核电厂水化学

水的物理性质-液态水、蒸汽和冰
蒸汽： 饱和蒸汽 饱和蒸汽压：压力和温度有关，温度升高，饱和蒸汽 压增加----吸热过程 液体 蒸汽 不同物质的饱和蒸汽压不同： 20℃下，水的饱和蒸汽压为2.32×103Pa(17.4mm汞柱) 酒精饱和蒸汽压为5.85×103Pa(43.9mm汞柱) 醚饱和蒸汽压为5.89×104Pa(442mm汞柱)

屏障的完整性
三道屏障 –燃料包壳 –一回路系统(一次压力边界) –安全壳 水化学主要影响前两道屏障
水化学对第一道屏障的影响
包壳材料可能遭受的腐蚀； 氢脆和由于腐蚀产物的沉积； 传热效率的下降导致材料表面温度升高 而引起的材料抗腐蚀性能的恶化。

保护包壳材料的完整性是核电厂运行安 全的主要目标

水分子的氢键
氢键---与电负性强的元素作共价键结合 的氢原子,还可以与此类元素的另一个原 子结合,形成第二个键. 解释:1)水密度反常现象, 2)比热较大
水的离解与pH值


电解质:在水溶液中能部分或全部电离的物质 强电解质:HCl,NaCl,KOH等 弱电解质:氨水,醋酸,碳酸 电离平衡和电离度 电离平衡:弱电解质的电离过程是可逆的,在一定 的条件下,分子电离的速度与离子重新结合的速度相 等,即达到了动态平衡
pH值
氢离子浓度的负对数来表示
pH的计算
例题1-6,说明对于强电解质的酸碱pH的 求法,若电解质的pH求法
无机物在水中的行为
无机物是指单质及化合物,无机物与水的作用 比较复杂,一般可以分为溶解、电离和水解三 类 1）固体无机物的水溶性 绝对不溶的物质是没有的，固体无机化合物 大多数是离子型或极性强的化合物，在极性水 分子作用下，或多或少发生溶解。
水化学对屏障完整性的影响
一次压力边界 – 防止活化腐蚀产物和裂变产物向环境释放 – 关注一回路水化学对燃料包壳、一回路压 力边界完整性和一回路放射性积累的影响 – 二回路水化学控制不良会影响蒸汽发生器 传热管的完整性
辐射场
核电厂的辐射防护目标 –合理可行尽量低 核电厂的辐射场 –正常运行工况下，堆芯外辐射场90%由活 化腐蚀产物贡献 –可以通过控制材料中钴含量及含钴材料 的使用减少钴源


H H 2O H 3O
2H 2 O H 3O OH
水的离解和水的离子积
达到平衡时,习惯写成:
水的离子积
由于水的离解过程是吸热过程,故离子积会随着温度的升 高而增大.
实验证明:在22℃时水的[H+]和[OH-]的离子浓度各为107MOL/l,水的离子积为10-14 在一定温度下,纯水中[H+]和[OH-]的乘积总保持一个定值
水化学对辐射场的影响
水化学控制是减少辐射场形成速率
的唯一方法 堆运行和停堆期间，良好的水化学 控制可以减少活化腐蚀产物的释放、 转移和沉积
水的特性与结构
自然界中的水

水在自然界分布最广,约站地球表面的3/4 淡水中溶质含量约占0.01%-0.05%,海水约占4%, 主要是盐 工业上将水分为硬水和软水 硬水：溶解的Ca、Mg离子多（硫酸盐和氯化 物） 软水：溶解Ca、Mg离子少 暂时硬水：可溶性Ca、Mg的碳酸氢盐
盐类的水解
水解反应是中和反应的逆过程 1)强碱和弱酸生成的盐CH3COONa 水解后溶液成碱性 2)强酸和弱减生成的盐NH4Cl 水解后溶液成碱性 3)弱酸和弱减生成的盐NH4CN,CH3COONH4 水解后溶液成酸性、碱性或中性
盐类的水解
4)强酸和强碱生成的盐,NaCl,KCl 强酸和强碱生成的盐,溶解在水中,电离成 阴、阳离子，这些离子不与水中的氢离子和氢 氧根离子结合，也就是说水中的氢、氢氧根离 子没有减少，即不起水解反应，所以溶液呈中 性。
反应堆水化学
水化学在核电厂中的作用
（一）
PWR简图
核电厂化学的目的
在各种运行和非运行状态下 – 保持良好的化学状况 – 降低电站回路和系统的化学杂质和腐蚀的 危害效应 – 保证电厂设备的长期安全可靠 – 降低电站的辐射剂量水平 – 减少向环境的排放量
核反应堆的类型
堆型
主冷却剂
水堆
轻水 压水堆(次临界堆, 超临界堆) 沸水堆

水分子的缔合
水分子的偶极相互吸引,并通过”氢键”而形 成多分子的聚集状态; 氢键使得水分子具有很 多反常的性质: 1)水分子的取向性----极性水分子在外电场或离 子作用下,会发生定向排列 2)水分子的缔合----简单分子结合成比较复杂的 分子,而不引起物质化学性质的变化的现象,水 分子组成的通式(H2O)x,以(H2O)2最稳定
硬水软化的方法

药物软化法：常用的药剂有：石灰、纯碱或磷 酸三钠等 ；再用明矾澄清得到软水 操作复杂，成本低。通常作为水质软化的初 步处理方法。 离子交换法：第七章详细讲解 机械过滤、膜交换和蒸馏等方法


