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摘要：采用非能动安全系统设计的核电厂最大限度使用了自然驱动力，例如堆芯补水箱就是利用冷热流体的密度差进行自然循环注入。在三个压力等级的应急补水水源中，只有堆芯补水箱在正常运行工况下是与RCS相通的。并且由于硼水浓度更高，堆芯补水箱硼浓度会在较短的时间内由于浓度扩散而低于要求限值。本文主要浓度降低的原因进行简要分析，评估浓度扩散的影响，并针对现有措施提出优化方案，进行简要对比。
关键词：堆芯补水箱;硼浓度;技术规格书;浓度梯度
1、堆芯补水箱硼浓度低于限值问题
取样发现，堆芯补水箱的硼浓度要低于技术规格书中要求的限值。分析后可能原因为：因为入口电动阀常开，一回路低浓度硼水与堆芯补水箱高浓度硼水通过入口平衡管线进行交换。
如果有组分的浓度梯度存在，则每一种组分都有向其低浓度方向转移，以减弱这种浓度不平均的趋势，组分在浓度梯度作用下由高浓度向低浓度方向的转移过程称为传质[1]。传质过程遵循斐克定律：J≡-D?ρ，其中：J为扩散通量;D为扩散系数，主要依靠试验来确定;?为拉普拉斯算符;ρ为质量浓度。
浓度梯度越大，则扩散通量也越大。堆芯补水箱含的硼水浓度通常在3400～3700ppm。而为了确保RCS具有负的慢化剂温度系数，冷却剂的硼浓度在功率运行时通常不能太高，一般要求要小于某个临界值（大约1400ppm，不同电厂略有差异）。堆芯补水箱正常运行时入口阀常开，通过平衡管线与RCS相连，一回路低浓度硼水与补水箱内高浓度硼水就会在浓度差的驱动下进行扩散。
溫度梯度和压力梯度的存在也会产生扩散，分别称为热扩散和压力扩散，这些扩散的结果也会导致浓度扩散[1]。堆芯补水箱的入口平衡管线顶端温度约为160℃，而冷段温度却可以达到280℃，巨大的温差产生很大的流体密度差，所引起的自然对流造成的浓度扩散是需要考虑的[2]，但是由于没有合适的经验公式，分析中将忽略这一部分的影响。取样水体积大约为20L，这造成了补水箱压力降低，也会导致一回路的低浓度硼水进入堆芯补水箱。
2、现阶段采取的措施以及遇到的问题
2.1、现阶段采取的补硼措施
一旦堆芯补水箱硼浓度取样不合格，就需要利用化容系统调整其硼浓度，化容系统流程如下图1所示。补水的主要操作步骤为：
（1）隔离净化回流：关闭稳压器辅助喷淋隔离阀和化容系统净化回流隔离阀;
（2）补硼通道在线：将堆芯补水箱补硼通道上的阀门打开;
（3）启动补硼：启动化容系统补水泵向堆芯补水箱补水;
（4）恢复在线：恢复设备的正常在线。
2.2、补硼过程遇到的问题
根据实际运行经验，在利用化容系统进行堆芯补水箱补硼时，常因以下两个问题而导致补硼不成功：
（1）净化回流管线止回阀（图1阀门②）存在一定的内漏，导致硼水通过净化管线反向注入到RCS冷腿;
（2）补水返回管线卸压阀（图1阀门①）打开，导致硼水通过净化回流管线注入到RCS。
3、优化方案及对比
根据硼浓度低于限值要求产生的原因和补硼时遇到的困难，可以从两个方面来提出优化方案：一个是防止堆芯补水箱与RCS的硼水交换;另一个是从修改化容系统设计入手，解决补硼困难问题。
3.1、将堆芯补水箱入口电动隔离阀关闭
将常开的堆芯补水箱入口电动隔离阀关闭，可以防止二者进行交换，从而解决了硼浓度降低的问题。但是这会带来另外一些问题：首先，堆芯补水箱入口阀是一个非安全相关的阀门，电源取自非安全相关的电源，如果将其关闭则在事故工况下将不能保证其可靠打开;其次，如果提高入口阀门的安全等级，将增加投资，同时需要重新进行安全分析。此外，在安注触发时将造成水锤问题。
可见，修改入口阀的状态不是一个合适的选择。
3.2、将补水返回管线卸压阀变更为气动逆止阀
在向堆芯补水箱补硼时将补水返回管线卸压阀关闭，这可以防止补硼过程中硼水注入到一回路。但是将补水返回管线卸压阀关闭，会带来RHX壳侧超压的风险。
综合来看，这是一个可行的方案。为了降低在补硼期间RHX壳侧超压而卸压阀不能及时打开的风险，可以在规程中增加相关监视要求，加强对稳压器液位和下泄运行的监视，一旦出现超压的风险，及时打开补水返回管线卸压阀。
此外，将补水返回管线卸压阀关闭后，可以适当增加补水流量，利用补水泵出口高压使补水返回管线止回阀的可靠密封，防止反向泄漏。
3.3、将补水管线上的手动隔离阀变更为电动隔离阀
将补水管线上的手动隔离阀（图1阀门③）变更为电动隔离阀。在向堆芯补水箱补硼时远程手动关闭。补水子系统属于纵深防御系统，该阀门正常处于锁开的状态。在变更为电动阀后，为了满足该项要求，可以在将其远程打开后，将其断电并将电源上锁。缺点是增加了投资，并且电源的安全等级要有一定的提高。
3.4、方案对比
综合分析，方案2和3是较好的解决方案。除此以外，为了保证了取样结果的准确性，取样前还应该首先向堆芯补水箱内补充硼水，保证取样的水为堆芯补水箱硼水而非来自平衡管线。
参考文献
[1]贾力，方肇洪，钱兴华.高等传热学.-北京：高等教育出版社，2013.3.
