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1、第7章 反应堆去污技术,压水反应堆材料构成及与冷却剂接触面：燃料包壳管为Zr-4合金：25%；设备与管道为不锈钢：5%；蒸汽发生器传热管为Inconel600/690或Incoloy800：70%。15kg/a；界面污物的主要来源是一回路结构材料表面的腐蚀产物，特别是Incoloy800/nconel690表面上生成的氧化膜。,活化反应：,为了电站的安全和经济性，降低压水堆电站人员受照剂量，采取了许多有效措施，如优化水化学管理、改进材质、注锌等，但归根结底应努力从根本上杜绝或减少污染源的产生，必须在综合考虑代价-利益的基础上对措施进行优化。去污就是降低辐射场和降低人员受照剂量的措施之一。,去污
2、活动应符合从ALARA原则(合理可达到的尽可能低)，即去污应使工作人员在整个电站寿期内接受的辐射剂量有净减少。这意味着去污过程中，工作人员接受的辐射剂量(包括准备工作和放射性废物处理)应低于末去污可能接受辐射的剂量。,7.1 化学去污技术7.1.1 化学去污的基本概念1、去污因子与腐蚀速率 去污因子：去污前后待去污表面的放射性活度(或照射剂量率)之比。腐蚀速率：去污前后单位面积上材料质量的增减或与此相当的均匀穿透厚度表示。理想的去污方法应该具有最大的去污因子(一般求去污因子10)和最小的腐蚀率。,2、溶解反应 金属氧化物的溶解，可根据金属离子是否被氧化还原分为三类：,压水堆一回路氧化膜的主要成
3、分是Fe：Cr与Ni在不锈钢或Inconel合金表面的腐蚀氧化膜中含量仅次于Fe：,3、络合反应 络合剂提供配位体L，至少可提供一对弧对电子，中心原子或离子M提供空轨道。稳定常数：,被去污剂溶出的金属离子可用离子交换树脂除去，同时使去污剂再生。被离子交换树脂吸附的络合物在树脂作为废物贮存或处置时若与地下水接触就可能进入地下水中。由于阴离子比阳离子在土壤中的迁移速度快，会影响对去污废物的安全评价。,4、辐射作用 去污剂在一定程度上受到射线照射，刚停堆时，预测堆芯燃料附近的剂量率极高，高达104 Gy/h。,7.1.2 化学去污需考虑的因素1去污剂的选择 对去污表面浸润性好；对腐蚀产物和放射性物质
4、溶解能力强；不引起基体金属材料的显著腐蚀；在温度和辐射场作用下，金属溶解物不生成二次沉淀；易于用水冲洗干净；价格便宜。,2实施条件 速度；温度。为了达到良好的去污效果，在去污过程中还需控制温度，搅动去污溶液或对去污表面有一定的冲刷速度。实际操作时，冲刷速度不宜低于0.3m/s，温度应接近去污液的沸腾温度。温度过高，将使去污液汽化热分解失去作用，温度过低，反应速度太慢。,3、去污方法的选择 去污程度去污范围选择；去污工具选择；去污计划制定。,4、化学去污方法的强化手段(1)浸泡搅拌法；(2)喷射法；(3)过热蒸汽载带法；(4)超声波法；(5)电解法。,7.1.3 核电站化学去污实例1、化学去污法
5、的种类与特征 目前应用的化学去污技术均以有机螯合试剂为基础，使氧化物层在适宜的条件下溶解于去污溶液中。一步法使用一种去污液，将去污液注入去污对象系统内实施去污，去污后排出去污废液，接着进行冲洗。去污产生的废液可用离子交换树脂处理。一步法的持点在于操作简单、废液量少。对反应堆一回路冷却剂系统去污最富经验的CAN-DECON法为一步法。,多步法是使用两种或两种以上去污剂，使去污效率提高。首先将一种去污液注入去污对象系统内实施去污，然后排出去污液，进行冲洗，接着注入第二种去污洒，进行去污与冲洗。多步法的特点是工艺复杂和废液产生量大。,2、两步法去污实例 两步法去污是用碱性高锰酸钾对去污表面进行预处理
6、，再用草酸、柠按酸及其盐类的混合溶液或络合剂如乙二胺四乙酸(EDTA)溶解腐蚀产物，从而除去放射性核素。每一步之后都要用清水将击污剂溶液冲洗干净。,3、加拿大重水堆的CAN-DECON去污法；4、高温化学清洗工艺（德国）；5、英国中央电力局清洗工艺-LOMI；6、法国电力公司清洗蒸汽发生器工艺。,7.2 超声波去污技术 超声波去污通常是利用超声波水下振动辐射所发出的空穴作用产生冲击，使固体表面上附着的腐蚀产物剥离下来。一般用于去污的超声波频率为：10100Hz，频率越低去污作用越强。振幅为数：m100 m，振幅越大去污效果越好。,7.2.1 先进的超声波燃料净化工艺 铁基与镍基腐蚀产物氧化物在