水的物理性质-液态水、水蒸汽和冰
液态水： 无色、无味无臭的透明液体 4℃时水的密度最大 水的比热最大 确定许多物理常数和单位的一种基准物质 摄式温度 质量单位 热量单位
电离常数

电离达到平衡时,电离生成的离子浓度的乘积 与为电离的浓度之比 CH 3COOH CH COO H 3 k
i
[CHCOO ][H ] ki [CH 3COOH ]

电离平衡遵循化学平衡的一般规律
在25℃下常见几种弱电解质的电离常数
多元酸/碱的电离
多元酸/碱的电离是分步进行的,每一步电离都有它的 电离常数,这些电离常数也各不相同.
电离度

在电离平衡时,溶液中已电离的溶质分子数与 溶解的溶质分子数之比----电离度
电离度（） 已电离的溶质分子数 100% 溶解的溶质分子数
其与电解质和溶剂的性质有关;也与浓度和温度 有关,浓度越小,电离度越大,反之亦然 电离度的大小可以表示弱电解质的相对强弱.
一些弱电解质的电离度,18℃,0.1MOL/l溶液
水的离子积


当水中加入酸时, [H+]增加, [H+]大于10-7,则 [OH-]小于10-7,溶液呈酸性, 当水中加入碱时, [OH-]增加,[OH-]大于10-7, 则[H+] 小于10-7,溶液呈碱性, 中性溶液中不是没有[H+]和[OH-],酸性溶 液中不是没有 [OH-],碱性溶液中不是没有 [H+],只是他们的浓度有所不同
重水
轻水
轻水 重水
快堆
高温气冷堆
钠、钾或钠钾合金
气体冷却，石墨慢化
目前世界上核电站的总数约为近 500座，主要有压水堆、沸水堆、高 温气冷堆、快中子增殖堆、重水堆。 压水堆核电站约占76%以上
我国现有核电站
名称 机组数 堆型 主冷却剂 堆型来源
大压湾 岭奥 田湾 秦山一期 秦山二期 秦山三期
2＋2 2＋2 2＋2 1 2＋2 2
化学监督与控制


放射化学监督
–

废液处理
–

油质监督
–
进行电厂用的润滑油、绝缘油、抗燃油和燃油的分析、试验，检查油质和用 油设备状况
水化学对核电厂的影响

影响核电厂含有放射性的屏障的完整性 影响堆芯以外的辐射场放射性积累,从而影响 工作人员经受的辐射剂量 良好的水化学控制可以大大减少完整性的破坏 和辐射场积累对核电厂的不利影响，改善核电 厂的安全性
核电厂化学的任务

除盐水生产
–
保证向全厂连续提供合格的除盐水 对一、二回路及辅助回路进行化学调节、分析和试验，减少系统和设备的腐 蚀，延长设备的使用寿命 对一、二回路及辅助回路进行放射性的分析和试验，检查第一、二道生物屏 障的密封性及辅助系统设备的密封 进行废液的分析和试验，选择合理的处理方式，减少排放量，保护环境，并 降低处理费用

无机物在水中的行为
2）X射线衍射研究发现,大多数盐和金属氧化物 是由阴离子和阳离子构成的 活度(有效浓度):浓度乘一校正系数,即a=fc 电离度(离解度):已离解的”物质的量”或浓度 占”原有物质量”或浓度的百分数 强电解质:大于60% 弱电解质:小于1% 中强电解质:1-60%
常见的电解质及其分类
H 3 PO4 H H 2 PO
k1
2 3 31 HPO4 H PO4 k

4
k2 2 H 2 PO4 H H PO4
溶液的强弱是有第一步电离所决定的
水的离解和水的离子积

纯水是具有很微弱的导电能力,是非常弱的电 解质,电解成:
H 2O H OH
水的物理性质-液态水、蒸汽和冰
冰: 凝固点/熔点 水变成冰,体积增加 并和水都能蒸发 三相点:

水的化学性质

水分子有很好的稳定性 高于1000℃,水蒸汽明显地离解成氢和氧
2H 2 O 2H 2 O2 136.8kCal

2000℃时,水的离解度只有1.8%;当温度下降,平衡向生 成水的方向移动.但在辐照条件下,水的分解加剧 与许多金属和金属氧化物反应; 与许多化合物反应,生成结晶水化合物.
水的组成与结构
水中氢约占11.11%,氧88.89%,分子质量18克 水分子结构为折线型结构,氢氧键间夹角 104.5° 水分子是极性分子,偶极距μ=6.17×10-3cm 特点:水合作用---极性水分子与其他分子或离子 间相互作用,使得水溶液中的分子或离子被水分 子层层包围,形成水合分子或水合离子 水是离子型化合物的优质溶剂
轻水堆 轻水堆 轻水堆 轻水堆 轻水堆 重水堆
轻水 轻水 轻Hale Waihona Puke Baidu 轻水 轻水 重水
法国 法国 俄罗斯 中国 中国 加拿大
阳江、宁德、红沿河、顺德、三门、盐城、威海(高温气冷堆)、 桃花江等
水化学的重要性
与反应堆堆安全相关--控制反应堆的反应性； 与反应堆运行安全相关---影响反应堆含有放射性屏障的完整性； 影响堆芯以外的放射性积累；
水资源的污染与保护
1）水在地球上的循环 2）水体的污染 3）水的再生和利用