核電廠(chǎng)水化學(xué) 第5章冷卻劑輻射化學(xué)

1、第5章 冷卻劑輻射化學(xué) 5.1 水的輻射化學(xué) 5.1.1 射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用 一般放射性物質(zhì)能夠放出、射線(xiàn)。 射線(xiàn)是氦的原子核， 射線(xiàn)是高速運(yùn)動(dòng)的電子， 射線(xiàn)是波長(zhǎng)極短的電磁波。 這些射線(xiàn)對(duì)物質(zhì)的作用主要是電離效應(yīng)。但即使能量相等的不同種類(lèi)的射線(xiàn)，其電離能力也并不相同，以射線(xiàn)為最大，射線(xiàn)次之，射線(xiàn)最小，三者之間的比值為104：102：1；它們?cè)谖镔|(zhì)中的穿透能力則與此相反， 射線(xiàn)最大，射線(xiàn)次之，射線(xiàn)最小。,此外，在壓水反應(yīng)堆冷卻劑中還存在著其他粒子，如中子、質(zhì)子、裂變碎片核、氚核等。這些粒子的基本核特性見(jiàn)表5-1。,5.1.1.1 射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用 表現(xiàn)為光電效應(yīng)、康普頓-吳有訓(xùn)散射效應(yīng)和

2、電子對(duì)效應(yīng) （1）光電效應(yīng) 指入射光子與原子中的束縛電子發(fā)生作用后，光子把全部能量交給這個(gè)電子，使它脫離原子的束縛而發(fā)射出去（電離），同時(shí)放出X射線(xiàn)，而光子本身消失。 原子的內(nèi)殼層失掉一個(gè)電子（變成光電子發(fā)射出去）以后，原子就處于激發(fā)態(tài)，這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，很快通過(guò)去激發(fā)方式回到基態(tài)。,（2）康普頓-吳有訓(xùn)散射效應(yīng) 指對(duì)于高能光子，核內(nèi)層電子也可以看做是自由電子，光子擊射到這樣的電子上，發(fā)生類(lèi)似于彈性體碰撞的效應(yīng)。這時(shí)，光子將一部分能量傳遞給電子，使其獲得速度，失去了部分能量的入射光子則改變方向使自己的波長(zhǎng)變長(zhǎng)。,（3）電子對(duì)效應(yīng) 指高能光子有可能在原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)換成一對(duì)正、負(fù)電子，

3、光子本身消失。 這種轉(zhuǎn)化僅在入射光子的能量大于電子對(duì)的靜止質(zhì)量時(shí)才有可能發(fā)生，多余的能量轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能。 正電子的壽命極短，當(dāng)正電子的速度接近于零時(shí)，很快和附近物質(zhì)中的負(fù)電子發(fā)生相互作用，重新轉(zhuǎn)化為兩個(gè)光子，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電子對(duì)的湮沒(méi)。,5.1.1.2 電子與物質(zhì)的相互作用 各種射線(xiàn)與物質(zhì)的作用，最后都?xì)w結(jié)到電子與物質(zhì)的相互作用。 電子與物質(zhì)的相互作用，主要表現(xiàn)在電離和激發(fā)兩個(gè)方面。高速電子在穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，一方面將原子內(nèi)軌道電子擊出，造成原子的電離；另一方面，通過(guò)非彈性碰撞使低能態(tài)軌道電子躍遷到高能態(tài)，造成原子的激發(fā)。 通常用通過(guò)單位路程時(shí)的荷電粒子的能量損失dE/dX來(lái)衡量荷電粒子在特定介質(zhì)中

4、的電離能力，并稱(chēng)為線(xiàn)性能量轉(zhuǎn)移(國(guó)際上通用LET表示)或阻止能力。我國(guó)現(xiàn)行計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的名稱(chēng)為傳能線(xiàn)密度或定線(xiàn)限碰撞阻止本領(lǐng)。符號(hào)：L，單位符號(hào):J/m，eV/m。,5.1.1.3 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用 粒子、質(zhì)子、氘核、氚核等的質(zhì)量比電子大得多，叫做重帶電粒子，它們?cè)谕ㄟ^(guò)物質(zhì)時(shí)，主要與原子軌道電子作用，造成原子的電離，并逐漸失去自己的能量。,5.1.1.4 中子與物質(zhì)的相互作用 中子的電中性可使它不受原子核庫(kù)侖場(chǎng)的作用，而能達(dá)到核力作用場(chǎng)內(nèi)，同原子核發(fā)生各種作用。 （1）核分裂（n，f） 復(fù)合核在此過(guò)程中分裂成兩個(gè)（有時(shí)三個(gè)）裂片元素，同時(shí)放出幾個(gè)中子，這就是235U、239Pu、23

5、3U等重要原子核的裂變。 （2）中子散射 中子散射可分為彈性散射（n，n）和非彈性散射（n，n）兩種。,（3）中子俘獲反應(yīng)，如(n，)反應(yīng)，和放出荷電粒子的反應(yīng)，如(n，p)反應(yīng)， (n，D)反應(yīng)，(n，T)反應(yīng)等。 這些反應(yīng)在反應(yīng)堆水化學(xué)中具有相當(dāng)重要的意義。它們將產(chǎn)生新的核素并引起感生放射性，如16O (n，p)反應(yīng)生成16N，具有很強(qiáng)的射線(xiàn)(能量達(dá)到7.11 MeV)，使冷卻劑中的比放射性強(qiáng)度達(dá)3.7MBq/cm3，造成25.8258Ci/(kg.h)的劑量率。 各種射線(xiàn)或粒子，程度不同地同冷卻劑發(fā)生作用。就輻射化學(xué)效應(yīng)而言，重要的是射線(xiàn)和射線(xiàn)與冷卻劑的作用。,（1）定義 兩個(gè)原子核或一

6、個(gè)原子核和一個(gè)粒子（如中子、光子等）接近到1015米量級(jí)時(shí)，兩者之間的相互作用所引起的各種變化過(guò)程稱(chēng)為核反應(yīng),核 反 應(yīng),（2）核反應(yīng)堆內(nèi)在外界中子作用下發(fā)生的核反應(yīng)主要有： 彈性散射反應(yīng)和非彈性散射反應(yīng)（統(tǒng)稱(chēng)散射反應(yīng)）； 輻射俘獲反應(yīng)和裂變反應(yīng)（統(tǒng)稱(chēng)吸收反應(yīng)）。,1）彈性散射反應(yīng) 眾所周知，當(dāng)兩個(gè)理想彈性球相碰撞時(shí)，不發(fā)生能量變化。 中子與原子核發(fā)生彈性散射反應(yīng)時(shí)，原子核既不吸收中子，也無(wú)能量釋放，只是中子的能量傳給原子核，中子的運(yùn)動(dòng)方向和速度發(fā)生變化，但原子核的內(nèi)部狀態(tài)無(wú)變化。 碰撞后中子能量的損失取決于中子的能量與原子核的能量的比值以及原子核質(zhì)量：物質(zhì)的質(zhì)量數(shù)愈大，中子損失的能量愈?。晃?/p>

