當(dāng)主冷卻回路中的管道破裂時(shí)，會(huì)發(fā)生反應(yīng)堆冷卻劑喪失事故（LOCA）[1]。在LOCA發(fā)生之后，泄漏處溢出的高溫高壓水會(huì)釋放到安全殼中。為了確保核電站堆芯冷卻和余熱排出，壓水堆（PWR）配備了應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)（ECCS）和安全殼噴霧系統(tǒng)（CSS）。安全殼內(nèi)的水池用于收集冷卻劑和噴霧溶液，通過ECCS和CSS中的泵為反應(yīng)堆系統(tǒng)長(zhǎng)期提供水源。而腐蝕性冷卻劑或高pH的噴霧水溶液（磷酸三鈉或氫氧化鈉）可能會(huì)使安全殼中的結(jié)構(gòu)和絕緣材料發(fā)生腐蝕進(jìn)而溶解[2-5]。同時(shí)由于溫度、壓力和化學(xué)條件的變化，這些溶解物質(zhì)還會(huì)與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生沉淀[6-7]。這些化學(xué)沉淀物、腐蝕產(chǎn)物、灰塵和破碎材料夾雜形成碎屑。為了避免碎屑被運(yùn)送到ECCS和CSS，在ECCS和CSS的入口處安裝了污水過濾器[8]。然而，碎屑極有可能在集水坑篩網(wǎng)上積聚形成床層，從而產(chǎn)生明顯的水頭損失[9]。當(dāng)濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重時(shí)，流向ECCS和CSS的水會(huì)大量減少[10]，引起冷卻水的持續(xù)缺乏，反應(yīng)堆堆芯的安全將受到威脅[11]。
許多國(guó)家已開展了試驗(yàn)工作，以處理LOCA事故對(duì)污水池濾網(wǎng)堵塞的化學(xué)影響。其中，美國(guó)的研究?jī)?nèi)容更為深入。通用安全問題GSI（Generic Safety Issue）-191是由美國(guó)核管理委員會(huì)（United States Nuclear Regulatory Commission，NRC）制定的，旨在評(píng)估PWR應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)或安全殼噴霧系統(tǒng)的運(yùn)行是否會(huì)在LOCA后發(fā)生中斷[1，10，12]。NRC贊助了許多化學(xué)效應(yīng)研究項(xiàng)目，其中，阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開展的綜合化學(xué)效應(yīng)測(cè)試（ICET）項(xiàng)目[13-14]和美國(guó)西屋電氣公司實(shí)施的支持GSI-191的安全殼污水池液體事故后化學(xué)效應(yīng)評(píng)估（WCAP-16530-NP）是最有代表性的[15-16]。
根據(jù)ICET結(jié)果顯示：在高pH（pH9.5）條件下，鋁樣品發(fā)生了明顯的腐蝕，當(dāng)溶液冷卻到室溫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生Al（OH）3、AlOOH或相關(guān)形態(tài)的沉淀；試驗(yàn)中的硅酸鈣將鈣釋放到溶液中與磷酸三鈉反應(yīng)生成磷酸鈣。由于來自ICET項(xiàng)目的數(shù)據(jù)有限，在ICET項(xiàng)目基礎(chǔ)上，WCAP-16530-NP對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)充。ICET試驗(yàn)體系將所有材料放在一起，溶解和沉淀同時(shí)發(fā)生[13]，而WCAP-16530-NP則分別測(cè)量每種材料的溶解速率，溶解試驗(yàn)后再進(jìn)行沉淀試驗(yàn)[15]。WCAP-16530-NP利用溶出和沉淀數(shù)據(jù)建立了一個(gè)化學(xué)模型，該模型可以保守預(yù)測(cè)大破口LOCA中可能形成的沉淀物的數(shù)量和特征。
為了評(píng)估非能動(dòng)核電廠安全殼內(nèi)結(jié)構(gòu)材料、保溫材料以及零部件等在LOCA發(fā)生時(shí)的化學(xué)效應(yīng)，模擬LOCA后地坑水介質(zhì)工況，對(duì)安全殼內(nèi)代表性材料溶解釋放Al、Zn、Ca、Fe等元素的行為進(jìn)行研究。筆者在溶解試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)上述元素在不同工況下的沉積行為進(jìn)行分析。結(jié)合溶解與沉積試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為化學(xué)效應(yīng)分析建模提供支持。
1. 試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)材料與方法
整個(gè)試驗(yàn)體系包括溶解和沉淀兩部分試驗(yàn)，如圖1所示，左側(cè)為沉淀系統(tǒng)，右側(cè)為溶解系統(tǒng)。為了模擬實(shí)際工況，試驗(yàn)?zāi)M了多種溫度和水化學(xué)條件（不同pH/不同沉淀方式），分析非能動(dòng)核電廠安全殼內(nèi)水淹材料代表樣品，如Al片/Zn片/無機(jī)鋅涂層片（IOZ）/防火鋼板（兩塊鋅板中間夾混凝土）/帶銹碳鋼/無堿玻璃布/云母的主要元素釋放速率以及沉淀物構(gòu)成。試驗(yàn)材料成分如表1所示。
| 材料 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Al | Si | Ca | Fe | Zn | K | |
| Al片 | 99.56 | 0.19 | - | 0.25 | - | - |
| Zn片 | - | - | 0.20 | - | 99.74 | - |
| 無機(jī)鋅涂層 | - | 16.19 | 0.16 | 4.75 | 78.85 | - |
| 防火鋼板 | 10.86 | 15.04 | 63.84 | 7.14 | 0.19 | - |
| 帶銹碳鋼 | - | - | 0.28 | 92.73 | - | - |
| 無堿玻璃布 | 17.38 | 42.4 | 37.97 | 1.20 | - | - |
| 云母 | 42.79 | 39.55 | - | 3.28 | - | 14.34 |
1.2 溶解試驗(yàn)
模擬了核電廠事故發(fā)生初期，材料在不同溫度（75~145 ℃）硼酸溶液（pH4）中的溶解釋放行為，以及噴淋系統(tǒng)噴出氫氧化鈉（pH8，pH12）時(shí)不同溫度下材料的溶解釋放行為。相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)如表2所示，溶液pH由氫氧化鈉和硼酸控制。為了充分跨越LOCA場(chǎng)景中集水槽的水溫范圍，測(cè)試溫度設(shè)為75，120，145 ℃。溶出測(cè)試的采樣時(shí)間分別為10，20，30，60，90 min。