[2]Ostrach S.Comnective phenomena in fluids heated from below.Trans ASME 1957.
关键词：堆芯补水箱;硼浓度;技术规格书;浓度梯度
1、堆芯补水箱硼浓度低于限值问题
取样发现，堆芯补水箱的硼浓度要低于技术规格书中要求的限值。分析后可能原因为：因为入口电动阀常开，一回路低浓度硼水与堆芯补水箱高浓度硼水通过入口平衡管线进行交换。
如果有组分的浓度梯度存在，则每一种组分都有向其低浓度方向转移，以减弱这种浓度不平均的趋势，组分在浓度梯度作用下由高浓度向低浓度方向的转移过程称为传质[1]。传质过程遵循斐克定律：J≡-D?ρ，其中：J为扩散通量;D为扩散系数，主要依靠试验来确定;?为拉普拉斯算符;ρ为质量浓度。
浓度梯度越大，则扩散通量也越大。堆芯补水箱含的硼水浓度通常在3400～3700ppm。而为了确保RCS具有负的慢化剂温度系数，冷却剂的硼浓度在功率运行时通常不能太高，一般要求要小于某个临界值（大约1400ppm，不同电厂略有差异）。堆芯补水箱正常运行时入口阀常开，通过平衡管线与RCS相连，一回路低浓度硼水与补水箱内高浓度硼水就会在浓度差的驱动下进行扩散。
溫度梯度和压力梯度的存在也会产生扩散，分别称为热扩散和压力扩散，这些扩散的结果也会导致浓度扩散[1]。堆芯补水箱的入口平衡管线顶端温度约为160℃，而冷段温度却可以达到280℃，巨大的温差产生很大的流体密度差，所引起的自然对流造成的浓度扩散是需要考虑的[2]，但是由于没有合适的经验公式，分析中将忽略这一部分的影响。取样水体积大约为20L，这造成了补水箱压力降低，也会导致一回路的低浓度硼水进入堆芯补水箱。
2、现阶段采取的措施以及遇到的问题
2.1、现阶段采取的补硼措施
一旦堆芯补水箱硼浓度取样不合格，就需要利用化容系统调整其硼浓度，化容系统流程如下图1所示。补水的主要操作步骤为：
（1）隔离净化回流：关闭稳压器辅助喷淋隔离阀和化容系统净化回流隔离阀;
（2）补硼通道在线：将堆芯补水箱补硼通道上的阀门打开;
（3）启动补硼：启动化容系统补水泵向堆芯补水箱补水;
（4）恢复在线：恢复设备的正常在线。
2.2、补硼过程遇到的问题
根据实际运行经验，在利用化容系统进行堆芯补水箱补硼时，常因以下两个问题而导致补硼不成功：
（1）净化回流管线止回阀（图1阀门②）存在一定的内漏，导致硼水通过净化管线反向注入到RCS冷腿;
（2）补水返回管线卸压阀（图1阀门①）打开，导致硼水通过净化回流管线注入到RCS。
3、优化方案及对比
根据硼浓度低于限值要求产生的原因和补硼时遇到的困难，可以从两个方面来提出优化方案：一个是防止堆芯补水箱与RCS的硼水交换;另一个是从修改化容系统设计入手，解决补硼困难问题。
3.1、将堆芯补水箱入口电动隔离阀关闭
将常开的堆芯补水箱入口电动隔离阀关闭，可以防止二者进行交换，从而解决了硼浓度降低的问题。但是这会带来另外一些问题：首先，堆芯补水箱入口阀是一个非安全相关的阀门，电源取自非安全相关的电源，如果将其关闭则在事故工况下将不能保证其可靠打开;其次，如果提高入口阀门的安全等级，将增加投资，同时需要重新进行安全分析。此外，在安注触发时将造成水锤问题。
可见，修改入口阀的状态不是一个合适的选择。
3.2、将补水返回管线卸压阀变更为气动逆止阀
在向堆芯补水箱补硼时将补水返回管线卸压阀关闭，这可以防止补硼过程中硼水注入到一回路。但是将补水返回管线卸压阀关闭，会带来RHX壳侧超压的风险。
综合来看，这是一个可行的方案。为了降低在补硼期间RHX壳侧超压而卸压阀不能及时打开的风险，可以在规程中增加相关监视要求，加强对稳压器液位和下泄运行的监视，一旦出现超压的风险，及时打开补水返回管线卸压阀。
此外，将补水返回管线卸压阀关闭后，可以适当增加补水流量，利用补水泵出口高压使补水返回管线止回阀的可靠密封，防止反向泄漏。
3.3、将补水管线上的手动隔离阀变更为电动隔离阀
将补水管线上的手动隔离阀（图1阀门③）变更为电动隔离阀。在向堆芯补水箱补硼时远程手动关闭。补水子系统属于纵深防御系统，该阀门正常处于锁开的状态。在变更为电动阀后，为了满足该项要求，可以在将其远程打开后，将其断电并将电源上锁。缺点是增加了投资，并且电源的安全等级要有一定的提高。
3.4、方案对比
综合分析，方案2和3是较好的解决方案。除此以外，为了保证了取样结果的准确性，取样前还应该首先向堆芯补水箱内补充硼水，保证取样的水为堆芯补水箱硼水而非来自平衡管线。
参考文献
[1]贾力，方肇洪，钱兴华.高等传热学.-北京：高等教育出版社，2013.3.
[2]Ostrach S.Comnective phenomena in fluids heated from below.Trans ASME 1957.