核电站回路和管道系统的主要介质分析

在核电站的回路和管道系统内所采用的液体或气体冷却剂，主要包括加压水、蒸汽、液态钠和氦气；也可以采用二氧化碳气体、重水、有机载热质等作为冷却剂。在核电站各种不同系统的管道内，也输送着如工艺水、去盐水（蒸馏水）、氮气、氩气、化学试剂，以及一系列其他专用介质。

水和蒸汽是应用最广泛的介质，因而绝大部分管路阀门都是在这些介质中工作的。水在辐射作用下易于离解，且具有一定的腐蚀作用。由于水在常压下沸点很低，因此在回路内必须保持很高的压力。

一回路内的水必须清除氧化物及其他悬浮物，因为它们在反应堆内要活化，沉积在管壁上不利于传热。同样要除氧，因为它能氧化金属表面。设备和管道在运行过程中产生的氧化物要比水中的天然杂质多。设备的金属表面产生氧化是与水在反应堆内辐照分解产生具有腐蚀和浸蚀性原子态的氧和氢有关，氧引起设备的腐蚀，而氢与稳压器内的气体（可能是氮、氦或蒸汽）进行反应。如果杂质（在一回路水内的腐蚀产物）的含量很多，它们在反应堆、蒸汽发生器、水泵和阀门等设备内进行沉淀，会使设备的工作性能降低，使它们的放射性水平增加，造成检修困难。

液体介质在阀门内可产生流体动力作用，形成水击、振动、因汽蚀磨损而产生金属和侵蚀以及其他现象。除压力温度外，介质流动速度也影响到上述现象和阀门的强度。表1-6给出了核电站循环管路内冷却剂的流速，动力装置内水和蒸汽一般所采用的流速列于表1-7。

表1-6 核电站循环管路内冷却剂的流速

表1-7 动力装置内水和蒸汽一般所采用的流速

当冷却剂为液态钠时，一回路内阀门的工作条件就更为复杂了。蒸汽参数越高，核电站的经济效益就越好。因此，也必须相应地提高冷却剂的温度。液态金属冷却剂与水不同，它不需要很高的压力就能获得很高的温度。从目前可供使用的液态金属冷却剂中（铅、汞、钠、锡以及其他），只有钠获得了实际的应用。重液态金属冷却剂的缺点是它对很多结构材料都有强侵蚀性，密度很高，多数具有毒性。

钠的熔点不高，只为97.8℃，沸点下的液体密度为0.93g/cm³。钠的沸点为883℃，钠的腐蚀性相对也并不大。在室温下空气中的氧就与钠相互起作用，但由于在表面迅速形成氧化膜，使得这种相互作用过程不再继续，但随着温度的提高，这种作用过程的强度急剧增加。钠与水的相互作用非常强烈，当换热器的连接处密封不严时，或者当回路尚未完全吹干就往内部充钠时，在反应堆内水与钠就有可能发生接触。钠与水大面积接触时，可能引起爆炸；因为钠与水反应的结果会释放出巨大的热量和气态氢。当温度在400℃以下时，钠不与氮起作用，在600℃以下时，也不与碳酸起作用。

钠通过反应堆芯时就成为带有放射性的物质，但在二回路中的钠仍为非放射性的物质。液态钠与其他液态金属冷却剂相比，具有良好的热物理性能，并对大多数相接触的结构材料具有较小的侵蚀性。

在回路内液态钠的温度一般为450～600℃。图1-8给出了前苏联舍甫琴珂核电站液态钠在管路各段的温度分布。在快中子反应堆БН—60和БН—600上，钠在反应堆出口的温度分别为550～600℃和580℃。由于蒸汽温度不断提高，使得最新核装置上钠的温度也逐渐接近900℃。因此，阀门制造企业的设计人员和生产中的工艺人员也应完成相应的研制工作。在钠回路内的工作压力，一般并不太高，为1.5MPa。而二回路内的工作压力一般高于一回路（反应堆回路）内的工作压力，这是为了避免在管道密封受到破坏时，一回路内的放射性钠往二回路里漏流。为了输送回路内的钠使之循环，所消耗的功率并不很大。

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图1-8 核电站液态钠在管路各段的温度分布（前苏联）

一回路内的钠 ----中间回路的钠 ——蒸汽 ——给水 燃气 1—降压减压装置 2—冷凝器 3—泵 4—引到淡化装置 5—汽轮机 6—蒸发器 7—蒸汽过热器 8—反应堆 9—热交换器 10—回热加热器 11—脱氧器 12—输入补给水 13—凝结水返回

要求液态钠对氧和碳清除得特别干净。因氧会加速腐蚀过程，当氧在系统内的含量（质量分数）不超过0.01%时，即使在钠的流动条件下比静态下腐蚀增加一些，但对耐蚀钢都不会造成任何现实的危险；如钠中的含氧量（质量分数）超过0.02%时，即使在长期静置下也会对钢产生不允许的脆化。而碳在结构钢、特别是奥氏体不锈钢中有产生渗碳作用的危险，往钢里渗碳会使钢变脆，那是由于渗碳作用是沿晶界进行的。碳可从润滑油、泵和阀门的填料以及由石墨材料制成的系统其他零部件中进入钠。

在稳压器内的工业纯氮中，含有一定数量的氧，它会引起液态金属冷却剂的氧化。因此，一回路内的冷却剂要保持连续清洗。

运行时，从钠中去除氧是在冷阱和热阱内进行的。在冷阱内，当温度接近于钠的熔点温度时，钠的氧化物就沉淀出来。在热阱内，锆强烈地从钠中吸取氧，并形成相应的氧化物留在热阱内，然后挂结在锆的表面上。

液态钠是一种很好的还原剂，清除金属表面后能促进固态相互共熔金属的扩散过程，因此，在互相接触的金属构件之间，在温度比通常焊接温度低得多的情况下即发生冷焊（自粘接）过程。这种现象可发生在阀门结构的零件之间（闸阀、截止阀和其他阀门）。当它们长期处于力的作用下，并且随着温度和作用力的提高，相互粘接的牢固程度也会增大。

液态金属冷却剂具有高导热性，因此，在液态钠中工作的阀门零件比在水或气体冷却剂中的阀门零件更易于承受热冲击。由于一回路的钠具有放射性，因此，对于阀门结构提出了相应的密封要求，并限制采用含有某些在这种情况下不允许有的金属元素（例如钴）的钢和合金。

氦对于金属不产生腐蚀，并具有良好的导热性能。但氦气很昂贵，并且流动性大，易于泄漏，因而使应用氦做冷却剂的规模受到一定的限制。

二氧化碳气体（CO₂）在温度为500℃时辐照，会分解成CO和O，而O能引起金属的腐蚀。如果系统内存在着水蒸气，它能和CO₂的分解物起反应并释放出氢气，这时即不宜采用那些在氢作用下有脆化倾向的材料或与氢起反应的材料。

由于重水（D₂O）的热中子俘获截面几乎是普通水的七百分之一，其他物理性能与普通清洁水的性能相接近，重水的腐蚀作用比普通水还要小。

有机体冷却剂（二联苯、三联苯等）不腐蚀结构材料。因此，选择在有机体冷却剂介质中工作的零件材料就相对容易些，但是它们在中子作用下不会分解，并释放出氢气，而氢会使结构钢脆化。