基本介紹
- 中文名：反應堆化學
- 性質：化學行為
- 包括：核燃料、包殼材料
- 研究內容：慢化劑和冷卻劑的化學特性
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基本含義
可以構成反應堆體系的物質和材料甚多，包括核燃料、包殼材料、結構材料、慢化劑、冷卻劑等。要求它們不僅具有合適的核性質和物理性質，還必須具有合適的化學性質；不僅要在反應堆運行條件下本身是穩定的,而且彼此能夠相容,即接觸時不起化學作用或很少起化學作用。
反應堆內有高能量的粒子和強的輻射(裂變碎片、快中子、熱中子、β射線和γ射線)，以及大量放射性物質,有時還處在高溫高壓下,為了保證運行的絕對安全，對所用的材料、部件有特殊的高要求。對各種可能發生的事故，例如水冷反應堆失水以後元件棒與空氣的作用和堆芯在高溫下熔化等事故要分析其後果並提出處置辦法。反應堆化學的研究對於保證反應堆的安全運行是必要的，對於開發新型反應堆也是不可缺少的。
研究內容
核燃料、包殼材料、結構材料、慢化劑和冷卻劑的化學特性，反應堆中冷卻劑流體對各種材料的化學侵蝕，電化學腐蝕作用及其抑制方法，以及腐蝕產物的行為等，是反應堆化學的重要研究內容。 不同類型反應堆的化學問題各不相同。一般說來，研究低功率、低溫下運行的反應堆的化學問題不很複雜；而研究大功率、高溫高壓下運行的非均勻動力反應堆的化學問題就要複雜得多，如冷卻劑的化學穩定性和輻射穩定性、冷卻劑對包殼材料和結構材料的相容性、泄漏到冷卻劑迴路中的裂變產物的行為及發生事故時的化學問題等（見非均勻反應堆化學）。均勻反應堆的核燃料與冷卻劑或與冷卻劑和慢化劑組成均勻的流體燃料，它的化學問題特別複雜（見均勻反應堆化學）。這類反應堆在20世紀50～60年代曾有試驗性裝置投入運行，但由於很多技術問題包括化學問題都不易解決，限制了它們的發展和使用。
分支學科
均勻反應堆化學
反應堆化學的一個分支。在均勻反應堆中核燃料與冷卻劑或與冷卻劑和慢化劑處於均勻混合流體狀態。由於傳熱性能好，沒有固體燃料元件的輻射損傷問題，以及中子損失少（元件無包殼、裂變產物可及時除去）等原因，與非均勻反應堆相比，均勻反應堆可達到較高的功率密度、較低的燃料裝載量、較深的燃耗和較高的轉換比；在釷232－鈾233循環的情況下，可能做到熱中子增殖。但是,均勻反應堆存在很多要解決的技術難題,例如找到穩定的含核燃料和轉換材料的流體體系及適當的化學處理方法、研究出能耐這些流體腐蝕的材料、研究出控制這類反應堆及熱交換迴路系統造成放射性沾染的措施等，其中有大量的化學問題。
已經研究過的均勻反應堆有水均勻反應堆、液態金屬均勻反應堆和熔鹽反應堆等。
水均勻反應堆化學
水均勻反應堆用重水或輕水作冷卻劑和慢化劑，核燃料和轉換材料以鹽的形式溶解在水中，或以不溶化合物微細顆粒的形式懸浮在水中，相應的化學問題有：
燃料和轉換材料的選擇 在可溶性鈾鹽中，硫酸鈾醯具有較高的輻照穩定性，它的水溶液是最合適的燃料流體。轉換材料流體要求含有高濃度的釷，只有二氧化釷在水中的懸浮液能滿足要求。還研究過二氧化鈾懸浮液和二氧化鈾-二氧化釷混合懸浮液等。
水的輻射分解及輻解產物的複合 在水均勻反應堆中，由於裂變碎片反衝的直接作用，水的輻射分解很嚴重。研究過往水溶液中加催化劑（如二價銅離子）使氫氧複合成水的方法，也研究過在堆外催化反應器中（用鉑等催化劑）氫氧複合的條件。
