核電廠一回路水化學輻射優化控制研究

李建興 孔祥貢

中圖分類號：TM623 文獻標識：A 文章編號：1674- 1145（2020）01- 160- 01

摘 要 在核電廠中，當一回路水質控制較差時會增強一回路的腐蝕性，加劇相關設備及材料的腐蝕，造成設備損壞，同時增強一回路的放射性活度，增加設備檢修人員的集體劑量，最終形成輻射危害。所以，在核電廠中，一回路水化學優化控制具有重要意義。本文首先分析核電廠一回路水化學的特點，然后主要從溶解氧及溶解氫含量的降低兩個方面，探討水化學輻射的優化控制對策。

關鍵詞 核電廠 一回路水化學 輻射 優化控制

核電廠一回路水質的化學輻射受到多種因素的影響，首先是系統中相關設備的材料，其次是一回路水化學控制參數。隨著一回路腐蝕產物的積累，會增強一回路輻射場的強度。腐蝕產物在系統表面產生，溶解到一回路冷卻劑中流入冷卻劑，最后通過主回路冷卻劑傳輸到堆芯燃料包殼表面，被中子活化。被活化之后的腐蝕產物會大大增加一回路輻射場的劑量，在管道拐角處沉積，形成局部熱點，增加檢修人員劑量。

一、核電廠水化學控制的特點

在反應堆的運行過程中，一回路水化學控制的優劣會直接影響著燃料包殼的完整性，一旦控制不當，就會引起很多問題。比如：第一，燃料元件包殼出現腐蝕現象，縮短燃料元件的正常使用壽命；第二，燃料棒表面結垢，降低傳熱效率；第三，腐蝕嚴重的情況下會造成燃料元件包殼破損，導致裂變產物的泄露，增強一回路的放射性活度。

水化學控制的優劣對反應堆核反應的正常運行有很大的影響。所以，在核電廠中要求補給水的純度較高，在最大程度上降低相關離子的濃度。另一方面，在核電廠的運行中，為了抑制水的輻射分解而造成的含氧量的增加，會通過加氫的方式來解決，同時為了控制其pH值，也可以加入適量堿性較弱的氫氧化物。

二、核電廠回路水化學輻射優化控制

一回路冷卻劑水質的好壞，直接影響著相關設備的使用壽命。當反應堆冷卻劑的腐蝕性過強的時候，其性質無法正常發揮，設備不能正常使用，對反應造成不良影響，甚至有可能造成設備的直接報廢。另外，在冷卻劑中含有大量的氫氧元素，但是如果含量過高，也會造成包殼的嚴重腐蝕。

（一）降低溶解氧的含量

氧本身就是一種活潑型較高的元素，能夠直接與金屬發生氧化反應，造成金屬的腐蝕。特別是在反應堆中，氧元素的存在會加快其他元素對鋼材的侵蝕，氧含量與中子通量之間發生促進作用，對鋯合金造成強烈的腐蝕，通過中子的輻照射，冷卻劑中的氧能夠起到催化劑的作用，加快腐蝕效率。根據相關規范，在對反應的運行中，要求溶解氧的的含量不大于100ug/kg（T>120℃）。就現在來看，核電廠控制一回路溶解氧的方法主要有以下兩種：

第一，通過化學平臺除氧。在反應堆中，如果冷卻劑的溫度達到80℃，向其中加入一定劑量的聯氨，并與冷卻劑中的氧發生以下反應：N2H4˙H2O+O2→N2+3H2O。另外，在高溫環境中，聯氨發生分解，產生NH3和N2。以上反應的發生以及產生的產物，不會對系統造成不良影響，然而，如果氨濃度過高，則會影響凈化床的正常運行，置換出其中的鋰。除此之外，由于氨屬于弱堿性，會置換出一定量的陰離子，所以，為了降低氧含量，要控制聯氨的程度，保證溶解氧的含量不大于100ug/kg。

第二，主系統加氫抑制氧的輻射分解。在反應堆功率運行過程中，一回路冷卻劑受到以γ射線為主的混合射線的輻照，造成水的輻射分解，反應如下：H2O+γ→H2+1/2O2，該反應屬于可逆反應，如果水中有一定量的溶解氧，則發生逆向反應。所以，為了抑制水的輻射分解，可以向其中加入適量的氫，減少游離氧的含量，降低輻射產物的濃度，避免結構材料發生腐蝕現象。

（二）降低溶解氫含量

在反應堆中，鋯合金具有一定的吸氫能力，當其吸收了一定量的氫元素之后，包殼的力學性能發生惡化，出現“氫脆”現象。因此，為了減輕腐蝕現象，必須限制溶解氫的含量。根據相關實驗及經驗可知，為了保證反應堆，將氫濃度控制在14～15cc/kg范圍內，便可以基本將環境中的氧清除干凈。

然而，氧元素的來源比較廣泛，比如可以從反應堆補水劑中獲取，因而，反應堆運行的過程中，一定要有過量的氫濃度。相關技術規范中，要求反應堆中溶解氫的含量為25～50cc/kg。

在反應堆功率運行過程中，為了減輕氫對包殼的腐蝕，要控制反應堆冷卻劑的溶解氫的含量，一般要求其含量在期望值（25～35cc/kg）的范圍之內，通過這種方式，可以有效減輕鋯合金被腐蝕的風險，減少腐蝕物的產生。

三、結語

綜上所述，反應堆冷卻系統是否合理，在核電廠的運行中具有重要的影響。在確保相關設備穩定、安全運行的基礎上，應當合理設置反應堆冷卻系統，在合理的基礎上適當降低冷卻劑溶液中的氧含量，同時控制氫含量使其滿足系統正常運轉的需求。

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