核电站水化学华北电力大学 张胜寒核电向何处去？l核电发展的低谷每次核电事故都导致核电低谷 l1954年人类建造第一座核电站 n1957年英国温德斯凯尔核电站事件数十年内核 电成为英国的“政治雷区”； n1979年美国三里岛核电站发生严重核泄漏事件 30多年里再没有建新核电站； n1986年切尔诺贝利核电站发生核泄漏大灾难让 人们“谈核色变”德国弃核。 n2011年日本福岛核电站核泄漏德国、瑞士、意大利彻底弃核 美、英、法等继续发展核电中国？为什么发展核电？l 能源问题：煤、石油、天然气储量有限 l 环境问题：空气污染、气候温暖化核燃料可用年数轻水堆高速增值堆不同发电方式比例中国的核电发展前景l 能源进口国：铀矿也需进口 l 环境污染：CO2排放大国 l 核电的危险与火电的污染：依靠技术进步保证核电安全三代动力堆：非能动AP1000，未来二十年核电发展期核电与火电的不同点l热源不同锅炉不同 l主蒸汽参数不同汽轮机结构不同 压水反应堆核电站l压水堆比沸水堆 多一个回路 l冷却水系统核 电海水、直流 l二回路：汽轮机：n火电：积盐 、腐蚀 n核电？蒸汽发生器：n火电：结垢 、腐蚀 n核电：？ l一回路：火电：腐蚀、 结渣 核电？ 压水反应堆一回路水化学控制的 主要目的 l 放射场控制：腐蚀产物生成、迁移 l 燃料安全及性能： n 放射性物质泄漏、 n 燃料性能 腐蚀及腐蚀产物的沉积 l 一回路压力边界的完整性： n 设备安全、腐蚀压水反应堆二回路水化学控制的 主要目的l 腐蚀 n 蒸汽发生器： n BOP：流动加速腐蚀FAC 碳钢管道、热交换器管中间汽水分离再热 器 汽轮机材料的腐蚀、疲劳 凝汽器腐蚀、应力腐蚀、冲刷腐蚀 l 腐蚀产物的迁移 n 腐蚀产物自其它部位向蒸汽发生器的迁移 及在蒸汽发生器中的沉积课程主要内容l 放射化学基础 l 核电站概论 l 压水堆放射性物质的来源 l 一回路中结构材料的腐蚀与腐蚀产物的行为 l 腐蚀产物的溶解与沉积 l PWR一回路水化学管理 l PWR二回路的水化学管理 l 电厂严重事故后的化学问题参考书l 压水反应堆水化学 l 核电站水质工程 l 核化学及核技术应用 l 反应堆系统水化学 （译文集） l 压水堆核电厂的运行 l 压水堆核电厂化学管理 中 国 电 力 出 版 社l第一章 海水与海洋 环境及其腐蚀作用 l第二章 压水型核反 应堆动力装置和水质对 其的影响 l第三章 压水反应堆 材料腐蚀及水化学控制 l第四章 核动力装置 用水的水质监测 l第五章 纯水与港口 纯水制取 l第六章 海水淡化第一章 放射化学基础第一节 核裂变 原子：原子核+核外电子 原子核：质子+中子（n） 核素：具有相同的质子数Z、中子数N的一类原子 如： A：质量数=质子数+中子数（A=Z+N） Z：原子序数=质子数 也写成：X-A。 指明了X，Z即明确，可以不写。 如：U-235，U-238核辐射l 各种放射性核素放出的射线不是单一的。镭的放射线可以分成三束： n 一束为射线，为高速运动的He核，具有 +2电荷； n 一束为射线，是高速运动的电子流； n 一束称射线，是波长极短的电磁波，在磁 场中不发生偏转，呈电中性。 l 这些由原子核发出的射线统称为核辐射。中子的衰变中子由中子源产产生。处处于自由状态态的中子 不稳稳定，可衰变为质变为质 子，同时时放出一个电电子 和一个反中微子（与中微子的自旋方向相反） 。l 半衰期：衰变变掉一半中子数所需要的时间时间 。 l 中子的半衰期为为10.800.16min。 l 的最大能量为为0.782MeV中子的分类不同能量的中子与其它物质质的作用也不同。按能 量的大小，中子分为为： l 慢中子：（00.4eV，快中子被减速尚未 达到热热平衡状态态。 n 共振中子:(1eV10MeV)中子与物质的相互作用l 中子不带电荷，它通过物质时，与电子的相互作 用很小，主要是与原于核发生作用。 l 中子与原子核的相互作用有两类：散射和吸收反 应。 l 散射分为两种： n非弹性散射：入射中子与原子核作用形成复合核， 复合核放出能量较低的中子。