核電廠一回路水化學(xué)輻射優(yōu)化控制研究

安洋 吳玉彬

摘? ?要：壓水堆一回路的水，即反應(yīng)堆冷卻劑的水質(zhì)問題非常重要。水質(zhì)的好與壞，直接影響到材料的使用壽命與性能，一回路的水具有極強(qiáng)的腐蝕性質(zhì)。如果水質(zhì)的腐蝕性太過于強(qiáng)烈，水質(zhì)不好會(huì)引起或加劇反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料和燃料包殼材料的腐蝕，導(dǎo)致設(shè)備損壞以及在反應(yīng)堆主、輔系統(tǒng)的放射性活度的增高，構(gòu)成放射性危害。因此，控制水質(zhì)指標(biāo)，成了核電廠水化學(xué)研究的重要問題。

關(guān)鍵詞：一回路? 水化學(xué)? 控制

中圖分類號(hào)：TL341? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（b）-0093-02

1? 核電廠水化學(xué)控制的特點(diǎn)

在反應(yīng)堆的運(yùn)行期間，一回路水化學(xué)的控制對(duì)燃料包殼的完整性有著很直接的影響。如果水化學(xué)的控制不當(dāng)。容易出現(xiàn)很多問題。（1）燃料元件包殼發(fā)生腐蝕，影響燃料元件使用壽命。（2）燃料棒表面結(jié)垢，影響傳熱效率。（3）嚴(yán)重時(shí)候會(huì)引起燃料元件包殼破損。有可能導(dǎo)致裂變產(chǎn)物泄露事故的發(fā)生。

由于水化學(xué)的控制好壞的程度，會(huì)直接影響到反應(yīng)堆核反應(yīng)的進(jìn)行。因此在核電廠中，一般使用高純的補(bǔ)給水，盡可能的降低Cl-，F(xiàn)-，O-等離子的濃度。同時(shí)，核電廠一般通過加氫的方式，來抑制由于水的輻射分解所導(dǎo)致反應(yīng)堆中含氧量的增加問題。通過加入弱堿性的氫氧化物，來調(diào)控其pH值。

2? 核電廠水化學(xué)存在的一系列反應(yīng)介紹

核電廠水化學(xué)的反應(yīng)，是極其復(fù)雜的。目前國際上，尚未能完全弄清楚其各方面的過程。完全了解清楚其所有反應(yīng)。

2.1 反應(yīng)堆中的放射現(xiàn)象

在反應(yīng)堆中，有著各種放射性物質(zhì)的存在，如中子，氦核質(zhì)子，氚核質(zhì)子以及一些裂變碎片的存在。由于存在這些粒子，因此反應(yīng)堆中存在各種射線。這些射線穿透能力大小不同，但是卻與反應(yīng)堆中的物質(zhì)存在各種相互作用。主要有（1）電離作用，射線打出物質(zhì)的核外電子，使得物質(zhì)產(chǎn)生電離。（2）核轉(zhuǎn)變作用，主要為中子俘獲以及質(zhì)子俘獲。（3）射線有著激發(fā)的作用，激發(fā)元素的衰變。在壓水堆中各種射線與粒子，它們與冷卻劑存在不同程度的冷卻作用，其中最重要的是γ射線，α射線，β射線與冷卻劑的反應(yīng)。當(dāng)冷卻劑中引入B作為中子吸收劑時(shí)候，B原子與中子反應(yīng)所釋放的β，α射線和 Li反沖核的影響也不可忽視，而中子將引起以及其他物質(zhì)的轉(zhuǎn)變和活化，間接的對(duì)冷卻劑輻射化學(xué)作用發(fā)生影響。

2.2 反應(yīng)堆中的水輻射

反應(yīng)堆冷卻劑中存在著各種各樣的氫氧自由基，它們組成多種元素，如水分子，二氧化氫（HO2），過氧化氫（H2O2）等。在通常情況下，這些分子性質(zhì)很穩(wěn)定。但是在高溫（2000℃以上）或電流的作用下，這種穩(wěn)定性也就不存在了。在核反應(yīng)堆中，電離輻射引起水和水溶液化學(xué)變化。從射線轟擊水溶液分子，通過輻射作用傳遞能量，使得核反應(yīng)堆冷卻劑溶液中存在各種分子產(chǎn)物和大量的輻射自由基產(chǎn)物。這些自由基產(chǎn)物非?；顫?，性質(zhì)及其不穩(wěn)定，難以聚集到測(cè)量水平，無法對(duì)其進(jìn)行直接的測(cè)量。

3? 反應(yīng)堆冷卻劑中水質(zhì)問題帶來的危害以及防護(hù)措施

冷卻劑水質(zhì)的好壞，直接影響到設(shè)備的使用壽命。如果反應(yīng)堆冷卻水腐蝕性太強(qiáng)，設(shè)備的使用性能得不到保障，會(huì)直接影響到反應(yīng)的進(jìn)行。嚴(yán)重時(shí)，甚至造成設(shè)備的報(bào)廢。冷卻劑中存在的大量氫氧元素。如果氫氧元素的含量過高，會(huì)導(dǎo)致包殼的腐蝕問題嚴(yán)重。

