核燃料循環(huán)和乏燃料后處理設備的腐蝕

01 乏燃料后處理的主要任務

核燃料循環(huán)和乏燃料后處理的任務有4個方面：

①分離（提?。┖图兓律暮肆炎儺a(chǎn)物；

②分離（回收）和純化沒有消耗完的可裂變物質(zhì)和未轉(zhuǎn)化完全材料；

③分離（提?。┯杏玫暮肆炎儺a(chǎn)物同位素和超鈾元素；

④將使用過的輻照燃料元件拆除包殼，溶解乏燃料，并且安全妥善處置放射性廢物。

02 乏燃料后處理的工藝

普雷克斯（Purex）流程，該方法首先將乏燃料的經(jīng)過適當?shù)念A處理轉(zhuǎn)化成硝酸鹽溶液，然后用磷酸三丁酯（TBP）進行萃取分離和純化，達到核燃料回收和去污凈化的目的。由此可見，乏燃料后處理是在硝酸體系中進行的。因此，防爆、防輻射和防腐蝕就成為這個工藝流程特別要注意的問題。

03 乏燃料后處理設備的腐蝕

我國的核反應堆后處理廠放化設備的失效原因主要是局部腐蝕引起的泄漏。常見的局部腐蝕有晶間腐蝕、縫隙腐蝕、空泡腐蝕、換熱器管的沖刷腐蝕和過鈍化腐蝕。

①晶間腐蝕。

由于乏燃料后處理是在硝酸體系中進行的，并且含有強氧化性的裂變產(chǎn)物離子，因此對于放化設備需要進行晶間腐蝕傾向試驗時應首先采用硝酸法；

②過鈍化腐蝕。

乏燃料后處理放化設備包括燃料元件溶解、廢液蒸發(fā)和HNO3回收等工藝設備。再沸器的工藝條件為60%～65%（mass）的沸騰HNO3，工作壓力為負壓～33.34kPa，再沸器的材質(zhì)使用過S32169、S30403、00Cr25Ni20和Ti材。不銹鋼設備在這種沸騰的高濃度HNO3或含有Cr6+離子等強氧化性離子的沸騰硝酸溶液中，處于過鈍化區(qū)的腐蝕電位區(qū)域。Cr6+離子是極強的陰極去極化劑，這種去極化反應加速了不銹鋼的腐蝕，在腐蝕電池的陰極區(qū)被還原成Cr3+。不銹鋼在沸騰HNO3溶液中過鈍態(tài)腐蝕是典型的晶間腐蝕，而且會產(chǎn)生非敏化態(tài)的晶間腐蝕，甚至超低碳的奧氏體不銹鋼也都不能抵抗這種過鈍化腐蝕。例如我國某乏燃料后處理廠的HNO3回收再沸器，在9個生產(chǎn)周期里先后更換過5臺再沸器，使用最短的不到3個月，最長的也不到3a；

③ 縫隙腐蝕。

我國某乏燃料后處理廠的HNO3回收再沸器、外加熱式蒸發(fā)器和輸送物料的管道采用單面焊的焊接接頭曾因為縫隙腐蝕而泄漏。其主要原因是焊接接頭根部材質(zhì)未焊透或其它焊接缺陷，形成了縫隙腐蝕的條件而發(fā)生腐蝕泄漏；

④ 換熱器管進口端腐蝕。

換熱器管進口端腐蝕是乏燃料后處理廠列管式換熱器常見的一種腐蝕形式。許多列管式換熱器在換熱器管進口端大約30～40mm 范圍內(nèi)產(chǎn)生一些溝槽和凹坑。有的甚至穿透管口，其形貌如同朽木，如圖5-185所示。

圖5-185  換熱器管進口端腐蝕

換熱器管進口端腐蝕是腐蝕和沖刷聯(lián)合作用的結果，流體的沖刷破壞進口端表面的鈍化膜，腐蝕性介質(zhì)直接腐蝕管口的新鮮金屬，形成活化腐蝕狀態(tài)。這種沖刷與腐蝕的惡性循環(huán)使得管口腐蝕速度加快。

另外，管口是列管與管板焊接部位，管口內(nèi)壁屬于焊接熱影響區(qū)。所以這里的抗腐蝕性比管子其它部位要差。

換熱器管進口端腐蝕主要受2個因素的影響。一個是鈍化膜抗沖刷的能力和在腐蝕溶液中再鈍化的能力。鈍化膜抗沖刷的能力強，不容易被流體破壞，管口金屬受保護的時間就長。即便被沖刷局部破損了，也會比較快的再鈍化，管口金屬遭受腐蝕的損傷就輕。反之亦然。另一個影響因素是流體的流速和流態(tài)，流速高，相對的沖刷能力就強，流體在湍流的狀態(tài)下會產(chǎn)生強烈的攪動，使流體和管口金屬表面的接觸和沖擊更加頻繁和強烈。換熱器的流體從接管進入換熱器管箱，再進一步進入列管時，流速、流道和流態(tài)都會發(fā)生變化。往往在進口端十幾～幾十毫米范圍內(nèi)形成湍流，造成進口管端的腐蝕。

根據(jù)乏燃料后處理廠列管式換熱器設備和工藝的特點，可采用下列方法改善換熱器管進口端腐蝕：

a.選擇合適的耐腐蝕材料；

b.做好管板和列管管口的焊接接頭的設計、焊接工藝的控制和焊接質(zhì)量的檢測，以緩解湍流的程度，提高管口焊接的耐腐蝕性；

c.設計足夠的管箱緩沖空間和有利的流體進入管口的方向；

d.在流體入口處設置合適的擋板，減少對于換熱器進口管端的腐蝕。

⑤ 空泡腐蝕。

國內(nèi)一個乏燃料后處理廠有臺旋風分離器曾經(jīng)發(fā)生過空泡腐蝕。該設備的下椎體拼接接頭內(nèi)表面沒有打磨平，高出母材。高速流體通過這個焊縫接頭時在流體方向的焊接接頭背側(cè)形成負壓區(qū)，使介質(zhì)中的液滴汽化形成蒸汽泡隨后汽泡破裂造成附近區(qū)域空泡腐蝕。產(chǎn)生許多粗糙的線型溝槽，有些地方撕成空洞，不到2個月就出現(xiàn)泄漏。

空泡腐蝕與流體的流速緊密相關。據(jù)資料介紹，18-8型奧氏體不銹鋼產(chǎn)生空泡腐蝕的流體臨界流速為50～60ms-1。而這臺旋風分離器此處的流速達到70ms-1。經(jīng)過對旋風分離器設計改進，增大結構尺寸，控制流體的流速不超過40ms-1，并且磨平焊縫，消除了空泡腐蝕。對其它的同類旋風分離器進行檢測，其流速都在30～40 ms-1范圍之內(nèi)，故沒有空泡腐蝕現(xiàn)象?？梢姳苊饪张莞g的關鍵是控制流體的流速，提高設備表面的平整度。

參考文獻

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