关于非均匀反应堆化学介绍

[拼音]：feijunyun fanyingdui huaxue

[外文]：non-homogeneous reactor chemistry

反应堆化学的一个分支。在非均匀反应堆中，核燃料芯块密封在包壳中，冷却剂在包壳外流动，不与芯块直接接触。这类反应堆的化学问题主要是冷却剂的化学稳定性和辐射化学稳定性以及它对包壳材料、结构材料和慢化剂的化学作用。裂变产物和腐蚀产物的化学行为与安全有关，也是重点研究的课题。

以普通水或重水做慢化剂和冷却剂的反应堆有两个主要的化学问题：水在中子和γ射线辐照下的分解、包壳和结构材料在水中的腐蚀。

当水中存在少量氯离子等杂质时，水的辐射分解速率加快，因此必须保持水的高纯度。通常采用离子交换法来纯化水，水的电导率应小于1×10-6西／厘米。包壳和结构材料的腐蚀与材料的成分、杂质含量及水的温度、压力等因素有关。低温水反应堆（如游泳池式）中，在保证水的纯度及防止点腐蚀的情况下，铝和不锈钢的均匀腐蚀可以忽略；但在温度压力较高的动力反应堆（压水堆、沸水堆）中，必须用锆合金代替铝做燃料元件的包壳。纯锆抗水腐蚀的性能很好，但含有少量杂质氮时腐蚀速率大大加快，实际使用的是含有少量的锡、铬、镍和铁的锆合金。动力堆的非直接辐照部分通常采用不锈钢做结构材料。不锈钢在蒸汽－水界面处易发生腐蚀，焊缝和水流冲击处腐蚀更严重；水中含有的氯离子和微量溶解气体（氧等）也会加速不锈钢的腐蚀，而且腐蚀产物松散，容易脱落进入水中，进而加剧水的辐射分解。保持水的微碱性，能抑制这种腐蚀。

反应堆运行时燃料元件包壳破裂往往不可避免，它将导致少量裂变产物进入水中而引起热交换回路的放射性沾染。这些裂变产物的化学状态以及它们在结构材料表面上的吸咐和沉积也是非均匀反应堆化学研究的重要课题之一。对在冷却剂大量流失情况下，处于高温、潮湿气氛中元件表面的化学反应也进行了不少的研究。

这类反应堆采用二氧化碳或氦气作冷却剂，用石墨来慢化中子。高温下二氧化碳有分解成为一氧化碳和氧气的倾向，并且会和石墨反应生成一氧化碳。温度越高则二氧化碳和石墨反应的速率越快，因此二氧化碳只能在温度较低的气冷堆中使用。高温气冷堆所用的冷却剂氦气是很稳定的，它对石墨和结构材料都是惰性的，但氦中的杂质（氧和水蒸气等）都会引起石墨和结构材料的腐蚀。因此，对反应堆回路中氦气的纯度要求很高，运行过程中还必须连续地进行纯化。高温气冷堆的燃料是用热解碳（或者碳化硅）层包覆的陶瓷微球，包覆层应能阻挡裂变产物，特别是裂变气体进入冷却剂氦气中。因此，高温下裂变产物在这些包覆材料中的扩散行为也是重要的研究课题。

研究高温液态金属钠对金属材料的腐蚀是钠冷快中子堆的重要化学问题之一。通常不锈钢耐液态金属钠的腐蚀。钠的纯度对腐蚀有很大影响，溶解在钠中的杂质氧会引起固体金属质量迁移或氧化侵蚀，杂质氢和氮会引起脆变，杂质碳会使金属从热区向冷区迁移。在钠中氢的溶解度随温度的升高而升高；氧的溶解度与氧的化学状态有关，氢氧化钠溶解度最高，其次是氧化钠，碳酸钠最低；碳的溶解度依赖于氧在钠中的含量；氮的溶解度很低。钠中杂质氧的危害性最大，一般用冷阱沉积收集液态钠中的氧化钠；用加热法使氧与某种金属（如锆）反应清除钠中的氧，这方法同时还可以清除碳、氢、氮等杂质。

钠冷快中子堆的安全问题与回路损坏时熔融金属钠的瞬时氧化有关。在蒸汽发生器发生泄漏事故的情况下，水和水蒸气会进入第二钠回路，钠和水反应后放热，并生成大量氢气。尽管钠回路中不存在氧，不会形成爆鸣气，但会使第二钠回路压力很快升高。这个问题可以通过事故卸料降压装置来解决。

参考书目

1. J.K.Dawson and R.G.Sowden，Chemical Aspects ofNuclear Reactors，Vo1.2～3， Butterworths， London，1963.