核电厂一回路水化学辐射优化控制研究

安洋 吴玉彬

摘   要：压水堆一回路的水，即反应堆冷却剂的水质问题非常重要。水质的好与坏，直接影响到材料的使用寿命与性能，一回路的水具有极强的腐蚀性质。如果水质的腐蚀性太过于强烈，水质不好会引起或加剧反应堆结构材料和燃料包壳材料的腐蚀，导致设备损坏以及在反应堆主、辅系统的放射性活度的增高，构成放射性危害。因此，控制水质指标，成了核电厂水化学研究的重要问题。

关键词：一回路  水化学  控制

中图分类号：TL341                                 文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）05（b）-0093-02

1  核电厂水化学控制的特点

在反应堆的运行期间，一回路水化学的控制对燃料包壳的完整性有着很直接的影响。如果水化学的控制不当。容易出现很多问题。（1）燃料元件包壳发生腐蚀，影响燃料元件使用寿命。（2）燃料棒表面结垢，影响传热效率。（3）严重时候会引起燃料元件包壳破损。有可能导致裂变产物泄露事故的发生。

由于水化学的控制好坏的程度，会直接影响到反应堆核反应的进行。因此在核电厂中，一般使用高纯的补给水，尽可能的降低Cl-，F-，O-等离子的浓度。同时，核电厂一般通过加氢的方式，来抑制由于水的辐射分解所导致反应堆中含氧量的增加问题。通过加入弱碱性的氢氧化物，来调控其pH值。

2  核电厂水化学存在的一系列反应介绍

核电厂水化学的反应，是极其复杂的。目前国际上，尚未能完全弄清楚其各方面的过程。完全了解清楚其所有反应。

2.1 反应堆中的放射现象

在反应堆中，有着各种放射性物质的存在，如中子，氦核质子，氚核质子以及一些裂变碎片的存在。由于存在这些粒子，因此反应堆中存在各种射线。这些射线穿透能力大小不同，但是却与反应堆中的物质存在各种相互作用。主要有（1）电离作用，射线打出物质的核外电子，使得物质产生电离。（2）核转变作用，主要为中子俘获以及质子俘获。（3）射线有着激发的作用，激发元素的衰变。在压水堆中各种射线与粒子，它们与冷却剂存在不同程度的冷却作用，其中最重要的是γ射线，α射线，β射线与冷却剂的反应。当冷却剂中引入B作为中子吸收剂时候，B原子与中子反应所释放的β，α射线和 Li反冲核的影响也不可忽视，而中子将引起以及其他物质的转变和活化，间接的对冷却剂辐射化学作用发生影响。

2.2 反应堆中的水辐射

反应堆冷却剂中存在着各种各样的氢氧自由基，它们组成多种元素，如水分子，二氧化氢（HO2），过氧化氢（H2O2）等。在通常情况下，这些分子性质很稳定。但是在高温（2000℃以上）或电流的作用下，这种稳定性也就不存在了。在核反应堆中，电离辐射引起水和水溶液化学变化。从射线轰击水溶液分子，通过辐射作用传递能量，使得核反应堆冷却剂溶液中存在各种分子产物和大量的辐射自由基产物。这些自由基产物非常活泼，性质及其不稳定，难以聚集到测量水平，无法对其进行直接的测量。

3  反应堆冷却剂中水质问题带来的危害以及防护措施

冷却剂水质的好坏，直接影响到设备的使用寿命。如果反应堆冷却水腐蚀性太强，设备的使用性能得不到保障，会直接影响到反应的进行。严重时，甚至造成设备的报废。冷却剂中存在的大量氢氧元素。如果氢氧元素的含量过高，会导致包壳的腐蚀问题严重。

3.1 溶解氧对设备包壳的腐蚀以及防止

氧本身是一种很活泼的腐蚀元素，可以直接与金属发生反应，使得金属腐蚀。尤其是在反应堆中，氧更是其他元素侵蚀钢材的催化剂，氧含量和中子通量二者相互促进，强烈的影响到了锆合金的腐蚀，在中子辐照射下冷却剂中的氧能够很明显的增强腐蚀效率。溶解氧对回路以及反应堆堆芯损害极大。在实际的反应过程中，溶解氧的规范应小于100ug/kg（T>120℃）。目前核电厂一般采用机组启动化学平台除氧和一回路加氢抑制氧的辐射分解的方法来对一回路溶解氧进行控制。