7、質(zhì)的質(zhì)量數(shù)愈小，中子損失的能量愈大。,中子與原子核的彈性散射過(guò)程 中子在散射后，運(yùn)動(dòng)方向和動(dòng)能發(fā)生改變 靶核則受到反沖 需要輕核作為屏蔽材料 物質(zhì)的質(zhì)量數(shù)愈大，中子損失的能量愈??；物質(zhì)的質(zhì)量數(shù)愈小，中子損失的能量愈大 在防護(hù)中子輻照時(shí)，需要選擇質(zhì)量數(shù)較小的輕物質(zhì)才行， 這樣，中子損失的能量大,（n，n）反應(yīng),慢化：核反應(yīng)堆采用輕核元素作為慢化劑時(shí)，由于它的質(zhì)量輕，入射中子散射后的能量損失大，因此輕核表現(xiàn)出良好的慢化效果。 入射中子彈性散射后，其能量降低到近似等于慢化劑原子的能量，我們稱(chēng)這種中子為熱中子。 彈性散射反應(yīng)的通式為：AZX（n，n） AZX。,2）非彈性散射反應(yīng) 非彈性散射反應(yīng)是，入

8、射中子轟擊原子核后被其俘獲，形成一個(gè)新的復(fù)合原子核，然后重新放出能量較低的中子，同時(shí)以射線(xiàn)或其他粒子形式釋放出過(guò)剩能量，而后穩(wěn)定在基本能級(jí)狀態(tài)。 因此，非彈性散射反應(yīng)的表示式為：AZX（n，n，或其他粒子） AZX。,3）輻射俘獲反應(yīng)-中子核反應(yīng),中子俘獲 用中子作“炮彈”去轟擊原子核，即中子擠進(jìn)原子核的過(guò)程 中子核反應(yīng)包括： （n，）反應(yīng) （n，p ）反應(yīng) （n，）反應(yīng) （n，n）反應(yīng) （n，2n）反應(yīng) （n，f）反應(yīng),質(zhì)子,中子,粒子，氦原子核,（n，）反應(yīng),中子輻射俘獲反應(yīng) 吸收一個(gè)中子，放出射線(xiàn)的過(guò)程 具有強(qiáng)俘獲反應(yīng)的材料可以用于作為控制材料 例如：113Cd（n，）114Cd 鎘 當(dāng)

9、中子能量為0.176電子伏時(shí)，鎘吸收中子的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于能量小于這個(gè)數(shù)值時(shí)的能力，即出現(xiàn)共振吸收 因此經(jīng)常采用鎘作為吸收熱中子的物質(zhì) 在反應(yīng)堆中常用鎘作控制棒的材料，吸收中子以調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率 人工制造放射性同位素的有效方法 中子輻射俘獲反應(yīng)使原子核的中質(zhì)比增大，反應(yīng)產(chǎn)物常具有放射性， 例 利用鈾-238中子輻射俘獲反應(yīng)，可以制造出核燃料钚 需要重核作為屏蔽材料：射線(xiàn)穿透能力強(qiáng) 在防護(hù)輻照時(shí)，需要重核作為屏蔽材料,（n，p）反應(yīng) 吸收一個(gè)中子，放出一個(gè)質(zhì)子的過(guò)程 需要大能量，用于分離能和庫(kù)侖位壘 由于出射粒子是質(zhì)子，它除了需要足夠大的分離能以外，還需要有相當(dāng)大能量用來(lái)克服庫(kù)侖位壘 一般慢中子引起這

10、種反應(yīng)的幾率較小，重靶核發(fā)生這種反應(yīng)的幾率很小，輕核的幾率比較大 （n，p）反應(yīng)例 14N（n，p）14C，3He（n，p）3H等 但當(dāng)中子能量增加時(shí)，較重核也可發(fā)生（n，p）反應(yīng) 具有放射性 （n，p）反應(yīng)使剩余核的中質(zhì)比增加，中子過(guò)多，所以具有放射性 例如上例中產(chǎn)生的剩余核碳-14就具有放射性,（n，p）反應(yīng),（n， ）反應(yīng) 吸收一個(gè)中子，放出一個(gè)粒子的過(guò)程 需要大能量，用于分離能和庫(kù)侖位壘 輕核易發(fā)生（n，）反應(yīng) 慢中子引起重核的（n，）反應(yīng)的可能很小 （n，）反應(yīng)例 6 Li（n，）3H、10B（n，）7Li 反應(yīng)等，其熱中子吸收截面很大 常利用硼-10 和鋰-6作為中子探測(cè)器 利用含

11、硼石蠟作為快中子的屏蔽材料,（n，）反應(yīng),釋放出2個(gè)中子的過(guò)程 當(dāng)入射中子的能量足夠大時(shí)，復(fù)合核處于很高的激發(fā)態(tài)，以致足以釋放出2個(gè)中子，即（n，2n）反應(yīng) 這種反應(yīng)是吸能反應(yīng)，因此具有一定的反應(yīng)閾 具有+放射性 （n，2n）反應(yīng)使核的中質(zhì)比變小，所以剩余核往往具有+放射性 當(dāng)入射中子能量更高時(shí)還可以發(fā)生（n，3n）反應(yīng)、（n，2np）反應(yīng)等。 （ n，2n）反應(yīng)例 55Mn（n，2n）54Mn、9Be（n，2n）8Be、27Al（n，2n）26Al等 它們的剩余核錳-54、鈹-8、鋁-26均具有+衰變及軌道電子俘獲放射性,（n，2n）反應(yīng),（n，f）反應(yīng),裂變反應(yīng) 中子與重核作用，重核分裂成

12、兩個(gè)碎片，平均放出23個(gè)中子，并放出大量熱量 裂變反應(yīng)是中子轟擊重元素原子核后，原子核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的碎片，同時(shí)放出23個(gè)中子和釋放出裂變能。 裂變反應(yīng)是核動(dòng)力反應(yīng)堆的一項(xiàng)最重要的核反應(yīng)，正是核裂變反應(yīng)釋放出的能量，才構(gòu)成核電站的能量源。,注意：自發(fā)裂變是原子核在沒(méi)有受到外界激發(fā)而自行分裂的過(guò)程，是一種特殊類(lèi)型的核衰變。這個(gè)現(xiàn)象是由前蘇聯(lián)物理學(xué)家弗廖洛夫和佩特扎克于1940年發(fā)現(xiàn)的。 質(zhì)量為中等以上的核，尤其是一些重元素，如鈾-236，從能量的角度講都具有自發(fā)裂變的可能性。例如，在1克的鈾中每小時(shí)約有20個(gè)鈾核會(huì)發(fā)生自發(fā)裂變。這對(duì)于反應(yīng)堆的啟動(dòng)有明顯的幫助。 由于1克鈾中每小時(shí)只約有20個(gè)

13、鈾核會(huì)發(fā)生自發(fā)裂變，所以啟動(dòng)時(shí)需要外來(lái)中子擊發(fā)。,質(zhì)子和中子統(tǒng)稱(chēng)核子，其總數(shù)即核子數(shù)，稱(chēng)為元素的質(zhì)量數(shù)，用符號(hào)A表示。 核素 ：具有一定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子,同位素: 質(zhì)量數(shù)不同，而原子序數(shù)相同的元素. 通常用符號(hào)AZX表示某種元素的同位素，X表示元素的符號(hào)。 “同位”意思是在元素周期表中占同一個(gè)位置。,5.1.2 水的輻照分解 5.1.2.1 水的輻射分解過(guò)程 水的輻射分解過(guò)程十分復(fù)雜，取決于許多因素。 電離輻射引起的水或水溶液的變化過(guò)程，從射線(xiàn)轟擊水分子開(kāi)始到建立某種輻射產(chǎn)物的化學(xué)平衡為止，大致可分為三個(gè)階段：,（1）第一階段是輻射能量傳遞階段，是射線(xiàn)和水作用的開(kāi)端，是水分子激發(fā)和電離的過(guò)

