核電廠一回路水化學輻射優(yōu)化控制研究

安洋 吳玉彬

摘? ?要：壓水堆一回路的水，即反應堆冷卻劑的水質問題非常重要。水質的好與壞，直接影響到材料的使用壽命與性能，一回路的水具有極強的腐蝕性質。如果水質的腐蝕性太過于強烈，水質不好會引起或加劇反應堆結構材料和燃料包殼材料的腐蝕，導致設備損壞以及在反應堆主、輔系統的放射性活度的增高，構成放射性危害。因此，控制水質指標，成了核電廠水化學研究的重要問題。

關鍵詞：一回路? 水化學? 控制

中圖分類號：TL341? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）05（b）-0093-02

1? 核電廠水化學控制的特點

在反應堆的運行期間，一回路水化學的控制對燃料包殼的完整性有著很直接的影響。如果水化學的控制不當。容易出現很多問題。（1）燃料元件包殼發(fā)生腐蝕，影響燃料元件使用壽命。（2）燃料棒表面結垢，影響傳熱效率。（3）嚴重時候會引起燃料元件包殼破損。有可能導致裂變產物泄露事故的發(fā)生。

由于水化學的控制好壞的程度，會直接影響到反應堆核反應的進行。因此在核電廠中，一般使用高純的補給水，盡可能的降低Cl-，F-，O-等離子的濃度。同時，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致反應堆中含氧量的增加問題。通過加入弱堿性的氫氧化物，來調控其pH值。

2? 核電廠水化學存在的一系列反應介紹

核電廠水化學的反應，是極其復雜的。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。

2.1 反應堆中的放射現象

在反應堆中，有著各種放射性物質的存在，如中子，氦核質子，氚核質子以及一些裂變碎片的存在。由于存在這些粒子，因此反應堆中存在各種射線。這些射線穿透能力大小不同，但是卻與反應堆中的物質存在各種相互作用。主要有（1）電離作用，射線打出物質的核外電子，使得物質產生電離。（2）核轉變作用，主要為中子俘獲以及質子俘獲。（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。當冷卻劑中引入B作為中子吸收劑時候，B原子與中子反應所釋放的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的轉變和活化，間接的對冷卻劑輻射化學作用發(fā)生影響。

2.2 反應堆中的水輻射

反應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。在核反應堆中，電離輻射引起水和水溶液化學變化。從射線轟擊水溶液分子，通過輻射作用傳遞能量，使得核反應堆冷卻劑溶液中存在各種分子產物和大量的輻射自由基產物。這些自由基產物非常活潑，性質及其不穩(wěn)定，難以聚集到測量水平，無法對其進行直接的測量。

3? 反應堆冷卻劑中水質問題帶來的危害以及防護措施

冷卻劑水質的好壞，直接影響到設備的使用壽命。如果反應堆冷卻水腐蝕性太強，設備的使用性能得不到保障，會直接影響到反應的進行。嚴重時，甚至造成設備的報廢。冷卻劑中存在的大量氫氧元素。如果氫氧元素的含量過高，會導致包殼的腐蝕問題嚴重。

3.1 溶解氧對設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，使得金屬腐蝕。尤其是在反應堆中，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，強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腐蝕效率。溶解氧對回路以及反應堆堆芯損害極大。在實際的反應過程中，溶解氧的規(guī)范應小于100ug/kg（T>120℃）。目前核電廠一般采用機組啟動化學平臺除氧和一回路加氫抑制氧的輻射分解的方法來對一回路溶解氧進行控制。

（1）化學平臺除氧。在反應堆冷卻劑溫度升高到80°C時，向反應堆冷卻劑中加入一定量的聯氨，聯氨與反應堆冷卻劑中氧的反應式為N2H4.H2O+O2→N2+3H2O。在高溫下，聯氨會進行分解反應產生NH3和N2。這些反應產物（氨氣，氧氣和水）本身對反應堆冷卻劑系統是無害的，但是氨濃度過高會影響化溶系統凈化床的運行，將其中的鋰置換出來。同時由于氨是弱堿，也可能會置換出陰離子，因此，在進行除氧的過程中，應對聯氨的程度進行控制，添加的聯氨量應盡可能滿足反應堆冷卻劑中的溶解氧含量低于100ug/kg，同時，反應堆冷卻劑中的聯氨剩余量和分解生成的氨總量不超過1.0mg/kg。

（2）主系統加氫抑制氧的輻射分解 ，反應堆功率運行時，一回路冷卻劑經受γ射線為主的混合射線的輻照而引起水的輻射分解，其總反應式為：H2O+γ→H2+1/2O2。該化學反應是一個可逆的反應，當水中含有溶解氧時，反應向逆反應方向進行。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物的濃度，從而大大的減少冷卻劑對結構材料的腐蝕。

3.2 溶解氫對設備包殼的影響

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

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

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

4? 結論及建議

反應堆冷卻系統的合理與否，對于核電廠來說，是非常重要的。基于保證設備穩(wěn)定正常使用的目的，核電廠在設計反應堆冷卻系統的時候，應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腐蝕性的目的，提出了以下幾點建議。

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

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

（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物在活性區(qū)的停留時間，降低了腐蝕產物的放射性。

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

參考文獻

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

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

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