材料与水化学第讲核电厂一回路水化学

1、一回路水化学一回路水化学水的辐照分解水的辐照分解水化学与材料相容性水化学与材料相容性水化学控制水化学控制 反应堆运行期间的一回路水化学控制对燃料包壳的完整性有很直接的影响。如果水化学控制不当，会产生以下危害：F 燃料元件包壳发生腐蚀，影响燃料元件使用寿命。燃料元件包壳发生腐蚀，影响燃料元件使用寿命。F 燃料棒表面结垢，影响传热效率。燃料棒表面结垢，影响传热效率。F 严重时会引起燃料元件包壳破损，有可能导致裂变产物泄漏事故。严重时会引起燃料元件包壳破损，有可能导致裂变产物泄漏事故。 二回路水化学控制的目的是：F 保护蒸汽发生器传热管不受二次侧水的腐蚀保护蒸汽发生器传热管不受二次侧水的腐蚀(应力腐

2、蚀开裂应力腐蚀开裂)，防止，防止积垢积垢(添加分散剂添加分散剂)。F 防止给水管道腐蚀速率过快防止给水管道腐蚀速率过快(流动加速腐蚀，流动加速腐蚀，FAC)。水化学控制的目的和意义水化学控制的目的和意义水化学控制水化学控制Controlling of water chemistryn使用高纯补给水使用高纯补给水q降低水中降低水中Cl、F、O等的浓度等的浓度n一回路和二回路水有效的净化一回路和二回路水有效的净化q防止杂质的进入防止杂质的进入q加氢以抑止水的辐射分解生成含氧浓度加氢以抑止水的辐射分解生成含氧浓度n一回路水一回路水pH值控制值控制q通过添加弱碱性氢氧化物：氢氧化锂、氢氧化铵等通过添加

3、弱碱性氢氧化物：氢氧化锂、氢氧化铵等n在冷却剂系统中使用的化学纯度的质量保证在冷却剂系统中使用的化学纯度的质量保证n在控制区使用化学物的核安全条例在控制区使用化学物的核安全条例反应堆中的辐射反应堆中的辐射Radiation in reactorn一般物质所放出的射线一般物质所放出的射线qAlpha a a 射线射线 氦核，带氦核，带+2eqBeta b b 射线射线 电子，带电子，带-1eqGamma g g 射线射线 高能电磁波高能电磁波n反应堆中还有其它的粒子反应堆中还有其它的粒子qNeutron 中子中子qProton 质子质子(氢核氢核)qTritium nucleus 氚核氚核qFi

4、ssion fragment 裂变碎片裂变碎片16340312nLiH+ He111311404848nCdCd+g射线是波长极短的电磁波，又称为光子，其波长范围在2埃以下。电磁波的波长l、频率f (l=c/f)和能量E有如下关系: El=12400； E = hf 。 各种粒子的核特性各种粒子的核特性The nuclear properties of particles射线种类电荷数静止质量，原子单位a射线b射线g射线质子(P)中子(n)氘(d)氚(T)裂变碎片(轻)裂变碎片(重)+2-10+10+1+1+20+224.0026750.000549-1.0072711.0086652.014

5、1023.01605095139射线的穿透能力射线的穿透能力Penetration of radiation射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 Radiation interactions with mattern电离作用电离作用q打出电子，使物质电离打出电子，使物质电离qa, b, ga, b, g射线电离能力约为：射线电离能力约为： 104 : 102 :1n核转变核转变q中子俘获中子俘获q质子俘获质子俘获n激发激发q激发衰变激发衰变在压水堆中各种射线或粒子，程度不同地同冷却剂发生作用，重要的是g和b、a射线与冷却剂的作用。当冷却剂中引入硼作为中子吸收剂时，10B与中子反应所放出的b

6、、a射线和7Li反冲核的影响也不可忽视。而中子将引起冷却剂及其它物质的嬗变和活化，间接地对冷却剂辐射化学作用发生影响。 反应堆中主要的中子核反应反应生成物 中子反应 反应物在冷却剂 中的存在 热中子 截面 Barn 放射性 类型 半衰期 主要g能量 MeV 2H(n, g)3H 天然2H 0.0005 b 12.26 年 无g 6Li(n, a)3H pH 控制剂 940 b 12.26 年 无g 10B(n, a)7Li 可溶性中子吸收剂 3838 稳定 14N(n, p)14C 溶解空气， 联氨分解物 1.81 b 5730 年 18O(n, p)18F 溶解空气或腐蚀产物 b+，电子伏获

7、 1.87 小时 0.551 16O(n, p)16N 溶解空气或腐蚀产物 0.01910-3 b、g 7.14 秒 7011 23Na(n, g)24Na 杂质 0.53 b、g 14.96 小时 1.369 36Ar(n, g)37Ar 溶解空气 6 35 天 40Ar(n, g)41Ar 溶解空气 0890.65 b、g 1.83 小时 1.293 41K(n, g)42K pH 控制剂 1.48 b、g 12.36 小时 1.524 50Cr(n, g)51Cr 腐蚀产物 16 电子俘获 27.8 天 0.320 54Cr(n, g)55Cr 腐蚀产物 0.38 b、g 3.52 分