14、程。 在這一階段，輻射能量直接或間接地引起水分子的電離或激發(fā)，產(chǎn)生電子、帶正電的水離子H2O+和處于激發(fā)狀態(tài)的水分子H2O*，反應(yīng)式為： H2O ww H2O + + e （5-1） （H2O）* 這一過(guò)程與射線(xiàn)的類(lèi)型和能量無(wú)關(guān)，進(jìn)行得十分迅速，約在l0-15S或10-18l0-16S內(nèi)就完成，即作用時(shí)間很短。,第二階段為建立熱平衡的過(guò)程，這一過(guò)程的作用時(shí)間也很短，約在10-15l0-11s內(nèi)完成，包括如下幾個(gè)過(guò)程： 1）電子的水合過(guò)程：電離電子速度減慢，成為“熱”電子；電子的電場(chǎng)吸引極性水分子在其四周重新排列，所以它又叫水合電子。這一過(guò)程可以表示為： e+nH2Oeaq 或 ee熱e水合 （

15、5-2）,2）帶正電的水離子和相鄰水分子發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成H3O+和OH自由基： H2O+ H2OH3O+OH （5-3） 生成的H3O+也隨即發(fā)生水合作用。 水合H3O+和水合電子的分布范圍不一樣。前者在輻射電離徑跡近旁，而后者要遠(yuǎn)一些，因?yàn)殡娮泳哂懈蟮倪w移性。 3）輻射形成的激發(fā)態(tài)水分子離解生成氫原子和OH自由基： （H2O）*OH+H （5-4）,第一和第二階段形成的H2O+、H3O+、 （H2O）* 、H、OH和eaq，通常稱(chēng)為輻照分解的一次（或初級(jí)）產(chǎn)物。,（3）第三階段為自由基的擴(kuò)散、相互作用及建立化學(xué)平衡階段，即一次輻照分解產(chǎn)物相互作用建立化學(xué)平衡的階段。 因?yàn)樵谳椛潆婋x徑

16、跡范圍內(nèi)，生成了大量的初級(jí)（一次）輻解產(chǎn)物eaq，H2O+，H2O*，H3O+，H，OH等，它們之間互相作用生成次級(jí)輻解產(chǎn)物。同時(shí)，所有這些輻解產(chǎn)物會(huì)逐漸向水體擴(kuò)散。在擴(kuò)散過(guò)程中相互反應(yīng)，并漸漸達(dá)到平衡。這個(gè)過(guò)程在輻射電離徑跡范圍內(nèi)，約在射線(xiàn)通過(guò)后10-11秒開(kāi)始，在水中稍慢一些（10-10秒）。,在此階段內(nèi)輻照分解的一次產(chǎn)物相互作用生成較為穩(wěn)定的分子產(chǎn)物，其反應(yīng)式為： 2H2O H2O eaq+eaq H2+2OH- eaq+ H H2+ OH- eaq+OH OH- eaq+ H3O+ H + H2O eaq+ H2O H + OH- H+HH2 OH+OHH2O2 H+OHH2O H2O

17、2+HOH+H2O,H2O2+OHHO2+H2O H2+OHH+H2O HO2+OHH2O + O2 HO2+ HO2H2O2 + O2 OH- + H3O+ 2H2O 由上可知，冷卻劑輻照分解的最終產(chǎn)物有：分子產(chǎn)物H2、H2O2以及活性粒子OH、H和HO2。 在一般的文獻(xiàn)中，通常將冷卻劑的輻照分解寫(xiě)成如下的綜合式： H2O ww H3O+、eaq、OH、H 、HO2、H2O2、H2,事實(shí)上，純水在反應(yīng)堆中會(huì)分解也會(huì)合成，可以將水的輻解過(guò)程的諸多反應(yīng)歸結(jié)為兩大類(lèi)。 一類(lèi)是水的輻照分解過(guò)程：2H2O ww- H2+H2O2 2H2O ww- H+OH 另一類(lèi)是分解反應(yīng)的逆過(guò)程-復(fù)合反應(yīng)： H2+

18、OHH+H2O H+H2O2 H2O+OH 即反應(yīng)生成的H、OH又會(huì)再和H2O2、H2反應(yīng)。如此循環(huán)，使水的分解產(chǎn)物重新復(fù)合成水。上述2種分解反應(yīng)的份額與射線(xiàn)的LET有關(guān)（見(jiàn)表5-4）。,注意，在溶有氧的水中，氧會(huì)和輻解產(chǎn)生的氫原子反應(yīng)：H+O2HO2，生成HO2。 HO2通過(guò)本身的相互作用：HO2 +HO2H2O2 +O2，以及與輻解產(chǎn)生的氫氧自由基的作用： HO2 +OHH2O +O2 ，使H2O2和O2的產(chǎn)生量大增。 例如劑量率為51020eV/(ml.S)時(shí)，去氣水中H2O2為0.510-6mol/L，未去氣水中H2O2則為9.610-6mol/L。H2O2的分解（H2O2 H2O +

19、1/2O2 ）也產(chǎn)生游離氧。顯然，輻解產(chǎn)物游離氧的產(chǎn)生反過(guò)來(lái)又會(huì)促進(jìn)水的輻解和H2O2的生成。,在有氮或空氣參與的含氧水中的輻射化學(xué)反應(yīng)中，將會(huì)形成硝酸： 2N2+5O2+2H2O4HNO3 加之水離子的離解： H2O+H2OH3O+OH和H2O2的離解：H2O2H2O-+H+，將導(dǎo)致水的pH值下降，甚至可酸化到pH值=34。 這種既有氧、pH值又低的條件，使結(jié)構(gòu)材料的腐蝕加速，特別是不銹鋼和鎳基合金的腐蝕率以及金屬表面腐蝕產(chǎn)物向冷卻劑的釋放增加。 由此可見(jiàn)，反應(yīng)堆一回路初裝水的除氣是必不可少的。,5.1.2.2 水冷堆中的水輻射化學(xué)， 即含硼水在反應(yīng)堆中的輻射分解 以上是就純冷卻劑輻照分解的

20、整體情況作的說(shuō)明。在沸水堆和壓水堆中，冷卻劑的輻照分解反應(yīng)還有所不同。 壓水堆冷卻劑輻射化學(xué)，是硼酸水溶液在反應(yīng)堆條件下的輻射分解，含硼水在反應(yīng)堆中的輻射分解更復(fù)雜一些。,壓水反應(yīng)堆中，向冷卻劑中加入硼酸作為可溶性中子吸收劑。 由10B（n，）7Li反應(yīng)生成的反沖氦核（粒子）和7Li核具有很大的LET值，使反應(yīng)：2H2OH2+H2O2的份額增加（見(jiàn)表5-4）。,假設(shè)射線(xiàn)的吸收不隨硼濃度變化，引進(jìn)硼后，輻解產(chǎn)物的增加歸因于硼的中子反應(yīng)，可以得到表5-5的結(jié)果。,10B（n，）7Li反應(yīng)引起水輻解產(chǎn)額（特別是分子產(chǎn)物產(chǎn)額）明顯增加，這可從射線(xiàn)的LET值對(duì)輻射的影響以及表5-4、表5-5得到解釋。

21、表5-6和圖5-2給出了一系列試驗(yàn)結(jié)果。,這些圖表說(shuō)明: 當(dāng)硼酸濃度低于0.02mol/L時(shí)，10B中子反應(yīng)引起水的輻照分解的增加并不顯著； 當(dāng)硼酸濃度超過(guò)此值后，開(kāi)始觀察到10B中子反應(yīng)引起的輻解氫產(chǎn)生，硼酸濃度越高產(chǎn)生越快；可看到有氧產(chǎn)生，H2的產(chǎn)生量比H2O2略多，二者的差值大約等于氧的生成量，這說(shuō)明部分H2O2發(fā)生了分解。,5.1.2.3 輻解產(chǎn)物產(chǎn)額 在核反應(yīng)堆工藝中，用輻照分解產(chǎn)物產(chǎn)額這一概念來(lái)衡量冷卻劑輻照分解的程度，它表示冷卻劑每吸收100eV的輻射能，產(chǎn)生（冠以“+”號(hào)）或消失（冠以“-”號(hào)）的輻解產(chǎn)物數(shù)目，常用G表示。 如G-H2O=4.1，說(shuō)明水每吸收100eV輻射能量，

