和国产化进程。

　　关键词: 核电站; 放射性水处理系统; 水过滤器滤芯; 国产化核电作为一种安全可靠、清洁的能源，已成为电力工业的重要组成部分。目前，世界上应用比较普遍或具有良好发展前景的堆型，主要有压水堆、沸水堆、重水堆、高温气冷堆和快中子堆这五种。其中，国内已运行核电站堆型包括压水堆和重水堆，在建核电站中绝大部分为压水堆型。压水堆所使用的慢化剂和冷却剂为水，反应堆换料和乏燃料贮存过程中的屏蔽材料也为水。为保证反应堆事故条件下的安全注射和安全喷淋系统使用水，以及人员和设备去污也用到各种水溶液，所以核电站设置有多个放射性水处理系统，使用大量的水过滤器滤芯。

　　放射性水过滤器滤芯主要用来去除以胶体形式存在于水中的腐蚀产物和悬浮的固体颗粒 物，是保证核电站稳定运行的重要设备［1 － 2］。目前，国内核电站普遍选择美国和加拿大 3L 这两家国外公司的水过滤器滤芯。国内核电站的水过滤器滤芯长期被国外垄断，不仅价格昂贵、供货周期较长，而且得不到令人满意的售后服务，造成核电站的运行成本增高。随着我国核电事业的高速发展，核电站和设计院都迫切希望在新核电站的设计中尽量采用国产滤芯，不仅可以满足国家提高核电机组国产化水平的总体要求，而且可以提供更加优质的滤芯产品和售后服务。因此，实现核电站放射性水处理系统用水过滤器滤芯的国产化，迫在眉睫。

　　本文通过大量文献调研，对目前国内已运行核电站放射性水处理系统所用水过滤器滤芯的规格尺寸、过滤精度、性能要求、性能鉴定方法、核电站滤芯使用情况，以及国内外开发现状进行了详细综述。

　　1 核电站放射性水过滤器滤芯1． 1 滤芯的规格尺寸以百万千瓦级的压水堆核电站为例，有七大放射性水处理系统，即反应堆一回路化学和容积控制系统、反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统、硼回收系统、反应堆硼和水补给系统、低放射性废水回收系统、蒸汽发生器排污系统、废液处理系统。在这些放射性水处理系统中，使用了不同尺寸规格及不同过滤精度要求的水过滤器［3］。就规格尺寸而言，有4 英寸、6 英寸、8 英寸、12 英寸、16 英寸( 1 英寸 = 2. 54 cm) 五种。其中 4 英寸、6 英寸、8 英辐射防护 第 35 卷 第 3 期寸过滤器内均是单根滤芯，12 英寸过滤器内是单根或 11 根可拆卸的组合滤芯，16 英寸过滤器内是单根( 实际上是由 4 个单根滤芯粘接在框架上不能拆卸的组合滤芯) 或 18 根可拆卸的组合 滤 芯。就 过 滤 精 度 而 言，最 初 只 有 5μm、25 μm、100 μm。但随着核电站对一回路水质要求的不断提高，有些重要的放射性水处理系统已经改用过滤精度为 0． 45 μm 和的滤芯，有些电站甚至计划使用过滤精度为和 0． 1 μm 的滤芯。

　 滤芯的主要功能国内核电站所使用的放射性水过滤器滤芯主要用途如下［1 － 2］:冷却剂的净化核反应堆内的冷却剂是载带堆内产生的核裂变能到堆外热力系统的工作介质。冷却剂中的固体悬浮物主要为腐蚀产物，粒径大都在 5 μm 以上，这些腐蚀产物在反应堆回路传热表面的沉积，使传热效率降低。当它们累积过多时，可能造成堆芯局部流道阻塞或换热面过热，引起严重事故。另外，停堆检修时，沉积的活化腐蚀产物中的放射性，给维修工作带来很多麻烦。所以，及时有效地去除冷却剂中的腐蚀产物，避免它们在回路中的过量积聚，有着十分重要的意义。

　　主泵轴封水的过滤主泵普遍采用动静环端面密封，运行时需用高压水将两环间隙保持在 10 μm 左右。为了避免密封端面的磨损，轴封水中不应有大于的固体颗粒存在。

　　离子交换树脂床后的过滤离子交换树脂在运行过程中有可能破碎成细粒或粉末，因此在一回路水处理系统的各种离子交换器之后，都需设置过滤器。

　　燃料池水澄清过滤为保持燃料贮存水池池水的清澈透明，便利水下燃料的输送操作，必须不断滤去水中悬浮物。

　　化学溶液的过滤冷却剂水质控制所需的各种试剂( 如硼酸、氢氧化锂等) ，在配成溶液送入回路前都需过滤，以免带入不溶性杂质。

　　此外，还用于补给水、二回路蒸汽发生器排污水和汽轮机凝结水系统，以及废水处理各系统水溶液的过滤。

　　 滤芯性能要求2．

1 基本性能要求以国内某压水堆核电站百万千瓦机组为例，其一回路化学和容积控制系统、硼回收系统、乏燃料池净化与冷却系统、蒸发器排污系统等辅助工艺系统共设置了 38 只过滤器，各种过滤器的工艺技术参数列于表 1［3］。由表中数据可知:1) 安装于系统中运行的滤芯寿期是以流经过滤器的压差值来决定的，当过滤器压差达到规定值时，系统报警，更换滤芯。