裂變產物去除方法 裂變產物氙、氪、碘等可從液體中逸出進入氣相。水溶液中的不溶性裂變產物可以用水力旋流器不斷除去，其他裂變產物可以用常規的核燃料水法後處理除去。對於懸浮液燃料流體，可以利用裂變時的核反衝使裂變產物進入水中或到達氧化物顆粒表面。前者可以用往懸浮液中加活性炭、氧化鋁等除去,後者可以用酸洗氧化物顆粒除去。
液態金屬均勻反應堆化學
液態金屬均勻反應堆用液態金屬作冷卻劑，鉍是僅有的一個本身中子吸收截面低，在熔融狀態下能溶解足夠多鈾的金屬。鉍的慢化能力差，還需用石墨作慢化劑。主要化學問題有：
燃料和轉換材料的選擇 採用釷 232－鈾 233循環的液態鉍鈾合金反應堆的燃料鉍合金鈾233含量為700～1000ppm，該體系可在500℃左右的溫度下操作，溫度再高,結構材料腐蝕嚴重。轉換材料流體要求含釷量高,而釷在液態鉍中溶解度太低，不能滿足要求，使二氧化釷在液態鉍中呈懸浮狀態，可以提高釷的濃度。
結構材料的選擇 鎳在液態鉍中溶解度很大，而且鉍中溶解鎳後鈾的溶解度降低。因此，含鎳高的不鏽鋼都不能用作結構材料。含鉻的碳鋼在腐蝕抑制劑（鎂和鋯）的存在下能較好地耐液態鉍的腐蝕。
裂變產物的去除方法 氙趨向於集中在石墨表面，碘也大部分被石墨吸附。當採用高密度不透氣石墨做慢化劑時，這些裂變產物可以用氦氣鼓泡法從液態金屬中驅出。除去其他裂變產物的方法是用氯化鎂-氯化鈉-氯化鉀三元低共熔鹽（熔點約400℃）萃取。氯化物不穩定的裂變產物，如釕，銠、鈀、鎝和碲在氯鹽萃取時仍留在鉍中，可以用加鋅造渣等方法除去。
熔鹽反應堆化學
熔鹽反應堆用熔鹽作冷卻劑，石墨作慢化劑，燃料和轉換材料都是熔融的無機鹽。主要化學問題有：
熔鹽體系的選擇 熔鹽必須由低中子吸收截面的元素組成，能溶入大於臨界量的易裂變物質（燃料鹽）及高濃度的轉換材料。熔鹽體系必須具有合適的熔點，熱穩定性好，在運行溫度下蒸氣壓低，具有良好的傳熱和流動性，對結構材料和慢化劑腐蝕性弱，對強輻射穩定，還要求價格不貴並有可行的化學處理方法。混合氟鹽是最佳的選擇。美國橡樹嶺國家實驗室建成的試驗性熔鹽堆的熔鹽組成（摩爾百分含量）是：7LiF65、BeF229.1、ZrF5、UF40.9,液化溫度為434℃。第二迴路冷卻劑可採用NaF-BeF2、NaF-7LiF-BeF2或NaF-NaBF4等熔鹽體系。
熔鹽與材料的相容性 已經確定，石墨慢化劑和哈斯特合金（Hastelloy-N,含鉬17%、鉻7%、鐵5%的鎳基合金）在熔融氟鹽中是熱力學穩定的。保持熔鹽有一定的還原性（含有少量三價鈾），可進一步抑制熔鹽對結構材料的腐蝕。
分離方法 從熔鹽中提取易裂變物質和除去裂變產物的方法有：①氟化揮發法回收熔鹽中的鈾，氟氣通過熔鹽時,發生UF4+F2─→UF6反應,揮發出來的UF6可用氟化鈉吸附淨化。②氦氣鼓泡法除去氪、氙等裂變產物。③鉍鋰合金還原萃取鏷233，在熔鹽中，釷232吸收中子生成釷233，然後衰變成鏷233,鏷233以27.0天的半衰期衰變成鈾233；為了提高轉換比（增殖比），把鏷233不斷提取出來，讓它在堆外衰變成鈾 233是很重要的；鏷233的分離周期應小於其半衰期,分離過程必須簡單。如用液態鉍鋰合金進行還原萃取，鉍鋰合金與氟鹽接觸時發生MFn(鹽相)+nLi(鉍相)─→M（鉍相）+ nLiF(鹽相)反應,式中M表示某種金屬,n為它在氟鹽中的價態。600℃時各有關元素在鉍和熔融氟鹽(摩爾百分含量為LiF72、BeF216、ThF412) 間的分配比（D為鉍相中M的含量與鹽相中 M的含量的比值）見圖。由圖可見，鈾和鋯最容易被鉍鋰合金還原萃取；鏷和釷的分配比也有較大差別，可以用還原萃取法進行分離；稀土和釷的分離要用其他方法（如金屬轉移法）。