22、會(huì)有4.1個(gè)分子分解。GH2=0.41，表示100eV的輻射能量被水吸收后，將有0.41個(gè)氫分子產(chǎn)生等等。,5.1.2.4 輻解產(chǎn)物 根據(jù)輻解產(chǎn)物的化學(xué)形態(tài)，可分為自由基產(chǎn)物和分子產(chǎn)物。 分子產(chǎn)物主要有H2，H2O2和O2。它們由初級(jí)產(chǎn)物互相作用而成，具有比較穩(wěn)定的形態(tài)，可在溶液中積聚到一定濃度，較易測(cè)量。 輻解自由基產(chǎn)物則不然，它們非?；顫?，極不穩(wěn)定，難以積聚到易于測(cè)量的水平。 因此，在實(shí)際工作中往往以易于測(cè)量的分子產(chǎn)物的產(chǎn)額和積取量來(lái)判斷水的輻射分解程度或速度。,根據(jù)化學(xué)性質(zhì)，可以將水的輻解產(chǎn)物分成還原性產(chǎn)物和氧化性產(chǎn)物。 還原性產(chǎn)物包括水合電子e-水合（eaq ） ，氫原子H，氫分子H2

23、。 氧化性產(chǎn)物包括氫氧自由基OH，二氧化氫HO2，過(guò)氧化氫H2O2以及氧分子O2。 需指出的是，因冷卻劑的pH值不同，H2O2和HO2可能是氧化性產(chǎn)物，也可能是還原性產(chǎn)物，例如在酸性和中性水中，這兩種產(chǎn)物呈現(xiàn)出氧化性能，而在堿性介質(zhì)中H2O2則表現(xiàn)出明顯的還原性能。,（1）還原性輻射分解產(chǎn)物 a.水合電子 水合電子是一種很強(qiáng)的還原劑，它的還原能力比原子氫還強(qiáng)。還原電位E等于2.6V。它在室溫水中的擴(kuò)散系數(shù)D為4.7510-3cm2/s，絕對(duì)離子遷移率為1.810-3cm2/V，水合能約為-40kCal/mol。 水合電子除了能與其它自由基產(chǎn)物迅速發(fā)生反應(yīng)外，還能與冷卻劑中許多物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，如將

24、Co2+、Ni2+、Fe2+還原。因此，雜質(zhì)的存在對(duì)水合電子的產(chǎn)額有很大影響。 一般射線(xiàn)造成的水合電子濃度不大于510-9mol/L。,b. 氫原子 氫原子主要由反應(yīng)H2O*H+OH 直接生成。它是又一種強(qiáng)還原性輻解產(chǎn)物，還原電位E為2.1伏。 但它的生成量小于水合電子。當(dāng)輻解過(guò)程的第二階段-建立熱平衡階段開(kāi)始時(shí)，原子氫濃度僅為水合電子的五分之一。 但在酸性條件下，基于下述反應(yīng)，原子氫的濃度可能提高： HA+e水合H+A-,c.氫分子 氫分子的產(chǎn)生歸因于下述自由基反應(yīng)： 2H2O H2O eaq+eaq H2+2OH- eaq+ H H2+ OH- H+HH2 可見(jiàn)H2的生成與水合電子關(guān)系極大

25、，水的直接輻射分解也能生成氫分子: H2O ww- H2+O 但其幾率僅為前述反應(yīng)的1/3。此反應(yīng)的可逆性在反應(yīng)堆水質(zhì)控制中有很大的實(shí)用意義，這一點(diǎn)將在后面述及。 純水中射線(xiàn)的GH2為0.45。,在水的輻射分解過(guò)程中，由于氫分子主要是由初級(jí)自由基產(chǎn)物復(fù)合而成的次級(jí)分子產(chǎn)物，故其在水中的生成量取決于能夠參與復(fù)合反應(yīng)的自由基數(shù)量。 電離輻射的LET越大，即單位輻射長(zhǎng)度上水分子的電離越多，初級(jí)自由基產(chǎn)物的局部濃度越高，此時(shí)分子氫的產(chǎn)額也就越高。因此，重荷電粒子的GH2值要比射線(xiàn)的大得多，這個(gè)規(guī)律也適用于其它分子態(tài)輻解產(chǎn)物。,（2）氧化性輻射分解產(chǎn)物 a.氫氧自由基OH 氫氧自由基是一種氧化能力非常強(qiáng)

26、的輻解產(chǎn)物。當(dāng)H+的濃度為1mol時(shí)，OH的氧化電位E為-2.8伏。這意味著它幾乎能將有所有低價(jià)無(wú)機(jī)物氧化到高價(jià)態(tài)，這是水冷反應(yīng)堆冷卻劑中金屬材料氧化的原因之一。 OH可由下列反應(yīng)產(chǎn)生： H2O ww （H2O）* OH+H H2O+ + H2O OH + H3O+,由OH復(fù)合而成的分子輻解產(chǎn)物H2O2，在射線(xiàn)或水合電子的作用下也會(huì)重新產(chǎn)生OH： H2O2 2OH H2O2 + eaq OH+OH- 在堿性介質(zhì)中OH可以轉(zhuǎn)化成O-： OH O-+H+ OH+OH-2O-+H2 O-也是一種氧化劑，它對(duì)其它物質(zhì)的氧化反應(yīng)速度，以及和H、H2O2的反應(yīng)速度都要比OH快。,b. 二氧化氫HO2 無(wú)氧

27、水中HO2的產(chǎn)生，基于如下反應(yīng)： H2O2+OHH2O+HO2 這個(gè)反應(yīng)由于有H2O2這一輻射分解產(chǎn)物參加，所以與LET值有著密切的關(guān)系。例如，60Co 射線(xiàn)作用下的GHO2=0.026，能量為5.4兆電子伏的射線(xiàn)作用下的GHO2=0.025。 在射線(xiàn)作用下，HO2的生成量極少。但若有氧存在，則HO2是一個(gè)非常重要的次級(jí)產(chǎn)物： O2+HHO2,HO2對(duì)系統(tǒng)中游離氧的生成有很大關(guān)系，因?yàn)镠O2本身的相互作用以及和金屬離子反應(yīng)都會(huì)生成氧分子： HO2+HO2H2O2+O2 HO2+Ce4+H+O2+Ce3+ 這是無(wú)氧水在堆輻射條件下生成游離氧的原因之一。,c.過(guò)氧化氫H2O2 過(guò)氧化氫的產(chǎn)生主要基

28、于氫氧基的互相結(jié)合：OH+OHH2O2 射線(xiàn)作用下的GH2O2為0.68。 水中還原劑濃度增高（如加入氫），會(huì)導(dǎo)致OH的濃度減少，由此引起H2O2產(chǎn)額的降低；相反，當(dāng)LET值增大引起氫氧基的濃度增加時(shí)，H2O2的產(chǎn)額隨之提高。 過(guò)氧化氫水溶液俗稱(chēng)雙氧水，它可以通過(guò)自氧化還原反應(yīng)分解放出氧： H2O2H2O+1/2O2 反應(yīng)隨溫度和pH值的增加而加快，金屬離子的催化作用也會(huì)加劇H2O2的分解，這是水輻解產(chǎn)生游離氧的另一原因。,5.1.3 影響水輻射分解的因素 一般情形下裂變產(chǎn)物射線(xiàn)造成的純水的G-H2O值在3.6-4.6之間，即G-H2O=4.10.5。 水的各種輻解產(chǎn)物產(chǎn)額為：Ge水合=3.1