8、1.528 55Mn(n, g)56Mn 腐蚀产物 13.3 b、g 2.57 小时 0.846 54Fe(n, g)55Fe 腐蚀产物 2.5 电子俘获 2.6 年 0.23 58Fe(n, g)59Fe 腐蚀产物 1.14 b、g 45.6 天 61.292 59Co(n, g)60mCo 腐蚀产物 19.9 b、g 10.5 分 0.0585 59Co(n, g)60Co 腐蚀产物 37.5 b、g 5.26 年 1.332 58Ni(n, g)59Ni 腐蚀产物 4.4 电子俘获 8104年 无g 62Ni(n, g)63Ni 腐蚀产物 15 b 100 年 无g 64Ni(n, g)

9、65Ni 腐蚀产物 1.5 b、g 2.564 小时 1.481 94Zr(n, g)95Zr 腐蚀产物 0.08 b、g 63.9 天 0.756 96Zr(n, g)97Zr 腐蚀产物 0.05 b、g 17 小时 0.743 The major neutron reactions in a nuclear reactorg g射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 Gamma ray interaction with matterng g射线射入物体后其强度的变化为：射线射入物体后其强度的变化为： IdxdI为吸收系数xIIexp0l 物体对g射线的吸收作用由光电效应、康普顿散射和产生

10、电偶三种组成： 电子偶散射光电总l g射线衰减量与吸收体单位体积原子数N成正比，电子偶散射光电总N1.2.2 1.2.2 光电效应光电效应 入射入射g g光子与原子中的束缚电子发生作用后，电子吸收了光子与原子中的束缚电子发生作用后，电子吸收了g g射线的能量而电离。射线的能量而电离。入射入射g g光子的能量光子的能量hf0。一部分用来克服束缚电子对原子核的库伦引力。一部分用来克服束缚电子对原子核的库伦引力 0，一部，一部分变成了电子的动能分变成了电子的动能E，E=hf0- 0。光电效应主要造成内层电子。光电效应主要造成内层电子(主要是主要是K电子电子)的电离，而对外层轨道上的自由电子极少发生作

11、用。的电离，而对外层轨道上的自由电子极少发生作用。 当当K电子被击出轨道后，外层电子将跃迁到电子被击出轨道后，外层电子将跃迁到K电子层。同时放出电子层。同时放出X射线。所射线。所以以g g射线的光电效应总有射线发生。射线的光电效应总有射线发生。 1.2.3 1.2.3 康普顿散射康普顿散射只有当入射光子能量比电子的束缚能大得多时才能发生这种效应。对于高能只有当入射光子能量比电子的束缚能大得多时才能发生这种效应。对于高能g g光光子，核内层电子也可以看作是自由电子，子，核内层电子也可以看作是自由电子，g g光子击射到这样的电子上，发生类似光子击射到这样的电子上，发生类似于弹性体碰撞的效应。这时，

12、于弹性体碰撞的效应。这时，g g光子将一部分能量传递给电子，使其获得速度光子将一部分能量传递给电子，使其获得速度V，失去了部分能量的入射光子则改变了自己的波长和方向。整个体系遵循能量和失去了部分能量的入射光子则改变了自己的波长和方向。整个体系遵循能量和动量守恒定律动量守恒定律 1.2.4 1.2.4 产生电子偶产生电子偶高能高能g g光子在核力作用下转换成一对正、负电子的过程叫作产生电子偶，这种转光子在核力作用下转换成一对正、负电子的过程叫作产生电子偶，这种转化仅在入射光子能量大于电子对的静止质量时才有可能发生，多余的能量转化化仅在入射光子能量大于电子对的静止质量时才有可能发生，多余的能量转化

13、为电子的动能。为电子的动能。 光电效应Photoelectric effect康普顿散射Compton scattering产生电子对偶Pair production电子与物质的相互作用电子与物质的相互作用Electron interaction with matter 电子的质量极小，当具有不大的能量时已达到很大的速度。比如，能量为电子的质量极小，当具有不大的能量时已达到很大的速度。比如，能量为0.5MeV的电子，速度为光速的的电子，速度为光速的0.8628倍。因此，在考虑电子与物质的相互作用时，倍。因此，在考虑电子与物质的相互作用时，必须应用相对论的方法。速度为必须应用相对论的方法。速度为

14、V的电子动能的电子动能E (MeV)为为: cVb2/120)1 (bcmE其中电子对物质的作用主要表现在电离和激发两个方面：电子对物质的作用主要表现在电离和激发两个方面：(1) 将原子内轨道电子击出，造成原子的电离将原子内轨道电子击出，造成原子的电离;(2) 通过非弹性碰撞使低能态轨道电子跃迁到高能态，造成原子的激发。通过非弹性碰撞使低能态轨道电子跃迁到高能态，造成原子的激发。电子的电离和激发作用主要发生在外层轨道电子电子的电离和激发作用主要发生在外层轨道电子(价电子价电子)，但也有少数发生在内层，但也有少数发生在内层电子。内层电子的跃迁引起电子。内层电子的跃迁引起X射线和俄歇电子的发射，后