3.1 溶解氧對(duì)設(shè)備包殼的腐蝕以及防止

氧本身是一種很活潑的腐蝕元素，可以直接與金屬發(fā)生反應(yīng)，使得金屬腐蝕。尤其是在反應(yīng)堆中，氧更是其他元素侵蝕鋼材的催化劑，氧含量和中子通量二者相互促進(jìn)，強(qiáng)烈的影響到了鋯合金的腐蝕，在中子輻照射下冷卻劑中的氧能夠很明顯的增強(qiáng)腐蝕效率。溶解氧對(duì)回路以及反應(yīng)堆堆芯損害極大。在實(shí)際的反應(yīng)過程中，溶解氧的規(guī)范應(yīng)小于100ug/kg（T>120℃）。目前核電廠一般采用機(jī)組啟動(dòng)化學(xué)平臺(tái)除氧和一回路加氫抑制氧的輻射分解的方法來對(duì)一回路溶解氧進(jìn)行控制。

（1）化學(xué)平臺(tái)除氧。在反應(yīng)堆冷卻劑溫度升高到80°C時(shí)，向反應(yīng)堆冷卻劑中加入一定量的聯(lián)氨，聯(lián)氨與反應(yīng)堆冷卻劑中氧的反應(yīng)式為N2H4.H2O+O2→N2+3H2O。在高溫下，聯(lián)氨會(huì)進(jìn)行分解反應(yīng)產(chǎn)生NH3和N2。這些反應(yīng)產(chǎn)物（氨氣，氧氣和水）本身對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)是無害的，但是氨濃度過高會(huì)影響化溶系統(tǒng)凈化床的運(yùn)行，將其中的鋰置換出來。同時(shí)由于氨是弱堿，也可能會(huì)置換出陰離子，因此，在進(jìn)行除氧的過程中，應(yīng)對(duì)聯(lián)氨的程度進(jìn)行控制，添加的聯(lián)氨量應(yīng)盡可能滿足反應(yīng)堆冷卻劑中的溶解氧含量低于100ug/kg，同時(shí)，反應(yīng)堆冷卻劑中的聯(lián)氨剩余量和分解生成的氨總量不超過1.0mg/kg。

（2）主系統(tǒng)加氫抑制氧的輻射分解 ，反應(yīng)堆功率運(yùn)行時(shí)，一回路冷卻劑經(jīng)受γ射線為主的混合射線的輻照而引起水的輻射分解，其總反應(yīng)式為：H2O+γ→H2+1/2O2。該化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)可逆的反應(yīng)，當(dāng)水中含有溶解氧時(shí)，反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行。因此，加氫能夠有效的抑制水的輻射分解，消除水中的游離氧，降低水中氧化性輻射產(chǎn)物的濃度，從而大大的減少冷卻劑對(duì)結(jié)構(gòu)材料的腐蝕。

3.2 溶解氫對(duì)設(shè)備包殼的影響

由于反應(yīng)堆鋯合金具有吸氫的特性，在吸收了氫元素后，包殼的力學(xué)性能惡化，產(chǎn)生了“氫脆”現(xiàn)象。所以反應(yīng)堆冷卻劑中的溶解氫含量不應(yīng)太高。大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在反應(yīng)堆冷卻劑中14～15cc/kg 的氫濃度就足以清除所有運(yùn)行環(huán)境的氧化物。

但是，氧還可以從反應(yīng)堆補(bǔ)水等其他來源加入到反應(yīng)堆冷卻劑中，所以，當(dāng)反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，必須保持有過量的氫濃度。技術(shù)規(guī)范要求，反應(yīng)堆的溶解氫的控制范圍為25～50cc/kg。

在反應(yīng)堆功率運(yùn)行期間，為了避免氫對(duì)包殼的腐蝕，要求一般將反應(yīng)堆冷卻劑的溶解氫控制在25～35cc/kg（期望值）的范圍內(nèi)，這足以減少鋯合金的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，并限制一回路的腐蝕產(chǎn)物的生成。

4? 結(jié)論及建議

反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的合理與否，對(duì)于核電廠來說，是非常重要的?；诒ＷC設(shè)備穩(wěn)定正常使用的目的，核電廠在設(shè)計(jì)反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的時(shí)候，應(yīng)盡量降低冷卻劑溶液中的氧含量，盡可能精確的控制氫含量。本文基于降低一回路水質(zhì)腐蝕性的目的，提出了以下幾點(diǎn)建議。

（1）在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)該盡可能使用無氫或低氫的材料，制作設(shè)備的外殼，從源頭降低氫的含量。同時(shí)，外殼在焊接的時(shí)候，應(yīng)盡可能使用低氫焊條。這樣可以防止或者降低焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力耐腐蝕裂紋。

（2）在冷卻劑中加入某些不影響核反應(yīng)堆反應(yīng)且還原性較強(qiáng)的物質(zhì)，來降低氧含量。值得注意的是，生成的氧化產(chǎn)物必須容易清除，以防止雜質(zhì)的產(chǎn)生。

（3）采取加入氮元素的方法，來控制pH值。一方面可以降低材料的腐蝕速率，另一反面可以這樣就減少了腐蝕產(chǎn)物在活性區(qū)的停留時(shí)間，降低了腐蝕產(chǎn)物的放射性。

（4）向冷卻劑中注入鋅元素，可以顯著的防止材料的腐蝕，這是目前國內(nèi)外很多核電站采取的方法。鋅元素可以降低應(yīng)力腐蝕的可能性。同時(shí)，使得剛基體表面獲得更為穩(wěn)定的氧化膜，降低腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入冷卻劑的可能性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張綺霞.壓水反應(yīng)堆的化學(xué)化工問題[M].北京：原子能出版社，1984.

[2] 云春桂，成徐州.壓水反應(yīng)堆水化學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[3] 倫振明，高興，李博，等.大亞灣核電廠輻射防護(hù)最優(yōu)化工作管理經(jīng)驗(yàn)[J].輻射防護(hù)，2017，37（4）：287-292.