29、8，GOH=2.72，GH2=0.45，GH2O2=0.68。 根據(jù)物質(zhì)不滅定律，可以寫(xiě)出如下恒等式： GOH+2GH2O2+3GHO2=GH+Ge水合+2GH2 任何因素引起的某一輻解產(chǎn)物產(chǎn)額的增減，都會(huì)導(dǎo)致其它產(chǎn)物產(chǎn)額的相應(yīng)變化。 因此，水的輻射分解以及輻解產(chǎn)物產(chǎn)額受LET值、劑量率、輻射時(shí)間、溫度、pH值和溶液成分等因素的影響。,（1）雜質(zhì)的影響 一方面，輻照分解速度隨冷卻劑中離子雜質(zhì)濃度的增加而加快，因此必須嚴(yán)格控制冷卻劑品質(zhì)，以減少輻照分解。 另一方面，在系統(tǒng)中的氧化或還原性雜質(zhì)，可以和初級(jí)還原性或氧化性輻解產(chǎn)物相互作用，如用S代表雜質(zhì)，R代表初級(jí)輻解產(chǎn)物，P代表反應(yīng)生成物，則有：

30、S+RP 當(dāng)S濃度增加時(shí)，GP也隨之增加，這就大大減少了初級(jí)輻解產(chǎn)物相互反應(yīng)生成次級(jí)產(chǎn)物的機(jī)會(huì)。,由于雜質(zhì)對(duì)水輻解產(chǎn)物的影響十分顯著，所以可以通過(guò)引進(jìn)某種溶質(zhì)的辦法，來(lái)達(dá)到控制某種輻解產(chǎn)物產(chǎn)額的目的。,（2）pH值的影響 水輻解產(chǎn)生的自由基能和H+或OH-發(fā)生反應(yīng)： e水合+H+ H+H2O OH+OH-O-+H2O 所以H+、OH-離子濃度的變化（pH變化）會(huì)引起自由基濃度的改變，影響分子輻解產(chǎn)物的產(chǎn)額。但pH值超過(guò)4時(shí)，其影響可忽略不計(jì)。 右圖給出了pH值對(duì)各種輻解產(chǎn)物G值的影響。,（3）LET和輻射劑量的影響 1）影響輻照分解產(chǎn)物產(chǎn)額的重要因素是射線(xiàn)的線(xiàn)性能量轉(zhuǎn)移值（LET值） LET值

31、用通過(guò)單位路程時(shí)荷電粒子的能量損失來(lái)衡量帶電粒子在特定介質(zhì)中的電離能力。 LET值愈大，產(chǎn)物之間相互作用的可能性愈大，因?yàn)樵诟週ET值下，產(chǎn)物之間的距離短，導(dǎo)致輻照分解的分子產(chǎn)物產(chǎn)額增加和自由基產(chǎn)額減少。,2）在具有高LET值的射線(xiàn)作用下，冷卻劑輻照分解產(chǎn)物產(chǎn)額隨射線(xiàn)劑量的增大呈直線(xiàn)上升趨勢(shì)。,從圖中可以看出，HO2的發(fā)生有一個(gè)閥值，這說(shuō)明僅在輻射電離徑跡中的OH以及分子產(chǎn)物H2O2都達(dá)到一定濃度時(shí)，HO2的產(chǎn)生才有可能。,3）輻射劑量只有在達(dá)到較高數(shù)值時(shí)，才對(duì)輻解產(chǎn)額有明顯影響。 如當(dāng)輻射劑量達(dá)到21023電子伏/厘米3秒時(shí)，GH2GH2O21.2，而一般射線(xiàn)引起的GH20.45 在壓水堆冷

32、卻劑的輻射劑量水平下，GH2和GH2O2均有明顯提高。,（4）溫度和壓力的影響 溫度升高將加快初始輻解產(chǎn)物向水體的擴(kuò)散，從而減少生成分子產(chǎn)物的機(jī)會(huì)。 壓力對(duì)輻射分解的影響是微弱的，當(dāng)壓力低于6.4千巴時(shí)，其影響可以忽略。,5.1.4 冷卻劑（輕水）輻照分解的后果 在中子輻照下冷卻劑會(huì)發(fā)生不明顯的輻照分解，雖然此時(shí)冷卻劑的物理化學(xué)性能并無(wú)明顯變化，但輻照分解會(huì)帶來(lái)一定的不良后果，這種后果表現(xiàn)在以下三個(gè)方面： a. 輻照分解產(chǎn)物對(duì)回路結(jié)構(gòu)材料的耐腐蝕穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響；,b. 當(dāng)輻照分解的氣體產(chǎn)物氫和氧的濃度達(dá)到某一危險(xiǎn)值時(shí)可能發(fā)生爆炸； c. 輻照分解的氣體產(chǎn)物對(duì)傳熱和反應(yīng)堆的反應(yīng)性產(chǎn)生不良影響

33、。,無(wú)論在沸水堆中，還是在壓水堆中，冷卻劑輻照分解產(chǎn)物中以氧對(duì)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的影響最為明顯。 冷卻劑中氧的作用與回路水化學(xué)工況有關(guān)。 一方面，在中性水工況下，氧能減慢金屬的腐蝕速度并能降低氧化鐵腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入冷卻劑中的速度； 另一方面，氧是引起奧氏體鋼晶間破裂的重要因素之一； 此外，在輻射條件下氧還會(huì)明顯地加速鋯合金的腐蝕。 因此，必須抑制冷卻劑的輻照分解。,5. 1.5 加氫抑制水的輻射分解 與水中溶解氧的情況相反，水中的初始?xì)淇梢栽黾铀膹?fù)合率，抑制水的輻照分解，降低輻照分解產(chǎn)物H2O2和O2的生成量，而且H2和O2的復(fù)合反應(yīng)的G值隨溫度升高而增大，只要加入少量氫就能使高溫水中H2O2和O2

34、的濃度降低到難以測(cè)出的水平，即使是水中加硼，使LET增加時(shí)也是如此。 將水的輻射分解和復(fù)合反應(yīng)的化學(xué)方程式及反應(yīng)速率常數(shù)列于表5-7。,用和B分別表示射線(xiàn)以及硼的中子反應(yīng)產(chǎn)物（，7Li）所引起的的分解反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)，注腳d表示以下式分解： H2O*H+OH，注腳R表示以下式分解： 2H2OH2+H2O2 KC、KD 、KE和Kf分別表示輻解產(chǎn)物復(fù)合反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)。,可以得到氫氣的生成率計(jì)算公式如下： dH2/dt=(R+BR)/2-KC (d-Bd)H2/ KE H2O2 上式右邊第1項(xiàng)為氫的生成率（水的完全分解率），第2相為氫的消失率（水的復(fù)合率）。 在一定條件下水的輻照分解率是恒定

35、的 ；而水的復(fù)合率則隨溶液中H2濃度的提高而增加，隨H2O2濃度的提高而減少，亦即當(dāng)溶液中H2濃度增加時(shí)，輻照分解氫的產(chǎn)生率將減少，當(dāng)溶液中的H2O2濃度增加時(shí)則相反。 一般情況下由輻照分解產(chǎn)生的H2和H2O2的濃度大致相等，所以dH2/dt是一個(gè)常數(shù)。,但是，如果溶液中加有氫，則輻照分解氫的產(chǎn)生率減少，也就是說(shuō)，水的輻照分解受到抑制。相反，如果溶液中加入H2O2，則水的輻照分解將加劇。 向硼酸水溶液中分別引入H2和H2O2，測(cè)定H2的產(chǎn)生率，結(jié)果如圖5-3和圖5-4所示。,由圖5-3和圖5-4可知，隨著加入的H2濃度的提高，發(fā)生水的輻照分解（亦即輻照分解氫產(chǎn)生）的閾值越高。 試驗(yàn)表明，當(dāng)加入