(2) 滤芯的额定流量根据各个系统的要求来确定。

(3) 滤芯的过滤精度根据各个系统的要求来确定。一回路化学和容积控制系统中以下泄过滤器为代表的过滤器过滤精度最高，废液处理系统蒸发器预过滤器的过滤精度最低。

(4) 不同过滤精度的滤芯过滤效率均应大于 98% 。

(5) 滤芯应能在各个系统要求的最高工作温度下正常工作，滤材的强度和过滤效率不应有变化。

　　水化学参数控制为了保证核电站能稳定运行，其反应堆一回路系统和重要工艺系统中的水化学参数必须满足一定的要求。根据 EJ /T 345《压水堆核电厂水化学技术条件》中的要求［4］和某百万千瓦级压水堆核电站水化学参数要求，功率运行期间反应堆一回路冷却系统和二回路蒸汽发生器排污水系统这两个典型系统的水质要求，分别列于表 2 和 3。

　　可知，当滤芯在反应堆一回路系统中使用时，其 Cl － 、F － 、SO2 －4 、SiO2、Ca2 + 、Mg2 + 、等的析出应在允许的范围内。这是因为Cl － 和 F － 会使一回路压力边界的不锈钢发生应力腐蚀开裂，SO2 －4 会使蒸汽发生器一回路侧发生开裂，从而破坏一回路压力边界屏障的完孔海霞等: 国内核电站放射性水处理系统用水过滤器滤芯现状和探讨国内压水堆核电站百万千瓦机组放射性水过滤器技术参数Tab． 1 Water filter parameters of domestic 1 000 MWe level of PWＲ过滤器名称 过滤器编号 型号( 英寸)

　　当滤芯在二回路蒸汽发生器排污水系统中使用时，其 Cl － 、SO2 －4 、SiO2、Na +等的析出应在允许的范围内。这是因为这些化学元素会造成蒸汽发生器传热管的各种腐蚀开裂。

　　因此，核级水过滤器滤芯在使用过程中，应严格控制多种化学元素的析出量，以免使一回路和二回路水质恶化，影响核电站的稳定运行。

　　2． 3 滤芯性能鉴定2． 3． 1 国内核电站滤芯性能鉴定［3］国内核电站由设计院参照国外标准进行设计，《水过滤器技术规格书》要求对放射性水过滤器滤芯进行实验室鉴定，鉴定试验内容主要参考液压滤芯的相关标准进行［5 － 8］，相关参考标准列于表 4。

　　国内核电站用放射性水过滤器滤芯性能鉴定清华大学核能研究设计院 20 世纪 90 年代曾在实验室进行过放射性废液过滤器研究［20］，他们对国家海洋局杭州水处理技术开发中心开发的 PP 型百褶裙滤芯( 滤材为聚丙烯超细纤维) 进行了滤材的耐辐照性、过滤效率试验等初步研究，认为国产民用滤芯可用于一般放射性废液的处理。但未按照核电站水过滤器滤芯的性能指标进行所选滤芯的全部性能试验，所推荐的滤芯水通量也远低于进口产品，达不到核级水过滤器的水通量要求，后期未继续进行更深入的研究。

　　上海核工程研究设计院 20 世纪 80 年代曾与上海市高行液压气动成套总厂合作，为秦山一期一回路工艺系统用滤芯进行开发研制［21］。

　　滤芯型号为 FＲX － 5 和 FＲX － 25，过滤材料为纸质，滤芯制造验收技术条件执行国家 EJ标准［22］。他们对滤芯的主要材料和滤芯都进行了相关的性能试验，但是滤芯在秦山 1 期试用期间，因机械强度较差，运行寿命小于 3 个月，目前已停用。

　　中财科技股份有限公司在 2000 年之后进行了核级玻璃纤维滤材的研制［23］，首先分析公司滤芯所用玻纤滤材的玻璃纤维成分，然后制备出 C7 玻璃纤维; 造纸时采用有机硅型贵重添加剂对玻纤表面进行处理，有效阻止了硼酸对玻纤表面的侵蚀，使可溶硅不易析出;在 3 天浸泡试验中，可溶硅的析出量满足使用要求，但是未进行长期的析出试验。

　　上海核工程研究设计院 2000 年之后开发的核级水过滤器滤芯［24］，采用中财科技股份有限公司研制的玻纤滤材。在国内核电站试用期间，一段时间之后滤芯中可溶硅的析出超标，造成水质恶化，系统报警，从而未在一回路和二回路重要的水处理系统中得到实际应用。

