[发明专利]在核反应堆的冷却系统中净化金属表面的方法

说明书

在核反应堆的冷却系统中净化金属表面的方法包括进行多个处理循环，每个处理循环包括：氧化步骤，其中在金属表面上包含放射性同位素的金属氧化物与高锰酸盐氧化剂的水溶液接触；在氧化步骤之后的净化步骤，其中金属氧化物与选自草酸、甲酸、柠檬酸、酒石酸、吡啶甲酸、葡萄糖酸、乙醛酸及其混合物的有机酸的水溶液接触，从而溶解至少部分的金属氧化物和放射性同位素；和清洗步骤，其中至少将放射性同位素固定在离子交换树脂上；其中所述氧化步骤包括在相同或不同的处理循环中一个接一个地进行的至少一个酸性氧化步骤和至少一个碱性氧化步骤；和其中所述多个处理循环包括包含高温氧化步骤的至少一个处理循环，其中所述高锰酸盐氧化剂的溶液保持在至少100℃的温度下，并且其中所述至少一个反应堆冷却剂泵用于在所述主回路的内部循环和加热氧化溶液，并且残余热去除系统用于在高温氧化步骤期间控制氧化剂溶液的温度。

技术领域

本发明涉及一种在核反应堆的冷却系统中净化涂覆有包含放射性核素的氧化物层的金属表面的方法，特别地，涉及一种在压水反应堆的冷却系统中净化金属表面的方法。

背景技术

在许多类型的核反应堆中，使用水作为冷却剂，将来自反应堆堆芯的能量转移而用于发电。例如，在压水反应堆(PWR)中，水通过反应堆堆芯以及包含一个或多个反应堆冷却剂泵和一个或多个蒸汽发生器的主回路系统循环。在蒸汽发生器中，来自主冷却剂的热量被转移到形成蒸汽(由此运行涡轮发电机)的副回路。在沸水反应堆(BWR)中，主回路中的水在较小的压力下形成蒸汽，其直接从主系统传递到涡轮机而用于发电。

反应堆冷却系统的管道通常由不锈钢制成，并且在某种程度上由Co合金制成。PWR的主回路内部的主表面和蒸汽发生器管由Ni合金(例如Inconel^TM或Incoloy 800)制成。在大于280℃温度的核反应堆的运行条件下，金属离子从管道的合金中浸出并被输送到冷却剂中。在运行期间通过反应堆堆芯时，部分金属离子被活化而形成放射性同位素。在反应堆的运行期间，这些金属离子和放射性同位素作为氧化物层沉积在反应堆冷却系统内部的金属表面上。

根据用于部件或系统的合金的类型，形成的氧化物层含有具有二价和三价铁的混合铁氧化物以及其他金属氧化物，包括铬(III)和镍(II)尖晶石。特别地，形成在蒸汽发生器管的金属表面上的氧化物沉积物具有高的铬(III)或Ni(II)含量，这使得它们非常耐受并且难以从金属表面去除。

由于在反应堆运行过程中发生的放射性物质的引入而不时出现对这些氧化物层的去除的需要：在延长的运行期间，沉积在反应堆冷却系统的内表面上的诸如Co-60、Co-58、Cr-51、Mn-54等放射性同位素的量积聚。这导致反应堆冷却系统的部件的表面活性或剂量率增加。根据ALARA原则(低至合理可实现)，在对冷却系统进行检查、维护、修理和拆除过程之前，往往需要去除放射性物质，以减少人员辐射暴露的水平。

描述了许多方法以从核反应堆中的冷却系统的金属表面去除含有放射性同位素的氧化物层。商业上成功的方法包括以下步骤：用诸如高锰酸盐等氧化剂处理氧化物层，以将Cr(III)转化为Cr(VI)，然后在酸性条件下使用诸如草酸等有机酸溶解氧化物层。有机酸另外用于减少之前氧化步骤中氧化剂的可能过量，并在净化溶液中将溶解的Cr(VI)还原成Cr(III)。可以加入额外的还原剂以去除氧化剂并将Cr(VI)转化为Cr(III)。然后，通过经过离子交换器，从溶液中除去源自氧化物层并溶解在净化溶液中的诸如Fe(II)、Fe(III)、Ni(II)、Co(II)和Cr(III)等金属离子和活化的放射性核素。在净化步骤后，溶液中的有机酸通过光催化氧化而分解形成二氧化碳和水。

通常，进行包括氧化步骤和氧化物层去除或净化步骤的多个处理循环，以实现在金属表面上的活性的令人满意的降低。与表面活性降低相关的表面活性降低和/或剂量减少被称为“净化因子”。净化因子的计算如下：用净化处理前的表面活性(Bq/cm²)除以净化处理后的表面活性(Bq/cm²)，或者用净化处理前的剂量率除以净化处理后的剂量率。