7、一回路中迁移、沉积，活化，使一回路系统的辐射剂量率升高。在功率瞬变、启动和停堆期间这些活化腐蚀产物会重新分布。此外，过多的腐蚀产物沉积在燃料上被视为是压水堆产生非正常轴向偏移(AOA)的原因。从燃料经济性考虑，需要燃料循环周期不断延长和较高的堆芯热负荷。为了减小AOA，开发出先进的燃料净化系统。,包壳表面轴向腐蚀沉积示意图,7.2.2 利用先进的超声波技术净化蒸汽发生器二次侧 压水堆蒸汽发生器传热管束在管隔板缝隙和管板顶部发生的晶间腐蚀晶间应力腐蚀裂缝损伤呈现上升的趋势，而蒸汽发生器的故障是压水堆电力损失唯一的最大根源。受蒸汽发生器几何形状的束缚，在过去不可能利用超声波去污技术清除二次侧的沉积
8、物。美国Dominion工程公司开发的增强高功率密度的超声波传感器，体积非常小，可完全能置放在蒸汽发生器水室内。,7.3 电化学去污 化学去污是基于化学溶解金属表面上的氧化物层，电化学去污是以阴极溶解基体金属的表面层为基础，使溶解的一薄层氧化物从金属表面剥离。该去污作业的先决条件是电解液必须与基体金属接触。原则上讲，氧化物层是绝缘的，但其孔隙率相当大，完全能保证有很高的导电能力。最常用的电解液是各种浓度的磷酸，一般浓度为20。,7.4 去污经济效益的一般性考虑 在以反应堆一回路为对象的大规模去污过程中，选定某种去污工艺时，应分析该工艺的去污效果以及为达到预期的效果所需的费用。一放采用费用-利益
9、分析估算去污费用和去污效果。对预选方案与方案实施所需费用与可能达到的去污效果进行对比评价，排定方案的优先顺序。去污效果应从降低辐射剂量和提高热交换器传热性能两方面考虑，但以降低辐射剂量为主，以所需费用和辐射剂量减少量人-Sv进行定量评价。,用下式估算去污产生的效益：,7.4.1 去污费用的估算 去污费一般包括设备费、劳务费、试剂费、水电等公用事业费，以及研究开发、专利权税、发电电力损失费等。,7.4.2 人Sv费的估算 为了对去污进行代价-利益分析，必须将去污得到的剂量减少(人Sv)换算成金额。因此，必须估算辐射剂量(人Sv)在待去污核电站发电所需费用中所占的份额，估算单位(人Sv)的货币价值
10、(人 Sv费)。人 Sv费一般包括工时费、社会性负担的社会性费用和各种相关费用。在这些费用中工时费所占比例可能最大。,7.5 进一步降低辐射场的措施 控制辐射场有许多方案，包括设计和运行条件。由于活化腐蚀产物60Co对堆芯外辐射场贡献最大，只有进一步减少60Co源才能降低剂量率，从而降低电站工作人员的转射照射量。,7.5.1 注锌 锌能阻止放射性钴保留在氧化物层中，主要通过以下三条途径：(1)锌从氧化物膜中置换钴；(2)锌中断在氧化膜中的扩散历程阻止钴进入氧化膜；(3)锌覆盖氧化膜的表面活性点上阻止吸附钴。,7.5.2 职业照射剂量率 随着核电站运行年代增加，设备故障增多，检修工作量增大。沉积
11、在设备表面的腐蚀产物逐年累积和活化，使一回路设备周围的辐射剂量率增多，到一定时候会威胁正常的运行和维修。20世纪70年代核电站设备污染剂量和工作人员所受的辐射照射量的趋势如下图所示。,以德国为例采取的降低辐射剂量的措施如下图所示,1、辐射防护标准提高；2、将钴基合金的表面积(泵、阀门、堆压力容器内部)由老电站的14m2减少到小于2m2，使钴的释放量大大降低。3、进一步提高屏蔽防护。4、新电厂自服役开始即以改进的冷却剂化学模式运行。5、二回路采用高pH-AVT处理，使生成和转移到蒸汽发生器内的腐蚀产物少到每3年只有34kg。,7.6 使用10B富集的硼酸减少腐蚀 许多压水堆和沸水堆核电站使用高浓
12、缩铀或混合氧化物(MOX)燃料提高棒功率，加深燃耗和或延长燃料循环。在此情况下要求增加冷却剂中的10B浓度，控制停堆和功率运行时堆芯的反应性。,将天然硼酸转换为10B富集的硼酸工艺应满足以下要求：在任何时间对电站安全不应有任何影响；对电站运行的影响应尽可能小；不应延长停堆换料和维修时间；在一回路系统中最终10B浓度应是均匀的并且始终在规定阈值内；转换工艺应在燃料组件执行较高燃耗和功率密度之前完成；富集10B的成本和由工艺转换产生的废物量应保持最小。,增加一回路的10B浓度有两种可能的方案：一是提高一回路整个系统的天然硼浓度，受增加硼酸系统的经济所限和提高氢氧化锂维持运行冷却剂pH的限制，使该方案难于付诸实施；另一种可能的方案是使用10B富集的硼酸。10B和11B同位素的比值由天然的2080提高到20+x80-x。保持和正常燃料一样的低比值，甚至更低，冷却剂pH对腐蚀产物释放与沉积产生正面影响。,