复合核放出中子后如处在 激发态，则会立即放出射线而回到基态。散射前后体 系的总动能相等。 n弹性散射 ：原子核从中子动能中得到一部分能量而 形成反冲核，中子则失去部分动能且偏离原方向。 n中子的慢化或减速：快中子通过物质时，因弹性散 射或非弹性散射损失其能量而成为速度较慢的中子。吸收反应l 中子与原子核碰撞后，被原子核俘获，形成一个 处于激发态的复合核吸收反应。 l 复合核的激发能等于中子的动能和中子在复合核 中的结合能之和。 l 如果激发能很大：复合核分裂成两部分（称为裂 变碎片），并以巨大的速度向不同的方向飞去，同 时放出数个中子裂变反应。 l 如果激发能不足以使复合核裂变：放出光子、 粒子、质子等，返回基态辐射俘获反应。中子与物质的相互作用碰 撞散 射吸 收弹性 散射非弹 性散射减速 、失能慢 中子复合核激发 能大裂变 反应激发 能小辐射俘获 反应吸收反应l 辐射俘获反应 n 辐射俘获（n, ）：放出光子 n 发射质子（n, p）：放出质子p n 发射粒子（n,）：放出粒子 l 中子裂变（n, f）原子核反应l 核反应由入射粒子轰击原子核靶所产生lX：靶核， la：入射粒子， lb：出射粒子， lY：剩余核， l写成X(a,b)Y反应。如：197Au(n,)198Au化学反应速度反应：M+N=Y 气体碰撞理论： nA、B只有通过碰撞才能发生反应 n碰撞频率越高，单位时间内有效碰撞的次数越多 ，反应速度越快 n反应速度：v=dCM/dt=CM/t 质量作用定律：v=kMN k：速度常数 k=Ae-Ea/RT A:频率因子反应截面l 核反应概率的大小用中子反应截面来表示。 l 微观截面：一个原子核和入射的一个中子发生核 反应的概率。以表示，单位为靶恩（barn，符号 为b）1b=10-28m2. l 宏观截面：入射中子与单位体积内某给定核素之 间的反应概率。用表示。= NN：核密度单位体积内给定核素的个数，单位为：cm-3.中子注量率（中子通量）l 单位体积内中子数与中子速度的乘积称为 中子注量率（用表示），表示在单位时间 内穿过与其速度矢量垂直的单位面积的中子 数。 l 反应率：反应率= = N 中子核反应（1）慢中子（En1keV）和中能中子(11：中子数目会急剧增加，功率不断增长，反应堆处于超 临界状态，反应堆启动和功率提升的状态。K0：反应堆处于超临界状态，相当于功率提升阶段 0：反应堆处于次临界状态，相当于降功率过程。反应性的控制l 要使反应堆达到临界状态，就要生产高纯度的 235U核燃料，选用中子吸收截面小的慢化剂、冷却剂和反应堆结构材料，尽量减少因被吸收而损失的 中子数。而且堆芯内的这些材料要有适当的组合和 布置。同时堆芯的几何形状和体积大小要适当，以 减少中子的泄漏损失。这样才能使Keff1。 l 在反应堆中，可用控制棒和硼酸来控制链式反应 进行的程度，即控制和调节反应堆的运行功率，使 反应谁正常运行。控制棒控制棒有能够强烈吸收中子的材料（银铟 镉合金）制成，有驱动机构带动在堆芯内移 动（抽出或插入）来控制反应性。 l 主要用于控制反应堆的启动、停止和功率 变化等较快速的反应性变化。 l 问题：控制棒插入后中子密度的分布发生 畸变，局部中子密度过高，出现热点，严重 时使燃料棒烧毁。因此，对控制棒的插入深 度要严格控制。Ag-In-Cd材料的中子吸收l Ag-In-Cd合金黑棒 l 不锈钢灰棒硼酸 l 硼酸中硼原子核可以吸收中子，把硼酸溶 解在慢化剂中，通过调节硼酸的浓度可以控 制反应性。 l 优点：硼酸在堆芯中分布均匀，不会引起 中子注量率畸变。 l 缺点：调节速度慢慢化剂中硼酸浓度的 调节速度缓慢. 只能用于控制比较缓慢的反应性变化， 如燃耗、慢化剂温度变化、氙毒等。临界质量和临界体积l 使裂变物质在特定条件下实现自持链式裂 变反应所需的最少裂变物质的量称为临界质 量。 l 与临界质量相应的裂变物质的体积，称为 临界体积。 l 临界质量是反应堆的重要参数之一，它因 堆型的不同而异。反应堆的主要组成部分反应堆组成：活性区、反射层、屏蔽层活性区：核裂变反应发生处，