15、者虽不能再次造成内层电射线和俄歇电子的发射，后者虽不能再次造成内层电子的激发，但可以造成价电子的能态变化或电离。子的激发，但可以造成价电子的能态变化或电离。高速电子通过与轨道电子一次次的碰撞逐渐失去能量，最后变成高速电子通过与轨道电子一次次的碰撞逐渐失去能量，最后变成“热热”电子电子(100电子伏时，主要引起原子的激发。水的激发能H2O=66eV。当E120）。）。v一回路溶解氧的控制方法一回路溶解氧的控制方法 B机组启动化学平台除氧机组启动化学平台除氧B一回路加氢抑制氧的辐射分解一回路加氢抑制氧的辐射分解冷却剂中氧和氢对包壳的腐蚀影响冷却剂中氧和氢对包壳的腐蚀影响机组启动化学平台除氧机组启动

16、化学平台除氧化学平台除氧：在反应堆冷却剂温度升至80时，向反应堆冷却剂中添加一定量的联氨，联氨与反应堆冷却剂中的氧反应式如下： N2H4H2O+O2N2+3H2O联氨在高温下会分解产生NH3和N2反应式如下： 3N2H4 4NH3 十十 N2这些反产物（氮气、水、氨） 本身对反应堆冷却剂系统无害，但是，氨浓度过高会影响化容系统净化床的运行，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，因此应对联氨过量程度进行控制。 添加联氨的量尽可能满足反应堆冷却剂中溶解氧含量小于添加联氨的量尽可能满足反应堆冷却剂中溶解氧含量小于100ug/kg，同时，反应堆冷却剂中联氨的剩余量和分解生成的氨的

17、总量不超过同时，反应堆冷却剂中联氨的剩余量和分解生成的氨的总量不超过1.0mg/kg。溶解氧对包壳的腐蚀及防止溶解氧对包壳的腐蚀及防止主系统加氢抑制氧的辐射分解主系统加氢抑制氧的辐射分解 反应堆功率运行时，一回路冷却剂经受以射线为主的混合射线的辐照而引起水的辐照分解，总反应式为 ： 该化学反应是一个可逆反应，当水中含有溶解氧时，反应向逆反应方向进行 。因此，加氢能有效地抑制水的辐射分解，消除水中游离氧，降低水中氧化性辐射产物浓度，从而大大减少冷却剂对结构材料的腐蚀。 22221OHOHg溶解氧对包壳的腐蚀及防止溶解氧对包壳的腐蚀及防止 加氢抑制水的辐射分解加氢抑制水的辐射分解Decompres

18、sion of water radiolysis by adding hydrogen 水的辐射分解和复合反应的化学方程式及反应率常数列于下页的表，可以得水的辐射分解和复合反应的化学方程式及反应率常数列于下页的表，可以得到如下的氢气生成率的计算公式：到如下的氢气生成率的计算公式：式中式中g g和和B分别表示分别表示g g射线以及硼的中子反应产物射线以及硼的中子反应产物(a a，7Li)所引起的分解反应率所引起的分解反应率常数，脚注常数，脚注d表示水以式表示水以式 H2O* H + OH方式分解，脚注方式分解，脚注R表示水以式表示水以式2H2O H2 + H2O2方式分解；方式分解；KC，KD，

19、KE，Kf 分别表示辐解产物复合反应的反应分别表示辐解产物复合反应的反应率常数。率常数。 式中右面第一项为氢的生成率式中右面第一项为氢的生成率(水的完全分解率水的完全分解率)，第二项为氢的消失率，第二项为氢的消失率(水水的复合率的复合率)。从式中可以看出，在一定条件下水的辐射分解率是恒定的，而水。从式中可以看出，在一定条件下水的辐射分解率是恒定的，而水的复合率则随溶液中的复合率则随溶液中H2浓度的提高而增加，随浓度的提高而增加，随H2O2浓度的提高而减小，亦即浓度的提高而减小，亦即当溶液中当溶液中H2浓度增加时，辐解氢的产生率将减小，而当溶液中的浓度增加时，辐解氢的产生率将减小，而当溶液中的H

20、2O2浓度增浓度增加时则相反。加时则相反。 OHH)B(2BH222dR2EdcRKKdtdgg符号定义符号定义由于锆合金吸氢的特性，吸氢后力学性能恶化，产生“氢脆”现象。所以反应堆冷却剂中的溶解氢含量不能太高。大量运行经验表明，在反应堆冷却剂中1415cc/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它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，反应堆冷却剂的溶解氢的控制范围为2550cc/kg。在反应堆功率运行期间，为了避免氢对包壳的腐蚀，我们一般将反应堆冷却剂的溶解氢控制在2535cc/kg（期望值）的范围内，这足以减少锆合金的腐蚀风险，并