壓水堆燃料元件腐蝕產(chǎn)物沉積危害

壓水堆一回路腐蝕產(chǎn)物沉積是限制壓水堆設(shè)計(jì)、運(yùn)行的重要因素，若不加以控制，積垢會(huì)對(duì)核電站性能產(chǎn)生各種不良影響。具體表現(xiàn)為惡化傳熱、增加壓降，導(dǎo)致堆芯軸向功率偏移（CIPS）和CILC。

為了消除腐蝕產(chǎn)物沉積帶來(lái)的不利影響，在壓水堆服役過(guò)程中采取強(qiáng)制降功率運(yùn)行、臨時(shí)更換換料方案等措施，這都會(huì)增加壓水堆的運(yùn)行成本，CILC還會(huì)使燃料包殼材料劣化，導(dǎo)致燃料元件突然失效。

此外，燃料元件表面積垢在輻照條件下活化并釋放到冷卻劑中，將大大提高整個(gè)一回路的輻照劑量，嚴(yán)重影響核電站工作人員的安全和健康。

商用壓水堆燃料元件垢層特性表征

不同壓水堆中燃料元件積垢的形態(tài)和成分不同，具體取決于冷卻劑化學(xué)、冷卻劑接觸表面及過(guò)冷泡核沸騰發(fā)生的部位等，但其造成的積垢往往存在共同特征，如積垢為多孔結(jié)構(gòu)、存在沸騰煙囪等。

壓水堆燃料元件表面積垢通常為黑色或灰白色腐蝕產(chǎn)物，大多呈均勻分布，僅在少數(shù)燃料元件表面呈不規(guī)則分布。

圖1(a)是積垢在燃料元件表面的分布情況。由圖1(b)~(c)可見(jiàn)，積垢主要由疏松的腐蝕產(chǎn)物組成，內(nèi)部存在許多孔隙，甚至存在貫穿沉積層的長(zhǎng)通道，這些長(zhǎng)通道被稱為沸騰煙囪。

圖1 燃料元件表面積垢的分布情況、表面形貌和截面形貌

燃料元件表面積垢通常為多孔結(jié)構(gòu)，其孔隙率達(dá)60%以上，在許多情況下積垢內(nèi)部還存在沸騰煙囪，是氣泡逸出的形核點(diǎn)。

西屋公司采用westinghouse advanced loop tester（簡(jiǎn)稱WALT回路）模擬壓水堆一回路工況，燃料元件表面形成了不同結(jié)構(gòu)的積垢，并研究了積垢內(nèi)部沸騰煙囪的尺寸、密度及面積。結(jié)果表明：沸騰煙囪的密度為3.3×10⁸~7.8×10⁹ 個(gè)/mm²，面積占比為0.3%~8.5%，中值直徑為1~10 μm；隨著積垢厚度的增加，沸騰煙囪的中值直徑會(huì)相應(yīng)增加，如圖2所示。

壓水堆和模擬壓水堆環(huán)境的動(dòng)水回路產(chǎn)生的積垢存在相似的結(jié)構(gòu)特征，由于壓水堆積垢存在放射性，難以對(duì)其進(jìn)行直接觀察，因此關(guān)于商用壓水堆積垢結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果較少。

壓水堆燃料元件表面積垢通常由Fe、Ni、Mn、Cr等金屬氧化物及Zn組成，以不同形式的鎳鐵氧體存在。

SANDLER研究了積垢物相，結(jié)果表明壓水堆積垢主要以Ni_xFe_3-xO₄形式存在，其中0.45<x<0.75。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)少量Cr_yNi_xFe_3-x-yO₄反晶尖石積垢。

YEON等分析了韓國(guó)壓水堆燃料元件表面的積垢。結(jié)果表明積垢呈多面體和細(xì)針狀的晶粒結(jié)構(gòu)，其中多面體晶粒主要由Fe、Ni組成，F(xiàn)e與Ni的含量比值約為2，細(xì)針狀晶粒主要由Ni組成。因此，推斷積垢主要由NiFe₂O₄和NiO組成。此外，在緊密附著燃料包殼的里層積垢中還發(fā)現(xiàn)了Zn，且Zn與Ni的含量呈負(fù)相關(guān)性。因此，斷定Zn能取代積垢中的Ni。然而，Zn只能替代鎳鐵氧體中的Ni，不能替代NiO中的Ni，因此在表層的針狀積垢中并未發(fā)現(xiàn)Zn。

