非均勻反應堆化學

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...

正文

反應堆化學的一個分支。在非均勻反應堆中，核燃料芯塊密封在包殼中，冷卻劑在包殼外流動，不與芯塊直接接觸。這類反應堆的化學問題主要是冷卻劑的化學穩定性和輻射化學穩定性以及它對包殼材料、結構材料和慢化劑的化學作用。裂變產物和腐蝕產物的化學行為與安全有關，也是重點研究的課題。

水反應堆化學

以普通水或重水做慢化劑和冷卻劑的反應堆有兩個主要的化學問題：水在中子和γ射線輻照下的分解、包殼和結構材料在水中的腐蝕。
當水中存在少量氯離子等雜質時，水的輻射分解速率加快，因此必須保持水的高純度。通常採用離子交換法來純化水，水的電導率應小於1×10西/厘米。包殼和結構材料的腐蝕與材料的成分、雜質含量及水的溫度、壓力等因素有關。低溫水反應堆（如游泳池式）中，在保證水的純度及防止點腐蝕的情況下，鋁和不鏽鋼的均勻腐蝕可以忽略；但在溫度壓力較高的動力反應堆（壓水堆、沸水堆）中，必須用鋯合金代替鋁做燃料元件的包殼。純鋯抗水腐蝕的性能很好，但含有少量雜質氮時腐蝕速率大大加快，實際使用的是含有少量的錫、鉻、鎳和鐵的鋯合金。動力堆的非直接輻照部分通常採用不鏽鋼做結構材料。不鏽鋼在蒸汽－水界面處易發生腐蝕，焊縫和水流衝擊處腐蝕更嚴重；水中含有的氯離子和微量溶解氣體（氧等）也會加速不鏽鋼的腐蝕，而且腐蝕產物鬆散，容易脫落進入水中，進而加劇水的輻射分解。保持水的微鹼性，能抑制這種腐蝕。
反應堆運行時燃料元件包殼破裂往往不可避免，它將導致少量裂變產物進入水中而引起熱交換迴路的放射性沾染。這些裂變產物的化學狀態以及它們在結構材料表面上的吸咐和沉積也是非均勻反應堆化學研究的重要課題之一。對在冷卻劑大量流失情況下，處於高溫、潮濕氣氛中元件表面的化學反應也進行了不少的研究。

氣冷反應堆化學

這類反應堆採用二氧化碳或氦氣作冷卻劑，用石墨來慢化中子。高溫下二氧化碳有分解成為一氧化碳和氧氣的傾向，並且會和石墨反應生成一氧化碳。溫度越高則二氧化碳和石墨反應的速率越快,因此二氧化碳只能在溫度較低的氣冷堆中使用。高溫氣冷堆所用的冷卻劑氦氣是很穩定的，它對石墨和結構材料都是惰性的，但氦中的雜質（氧和水蒸氣等）都會引起石墨和結構材料的腐蝕。因此，對反應堆迴路中氦氣的純度要求很高，運行過程中還必須連續地進行純化。高溫氣冷堆的燃料是用熱解碳（或者碳化矽）層包覆的陶瓷微球，包覆層應能阻擋裂變產物，特別是裂變氣體進入冷卻劑氦氣中。因此，高溫下裂變產物在這些包覆材料中的擴散行為也是重要的研究課題。

鈉冷快中子反應堆化學

研究高溫液態金屬鈉對金屬材料的腐蝕是鈉冷快中子堆的重要化學問題之一。通常不鏽鋼耐液態金屬鈉的腐蝕。鈉的純度對腐蝕有很大影響，溶解在鈉中的雜質氧會引起固體金屬質量遷移或氧化侵蝕，雜質氫和氮會引起脆變，雜質碳會使金屬從熱區向冷區遷移。在鈉中氫的溶解度隨溫度的升高而升高；氧的溶解度與氧的化學狀態有關，氫氧化鈉溶解度最高，其次是氧化鈉，碳酸鈉最低；碳的溶解度依賴於氧在鈉中的含量；氮的溶解度很低。鈉中雜質氧的危害性最大，一般用冷阱沉積收集液態鈉中的氧化鈉；用加熱法使氧與某種金屬（如鋯）反應清除鈉中的氧，這方法同時還可以清除碳、氫、氮等雜質。
鈉冷快中子堆的安全問題與迴路損壞時熔融金屬鈉的瞬時氧化有關。在蒸汽發生器發生泄漏事故的情況下，水和水蒸氣會進入第二鈉迴路，鈉和水反應後放熱，並生成大量氫氣。儘管鈉迴路中不存在氧，不會形成爆鳴氣，但會使第二鈉迴路壓力很快升高。這個問題可以通過事故卸料降壓裝置來解決。

參考書目

J.K.Dawson and R.G.Sowden,Vo1.2～3, Butterworths, London,1963.