36、的H2濃度達(dá)到640mol/L時(shí)，相當(dāng)于每升水中含有14ml的H2（標(biāo)準(zhǔn)狀況），即使硼酸濃度達(dá)到0.14mol/L，也沒(méi)有輻照分解氫產(chǎn)生，即可抑制含硼水的輻照分解。 為留有余地，防止氫的泄漏損失，通常將加氫的濃度控制在每升水中含有2540ml的H2（標(biāo)準(zhǔn)狀況），這相當(dāng)于室溫下氫分壓為1.011052.02105Pa下水中氫的飽和溶解度。這是在壓水堆中采用的使氫保持過(guò)壓以有效抑制水的輻照分解的辦法。,加氫不僅能抑制水的輻照分解，還能消除水中的游離氧。向冷卻劑中同時(shí)引入H2和O2，它們會(huì)很快在輻射作用下合成水。加氫也會(huì)使氧化性輻照分解產(chǎn)物H2O2重新轉(zhuǎn)化成水。 試驗(yàn)表明：在輻照下往含有H2O2的水

37、中劑量率為5.531017eV/(g.min)不斷鼓入氫氣，并測(cè)定H2O2的濃度變化，10min后H2O2的濃度由650mol/L降到0，見(jiàn)圖5-5。,綜上所述，加氫能有效地抑制水的輻照分解，消除水中的游離氧，降低氧化性輻照分解產(chǎn)物的濃度，從而大大減少冷卻劑對(duì)結(jié)構(gòu)材料的腐蝕。 加氫通常是在一回路化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的容積控制箱中完成的，采取向該箱體內(nèi)充入氫氣并保持1-2個(gè)大氣壓。箱中的水為氫氣所飽和，并不斷注入主回路。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，整個(gè)回路的水都將和容積控制箱的氣相氫達(dá)到平衡。有一部分氫將逸出到穩(wěn)壓器空間，逐漸積累，直至氫氣分壓與容積控制箱氣相氫氣壓力相適應(yīng)。,對(duì)于壓水堆，抑制冷卻劑輻照分解的

38、方法是向冷卻劑中投加氫或氨或聯(lián)氨。 加氫的作用在于降低輻照分解產(chǎn)物氫的生成率，從而使冷卻劑輻照分解受到抑制；還能降低冷卻劑中氧和H2O2的濃度。 對(duì)于沸水堆，也可通過(guò)向冷卻劑中加氫來(lái)抑制冷卻劑輻照分解、降低冷卻劑中氧的含量。,加氨，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，優(yōu)于加氫。在冷卻劑中加入氨后，氨按下式分解： 2NH3 3H2+N2 分解形成的氫可起到抑制輻照分解的作用。但同時(shí)形成的氮，在輻射作用下可能會(huì)形成硝酸： 2H2O+5O2+2N2 ww 4HNO3 使冷卻劑的pH值下降，從而加劇結(jié)構(gòu)材料的腐蝕。,In addition,after essentially all of the oxygen has b

39、een consumed by reaction with hydrogen, the nitrogen contained in air will remain. For small air additions, some hydrogen will also remain; thus, the reactor coolant will contain both dissolved hydrogen and dissolved nitrogen. These two gases do not react in an unirradiated solution at low temperatu

40、re and pressure. When exposed to radiation, however, the gases do react by the following reaction.,In the event that a large quantity of air is injected into the reactor coolant system, the inventory of dissolved hydrogen would be rapidly depleted by Reaction ： . If the amount of air injected is suf

41、ficiently large, there could be oxygen remaining in the coolant after depletion of the hydrogen. In this case, another reaction is available to the oxygen and nitrogen in the air.,加聯(lián)胺，其抑制冷卻劑輻照分解的原理基本上與加氨相似。聯(lián)氨的分解反應(yīng)式為： 3N2H4 2NH3+3H2+2N2 /,5.2 冷卻劑放射性污染的原因 根據(jù)光譜分析，冷卻劑的放射性由三部分組成。 第一部分是冷卻劑的自身放射性； 第二部分是核燃料

42、裂變產(chǎn)物釋放到冷卻劑中，致使冷卻劑受到嚴(yán)重放射性污染，這部分放射性稱(chēng)為殺傷性放射性； 第三部分是感應(yīng)性放射性，即冷卻劑中某些雜質(zhì)被活化而形成的放射性。,5.2.1 冷卻劑的自身放射性 冷卻劑的自身放射性與冷卻劑本身的核的放射性有關(guān)。眾所周知，水分子含有的氧核和氫核，本來(lái)都是穩(wěn)定的，其同位素分別為16O、17O、18O和1H、2H。 在核反應(yīng)堆內(nèi)的輻射源作用下，這些同位素會(huì)發(fā)生如下的核反應(yīng): 16O(n，p)16N、16O(p，)13N、17O(n，p)17N、18O(n，)19O、18O(p，n)18F和2H(n，)3H。這些核反應(yīng)的產(chǎn)物都是有放射性的，且在衰變過(guò)程中放出中子、射線(xiàn)以及粒子。,

43、這種自身放射性的特點(diǎn)是核反應(yīng)產(chǎn)物的半衰期短，例如16N的半衰期為7.35s。因此這在一定程度上決定了停堆初期，壓水堆核電站第一回路和沸水堆核電站回路的放射性強(qiáng)度。 冷卻劑的自身放射性，除18F外，是無(wú)法用冷卻劑凈化系統(tǒng)除去的。/,5.2.2 殺傷性放射性 5.2.2.1 核燃料裂變反應(yīng)產(chǎn)物因燃料元件包殼損壞而釋放到冷卻劑中 5.2.2.2 燃料元件包殼外表面被核燃料所污染,5.2.2.1 核燃料裂變反應(yīng)產(chǎn)物因燃料元件包殼損壞而釋放到冷卻劑中 在核反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中，燃料元件包殼因種種原因被損壞，致使其嚴(yán)密性遭到破壞，此時(shí)核燃料裂變反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)釋放到冷卻劑中而產(chǎn)生殺傷性放射性物質(zhì)。 燃料元件包殼損壞

44、的原因有：,燃料元件包殼損壞的原因： （1）燃料元件的復(fù)雜變形 在裂變反應(yīng)產(chǎn)物-裂變碎片，以及熱負(fù)荷的作用下，燃料元件發(fā)生復(fù)雜的變形，導(dǎo)致在包殼中產(chǎn)生顯著的應(yīng)力。這種應(yīng)力會(huì)使元件包殼損壞，致使裂變產(chǎn)物釋放到冷卻劑中。,（2）燃料元件包殼的應(yīng)力腐蝕 應(yīng)力腐蝕可使包殼嚴(yán)密性遭到破壞。 應(yīng)力腐蝕是由某些裂變產(chǎn)物，主要是碘和銫對(duì)包殼作用的結(jié)果，裂變產(chǎn)物的濃度隨核燃料燃耗而增大。 包殼因應(yīng)力腐蝕而損壞的臨界壓力可高達(dá)400500MPa。但試驗(yàn)證實(shí)，在其應(yīng)力為250350MPa時(shí)，500h后包殼就可能損壞。,（3）冷卻劑通過(guò)侵蝕、空穴和振動(dòng)等作用，破壞元件包殼的嚴(yán)密性 這些作用與冷卻劑在堆芯內(nèi)的高流速、堆