（1）化学平台除氧。在反应堆冷却剂温度升高到80°C时，向反应堆冷却剂中加入一定量的联氨，联氨与反应堆冷却剂中氧的反应式为N2H4.H2O+O2→N2+3H2O。在高温下，联氨会进行分解反应产生NH3和N2。这些反应产物（氨气，氧气和水）本身对反应堆冷却剂系统是无害的，但是氨浓度过高会影响化溶系统净化床的运行，将其中的锂置换出来。同时由于氨是弱碱，也可能会置换出阴离子，因此，在进行除氧的过程中，应对联氨的程度进行控制，添加的联氨量应尽可能满足反应堆冷却剂中的溶解氧含量低于100ug/kg，同时，反应堆冷却剂中的联氨剩余量和分解生成的氨总量不超过1.0mg/kg。

（2）主系统加氢抑制氧的辐射分解 ，反应堆功率运行时，一回路冷却剂经受γ射线为主的混合射线的辐照而引起水的辐射分解，其总反应式为：H2O+γ→H2+1/2O2。该化学反应是一个可逆的反应，当水中含有溶解氧时，反应向逆反应方向进行。因此，加氢能够有效的抑制水的辐射分解，消除水中的游离氧，降低水中氧化性辐射产物的浓度，从而大大的减少冷却剂对结构材料的腐蚀。

3.2 溶解氢对设备包壳的影响

由于反应堆锆合金具有吸氢的特性，在吸收了氢元素后，包壳的力学性能恶化，产生了“氢脆”现象。所以反应堆冷却剂中的溶解氢含量不应太高。大量的运行经验表明，在反应堆冷却剂中14～15cc/kg 的氢浓度就足以清除所有运行环境的氧化物。

但是，氧还可以从反应堆补水等其他来源加入到反应堆冷却剂中，所以，当反应堆运行时，必须保持有过量的氢浓度。技术规范要求，反应堆的溶解氢的控制范围为25～50cc/kg。

在反应堆功率运行期间，为了避免氢对包壳的腐蚀，要求一般将反应堆冷却剂的溶解氢控制在25～35cc/kg（期望值）的范围内，这足以减少锆合金的腐蚀风险，并限制一回路的腐蚀产物的生成。

4  结论及建议

反应堆冷却系统的合理与否，对于核电厂来说，是非常重要的。基于保证设备稳定正常使用的目的，核电厂在设计反应堆冷却系统的时候，应尽量降低冷却剂溶液中的氧含量，尽可能精确的控制氢含量。本文基于降低一回路水质腐蚀性的目的，提出了以下几点建议。

（1）在实际生产过程中，应该尽可能使用无氢或低氢的材料，制作设备的外壳，从源头降低氢的含量。同时，外壳在焊接的时候，应尽可能使用低氢焊条。这样可以防止或者降低焊缝处出现应力耐腐蚀裂纹。

（2）在冷却剂中加入某些不影响核反应堆反应且还原性较强的物质，来降低氧含量。值得注意的是，生成的氧化产物必须容易清除，以防止杂质的产生。

（3）采取加入氮元素的方法，来控制pH值。一方面可以降低材料的腐蚀速率，另一反面可以这样就减少了腐蚀产物在活性区的停留时间，降低了腐蚀产物的放射性。

（4）向冷却剂中注入锌元素，可以显著的防止材料的腐蚀，这是目前国内外很多核电站采取的方法。锌元素可以降低应力腐蚀的可能性。同时，使得刚基体表面获得更为稳定的氧化膜，降低腐蚀产物进入冷却剂的可能性。

参考文献

[1] 张绮霞.压水反应堆的化学化工问题[M].北京：原子能出版社，1984.

[2] 云春桂，成徐州.壓水反应堆水化学[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009.

[3] 伦振明，高兴，李博，等.大亚湾核电厂辐射防护最优化工作管理经验[J].辐射防护，2017，37（4）：287-292.