　　中国辐射防护研究院从 2004 年开始进行核级水过滤器滤芯国产化的研制［25］，开发了一种滤材性能改性方法，使滤材可溶硅的析出与国外进口滤芯用滤材基本相当，解决了市售滤材可溶硅析出较多恶化水质的难题; 所研制的16 英寸 4 芯木浆纸滤芯，已在岭澳核电站蒸汽辐射防护 第 35 卷 第 3 期发生器排污系统试用，结果表明滤芯的抗析出性、滤芯压差和结构完整性等主要性能指标均与国外进口滤芯相当，完全满足使用要求。后期将制作多只 16 英寸木浆纸滤芯，在核电站蒸汽发生器排污系统和废液处理系统上进行长期验证试验，首先实现 16 英寸木浆纸滤芯的国产化。同时，针对不同过滤精度的玻纤滤材进行了筛选和改性研究，性能与国外进口 Pall 滤芯用玻纤滤材基本相当，目前正在积极进行核电站各种规格尺寸和过滤精度滤芯的国产化研制。

　　4 滤芯的应用现状国际上核电站普遍选择美国 Pall 公司、加拿大 3L 公司等少数几家公司的水过滤器滤芯产品。表 6 概括了目前国内已商业化运行的核电站所用放射性水过滤器滤芯的生产厂商、滤芯过滤精度及所用滤材材质。多个电站还希望将来继续提高滤芯的过滤精度，以去除更小的悬浮物颗粒，尽可能降低水处理系统中的放射性。

　　但是随着国内核电站运行年限的增加，某些核电站所用的进口放射性水过滤器滤芯可溶硅的不断析出，已造成一回路水质持续恶化，只能在换料大修时，特别安排对一回路进行氧化运行，将硅酸盐类放射性沉积物集中收集于过滤器内，再转移清理; 并更换部分一回路的水，将水中可溶硅的含量控制在 3 × 10 － 6以下，而该值已超出一回路水化学参数控制 1 × 10 － 6的要求。放射性水过滤器滤芯可溶硅的析出，已成为国内核电站亟待解决的难题，同时成为选择滤芯供应商的关键指标。

　　表 6 国内几座运行核电站的放射性水过滤器滤芯应用现状Tab．核电站 堆型 滤芯使用情况中核核电运行管理有限公司一厂 压水堆 所用滤芯均为 Pall 公司玻纤滤芯，过滤精度为 0． 6 μm 和 2 μm。

　　中核核电运行管理有限公司二厂 压水堆所用滤芯过滤精度为 5、25、100 μm 玻纤滤芯，除 1、2 号机组的废液处理系统使用国产滤芯外，其余均为 Pall 公司滤芯，3、4 号机组使用加拿大 3L 公司玻纤滤芯。将来，希望将 ＲCV001F1 过滤器精度由 5 μm 提高到 1 μm。

　　中核核电运行管理有限公司三厂 重水堆 所用滤芯均为 3L 公司木浆纸滤芯，过滤精度为 5 μm 和 25 μm。希望用玻纤滤芯替代木浆纸滤芯，提高滤芯的过滤精度和使用寿命。

　　中广核所有核电站 压水堆所用滤芯均为 Pall 公司提供，材质包括玻纤和木浆纸，过滤精度为 0． 45、1、5、6、23、49μm。将来，希望将 ＲCV001F1 和 ＲCV002F1 下泄流用滤芯从现在的 0． 45 μm 过渡到 0． 2μm，最终到 0． 1 μm。

　　5 结语我国核电正处于高速发展期，按照《国家核电发展专题规划( 2005—2020 年) 》，到年，核电装机容量将达到 5 800 万千瓦，在建核电装机容量达到 3 000 万千瓦，届时将有 50 余座核电机组商业运行。核电站水过滤器滤芯需求 量 会 大 幅 增 加，市 场 前 景 广 阔。因 此建议:1) 国内应加快放射性水过滤器滤芯的研制和国产化进程，不仅可以提高国内核电机组的国产化水平，而且可以降低核电站的运行成本，获得更好的技术支持。

　　2) 应尽快解决放射性水过滤器滤芯二氧化硅析出造成水质恶化的问题。

　　3) 我国应尽快建立放射性水过滤器滤芯通用的性能测试标准，使得滤芯的生产及性能检验能够规范有效地进行，为核电站的稳定运行提供更为坚实的保障。

　　参考文献:

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［3］ 核工业第二研究设计院． 水过滤器技术规格书第一册［Ｒ］． 2006．

［4］ 上海核工程研究设计院． EJ 345—2005 压水孔海霞等: 国内核电站放射性水处理系统用水过滤器滤芯现状和探讨堆核电厂水化学控制［S］． 北京: 国防科学技术工业委员会，2005 － 04 － 11．

［5］ ISO Standard．［S］． Switzerland，2011．

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