45、芯熱交換構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及包殼的高熱負(fù)荷有關(guān)。,（4）其它原因 如： 在冷卻劑流量減小時(shí)，往往會(huì)發(fā)生包殼過(guò)熱現(xiàn)象，使金屬溫度超過(guò)允許值； 包殼材料的滲氫，會(huì)使金屬的脆性增大； 包殼在制備和運(yùn)輸過(guò)程中所造成的機(jī)械損壞等。,需指出的是，即使在包殼不損壞的情況下，氣體裂變產(chǎn)物也有能力擴(kuò)散通過(guò)包殼進(jìn)入冷卻劑中。在包殼損壞時(shí)，氣體裂變產(chǎn)物，主要是惰性氣體，就更易釋放到冷卻劑中。 在正常情況下，冷卻劑的比活度為104108Bq/kg，而當(dāng)元件包殼嚴(yán)密性遭到破壞時(shí)，比活度可高達(dá)108l010Bq/kg，甚至更大。,5.2.2.2 燃料元件包殼外表面被核燃料所污染 核燃料裂變產(chǎn)物釋放到冷卻劑中的另一個(gè)原因是燃

46、料元件包殼外表面被核燃料所污染。 這種污染是在制備核燃料元件時(shí)未及時(shí)除去而殘留下來(lái)的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這種污染不超過(guò)510-4g/cm2(按235U計(jì))，因此對(duì)冷卻劑放射性不會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重的影響。 但這種放射性污染的一個(gè)重要特點(diǎn)是它在回路中會(huì)引起復(fù)雜的轉(zhuǎn)移，這與兩個(gè)因素有關(guān)：污染物中有多種放射性同位素和存在衰變放射性鏈。,放射性鏈的其中一例是: 89Br - 89Kr - 89Rb - 89Sr - 89Y T1/2=4.51s T1/2=3.78min T1/2=15.4min T1/2=5.3d 衰變過(guò)程中形成的89Kr是惰性氣體，它不與核燃料發(fā)生作用，相當(dāng)大的一部分Kr釋放到冷卻劑中，會(huì)在回路的一定

47、地段內(nèi)積累，并衰變成89Rb和89Sr，然后在回路構(gòu)件表面沉淀，形成放射性源。,5.2.2.3 核燃料裂變及其產(chǎn)物 在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用的可裂變核有235U、239Pu和233U三種。 裂變過(guò)程放出的大量能量，是現(xiàn)時(shí)所有核電站的能量來(lái)源。 以235U為例，其熱中子裂變可用下式表示： 235U+10nA1Z1+ A2Z2+ 10n 式中A2=236-A1-， Z2=92-Z1，的平均值為2.46。,裂變產(chǎn)物,定義：在鈾-235裂變反應(yīng)時(shí)，會(huì)形成60余種不同的碎片，通過(guò)衰變產(chǎn)生約250種不同的核素，稱(chēng)為裂變產(chǎn)物 鈾-235的裂變產(chǎn)物質(zhì)量數(shù)分布概率曲線(xiàn)呈現(xiàn)出兩個(gè)明顯的峰，分別位于質(zhì)量數(shù)為85和14

48、0附近 鈾-233和钚-239的裂變產(chǎn)物質(zhì)量數(shù)分布概率曲線(xiàn)與鈾-235的十分接近,裂變產(chǎn)物形成的放射性同位素種類(lèi)可達(dá)250多種，它們的半衰期從幾分之幾秒到1015年。,3.21010 次裂變/秒相當(dāng)于一瓦功率，一個(gè)100萬(wàn)千瓦的核電站一天僅消耗22.5kg 235U 一年消耗730912.5kg 235U 。 在一次裂變中，某種裂變核生成的幾率叫該核的裂變產(chǎn)額。,233U 、 235U 、239Pu熱中子裂變時(shí)重要裂變產(chǎn)物產(chǎn)額（%） 惰性氣體裂變產(chǎn)物 核素 T1/2 233U 235U 239Pu 85Kr 10.7年 0.56 0.293 0.55 85mKr 4.48小時(shí) - 1.3 -

49、87Kr 76分 - 2.49 - 88Kr 2.77小時(shí) - 3.57 - 133Xe 5.29天 - 6.59 - 133mXe 2.19天 - 0.16 - 135mXe 15.6分 - 1.8 - 138Xe 17分 - 5.45 -,233U 、 235U 、239Pu熱中子裂變時(shí)重要裂變產(chǎn)物產(chǎn)額（%） 裂變產(chǎn)物 核素 T1/2 233U 235U 239Pu 84Br 88Rb 17.8分 - 3.7 - 89Rb 15.4分 - 4.8 - 89Sr 50.5天 6.5 4.79 1.9 90Sr 27.7年 5.80 5.77 2.25 90Y 91Y 57.7天 5.1 5.

50、4 3.0 92Sr 2.60小時(shí) - 5.3 - 92Y 3.60小時(shí) - 6.1 - 95Zr 65天 5.9 6.2 5.8 95Nb 35天 5.16 6.4 -,233U 、 235U 、239Pu熱中子裂變時(shí)重要裂變產(chǎn)物產(chǎn)額（%） 裂變產(chǎn)物 核素 T1/2 233U 235U 239Pu 99Mo 66.0小時(shí) 4.8 6.06 5.9 100Mo 31017年 4.40 6.30 7.10 131I 8.08天 2.7 3.1 3.8 132Te 132I 2.26小時(shí) - 4.4 2.25 133I 20.8小時(shí) 3.37 6.9 5.3 134Te 44分 - 6.9 - 1

51、34I 52.5分 - 7.8 - 134Cs 135I 6.68小時(shí) 5.1 6.1 5.8 136Cs,233U 、 235U 、239Pu熱中子裂變時(shí)重要裂變產(chǎn)物產(chǎn)額（%） 裂變產(chǎn)物 核素 T1/2 233U 235U 239Pu 137Cs 26.6年 7.16 5.9 6.50 138Cs 32.2分 - 5.8 - 141Pr 21016年 5.57 5.6 6.02 144Ce 285天 4.1 6.0 3.6 144Pr 17.27分 - 6.1 -,235U 熱中子裂變時(shí)重要裂變產(chǎn)物及產(chǎn)額（%） 核素 T1/2 233U 235U 239Pu 85Kr 10.7年 0.56

52、0.293 0.55 133Xe 5.29天 - 6.59 - 133mXe 2.19天 - 0.16 - 89Sr 50.5天 6.5 4.79 1.9 90Sr 27.7年 5.80 5.77 2.25 131I 8.08天 2.7 3.1 3.8 95Zr 65天 5.9 6.2 5.8 91Y 57.7天 5.1 5.4 3.0 95Nb 35天 5.16 6.4 - 99Mo 66.0小時(shí) 4.8 6.06 5.9 100Mo 31017年 4.40 6.30 7.10 137Cs 26.6年 7.16 5.9 6.50 144Ce 285天 4.1 6.0 3.6 141Pr 21

53、016年 5.57 5.6 6.02,其中有兩種產(chǎn)物135Xe和149Sm對(duì)反應(yīng)性的影響最大。 一是因?yàn)樗鼈兊漠a(chǎn)額大：135Xe的直接裂變產(chǎn)額為0.3%，它又可從產(chǎn)額為5.6%的135 Te衰變（T1/2=2min）而成，所以總產(chǎn)額為5.9%；149Sm的產(chǎn)額為1.30%。 二是因?yàn)樗鼈兊闹凶游战孛娲螅? 135 Xe)= 3.510-22m2，(149Sm)=510-24m2，其他裂變產(chǎn)物的平均截面才410-27m2。,具有很強(qiáng)吸收中子能力的裂變產(chǎn)物在堆內(nèi)出現(xiàn)，會(huì)“吃”掉許多反應(yīng)性，稱(chēng)為反應(yīng)堆“中毒”。 有人叫135Xe為“毒”，而說(shuō)149Sm是“渣”。因?yàn)?35Xe的半衰期只有9.2h，

54、其毒可“解”。而149Sm的半衰期很長(zhǎng)，可以被認(rèn)為是穩(wěn)定的，隨著燃耗的增加而積累。但是它的產(chǎn)額只是135Xe的1/20。同時(shí)對(duì)中子的吸收截面只是135Xe的1/70，對(duì)反應(yīng)性的影響只是135Xe的0.07%。,在大多數(shù)情況下測(cè)定的是核素的放射性活度，即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)。 放射性活度早期用居里表示，1居里= 3.71010衰變數(shù)/秒,放射性活度的定義：放射性核素在單位時(shí)間(dt)內(nèi)發(fā)生核衰變的原子核數(shù)目(dN) ，即：,A=-dN/dt =N=N0e-t,單位： Becquerel(Bq) ， 1Bq=1s-1 以前放射性活度曾以居里（Ci）為單位，1Ci=3.71010Bq。 1Ci就

55、相當(dāng)于1克鐳與它的子系氡在平衡時(shí)的放射性,放射性活度（activity, A),堆芯放射性累積量1 裂變產(chǎn)物 放射性元素 累積量（兆居里） 3H 0.30 Kr 325 Xe 680 Sr 526 I 1017 Cs 595 Zr，Nb，Mo， 1880 Tc锝，Ru，Rb， Pb，Ag，Cd， In，Sn，Sb 稀土元素 4140 其它 3333 合計(jì) 11970,稀土元素是鑭系元素系稀土類(lèi)元素群的總稱(chēng)，包含鈧Sc、釔Y及鑭系中的鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、钷Pm、釤Sm、銪Eu、釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tm、鐿Yb、镥Lu，共17個(gè)元素,堆芯放射性累積量2 裂變產(chǎn)物

56、放射性元素 累積量（兆居里） 錒系元素 U 1816 Pu 34.9 Am 1.14 其它 1761 合計(jì) 3614,堆芯放射性累積量3 結(jié)構(gòu)材料活化產(chǎn)物 Cr，Mn，F(xiàn)e 12.9 Co，Ni，Zr， Nb，Sb 以上三項(xiàng)總計(jì) 15600 /,5.2.3 感應(yīng)放射性 指的是元素原子核吸收中子而形成的放射性，如結(jié)構(gòu)材料、冷卻劑中雜質(zhì)（包括氣體）在中子等輻射作用下被活化，從而帶有放射性。在核電站運(yùn)行中它具有重要意義。,（1）冷卻劑中氣體核素形成感應(yīng)放射性 先來(lái)看冷卻劑中氣體核素形成感應(yīng)放射性的原因，即冷卻劑中某些氣體雜質(zhì)因受輻射作用形成一些放射性核素、致使冷卻劑中產(chǎn)生氣體放射性的原因。 根據(jù)冷卻

57、劑中放射性氣體核素衰變時(shí)形成的射線(xiàn)及其濃度，對(duì)人體最有危害性的是放射性氣體核素16N，其次是19O和41Ar。這些核素是通過(guò)：16O(n，p)16N、18O(n，)19O和40Ar(n，)41Ar等反應(yīng)生成的，它們的半衰期分別為7.38s、2.94s和1.93h。,對(duì)壓水堆來(lái)說(shuō)，很重要的一個(gè)放射性氣體核素是3H，3H的生成率高，半衰期長(zhǎng)，幾乎無(wú)法將它從冷卻劑中除去，致使3H在冷卻劑中積累，從而大大提高了冷卻劑的放射性活度。 3H主要是通過(guò)冷卻劑中所含有的反應(yīng)性調(diào)節(jié)劑硼和pH調(diào)節(jié)劑7Li的核反應(yīng)10B(n，2)3H 和7Li(n，n、)3H而生成的。當(dāng)pH調(diào)節(jié)劑鋰中含有較多的6Li時(shí)，則6Li會(huì)

58、通過(guò)核反應(yīng)6Li(n，)3H也生成3H。,所以，在核反應(yīng)堆運(yùn)行工況下，冷卻劑的放射性主要取決于放射性氣體。 大部分放射性氣體在壓水堆運(yùn)行工況下保留在第一回路中，而在沸水堆中部分放射性氣體被蒸汽帶出。 反應(yīng)堆停堆后，氣體放射性很快降低，從而使工作人員能接近回路的設(shè)備和管路。,（2）堆芯結(jié)構(gòu)材料原子核的活化，以及冷卻劑中的腐蝕產(chǎn)物、某些雜質(zhì)通過(guò)堆芯時(shí)被活化 形成冷卻劑感應(yīng)放射性的另一個(gè)原因是堆芯結(jié)構(gòu)材料原子核的活化，以及冷卻劑中的腐蝕產(chǎn)物、某些雜質(zhì)通過(guò)堆芯時(shí)被活化。 這種活化過(guò)程是由于吸收中子而發(fā)生了核轉(zhuǎn)換反應(yīng)，并伴有新的放射性核素的形成所致。 新的放射性核素具有從幾分之幾秒到幾年的半衰期。,就壓

59、水堆核電站而言，雜質(zhì)進(jìn)入第一回路的途徑有： 隨補(bǔ)充水和首次充滿(mǎn)反應(yīng)堆的水帶入的； 隨第一回路冷卻劑水化學(xué)工況所需的藥劑帶入的； 第一回路結(jié)構(gòu)材料腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入冷卻劑中。,據(jù)蘇聯(lián)的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，一座1200MW的沸水堆中約有70kg雜質(zhì)在循環(huán)流動(dòng)，與冷卻劑相接觸的回路表面約有50kg雜質(zhì)，其總放射性活度可達(dá)3.71013Bq。,在核反應(yīng)運(yùn)行過(guò)程中腐蝕產(chǎn)物不斷積累，其積累程度與第一回路或回路的水化學(xué)工況有關(guān)，水化學(xué)工況愈惡化，積累愈劇烈。 就壓水堆而言，在停堆后幾天，第一回路設(shè)備的放射性基本上取決于結(jié)構(gòu)材料腐蝕產(chǎn)物所形成的放射性核素：51Cr、54Mn、58Co、59Fe、60Co和95Zr等。,這些核

60、素的形成原因是： 1）腐蝕產(chǎn)物的活化和放射性腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到冷卻劑中。 放射性核素可通過(guò)54Fe(n，p)54Mn、58Ni(n，p)58Co和59Co(n，)60Co等核反應(yīng)形成。 轉(zhuǎn)移取決于金屬材料腐蝕產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移速度，例如對(duì)奧氏體不銹鋼，此速度約為100mg/(m2.月)。,由于59Co是鐵礦中鐵的伴生礦物，在低合金熔煉過(guò)程中將有0.02%Co殘留其中，而在生產(chǎn)不銹鋼過(guò)程中由于Co與Ni難以分離，所以不銹鋼中59Co的含量增大。 含59Co量較大的結(jié)構(gòu)材料一旦腐蝕，腐蝕產(chǎn)物中59Co的含量可增大至0.3%，由59Co形成的放射性幾乎增大30%；經(jīng)10000h后，60Co的放射性占反應(yīng)堆回路總