SAWICKI研究了壓水堆燃料元件表面的積垢。結(jié)果表明積垢主要成分為Ni_xFe_3-xO₄，其中0.6<x<0.8；在軸向功率偏移量為12%~15%的壓水堆積垢中還發(fā)現(xiàn)了Ni₂FeBO₅，證實(shí)了積垢吸附H₃BO₃，進(jìn)而發(fā)生了堆芯軸向功率偏移。

獲得壓水堆燃料元件

表面積垢的試驗(yàn)方法

獲得壓水堆燃料元件表面積垢是研究沉積結(jié)構(gòu)及組成的重要前提，通常在商用壓水堆內(nèi)或通過(guò)模擬壓水堆環(huán)境的堆外回路獲得積垢。

由于強(qiáng)放射性和堆內(nèi)極端條件，在對(duì)商用壓水堆積垢進(jìn)行取樣及研究的過(guò)程中存在很多問(wèn)題，因此僅少數(shù)擁有熱室且具有高放射性材料處理能力的機(jī)構(gòu)才具備研究條件。而通過(guò)堆外回路試驗(yàn)研究壓水堆積垢由于缺少輻照環(huán)境，壓水堆條件很難復(fù)現(xiàn)。

此外，商用壓水堆積垢是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，每一個(gè)換料周期都持續(xù)一年半以上。因此，通過(guò)堆外回路試驗(yàn)獲得的積垢樣品可能與真實(shí)壓水堆積垢存在較大差異。

盡管如此，堆外積垢試驗(yàn)仍是研究壓水堆一回路腐蝕產(chǎn)物沉積的一種有力手段，目前已有部分研究機(jī)構(gòu)嘗試在壓水堆條件下模擬積垢生長(zhǎng)。例如：

• 喬克河核實(shí)驗(yàn)室在NRX研究堆中搭建了X-3回路，分析了水化學(xué)條件、熱流密度及輻照對(duì)包殼表面積垢行為的影響，其特點(diǎn)在于能夠研究輻照的影響。

• 西屋公司科技部實(shí)驗(yàn)室于2005年10月建造了WALT回路，用于壓水堆燃料元件積垢特性研究、積垢?jìng)鳠嵝阅軠y(cè)量、冷卻劑注鋅影響評(píng)估、干涸特性研究及熱點(diǎn)測(cè)試等。

• 麻省理工學(xué)院于2015年構(gòu)建了IHTFP回路，用于壓水堆燃料元件表面積垢分形特性研究及抗積垢涂層性能評(píng)價(jià)；該回路設(shè)置了3個(gè)藍(lán)寶石窗口，可以對(duì)積垢開(kāi)展一系列原位測(cè)試，包括采用激光三角測(cè)量法測(cè)量積垢厚度，采用拉曼光譜法測(cè)量積垢成分，采用激光法測(cè)量積垢接觸角等，為積垢特性的在線研究創(chuàng)造了一定條件。

• 韓國(guó)原子能研究院建立了一套堆外開(kāi)式單項(xiàng)循環(huán)試驗(yàn)回路，用于模擬壓水堆燃料包殼沉積物的形成過(guò)程，其特點(diǎn)在于可以通過(guò)采集聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)段包殼表面的泡核沸騰行為，建立材料、熱流密度及水化學(xué)條件等積垢影響因素與泡核沸騰、積垢行為之間的聯(lián)系。

• 曼切斯特大學(xué)構(gòu)建回路，通過(guò)測(cè)量冷卻劑流過(guò)節(jié)流孔后的流速或壓降變化，研究典型壓水堆工況加速流動(dòng)條件下的腐蝕產(chǎn)物沉積現(xiàn)象。

• 日本中央研究院構(gòu)建了大型集成回路模擬壓水堆工況，研究了包殼表面積垢的影響因素、積垢的傳熱特性、水化學(xué)對(duì)包殼表面積垢的影響等，其中水化學(xué)因素考慮了硼、鋰和鋅等的濃度。

壓水堆燃料元件表面積垢影響因素

壓水堆燃料元件表面積垢作為限制壓水堆設(shè)計(jì)、運(yùn)行及功率提升的重要因素，科研人員在過(guò)去幾十年里對(duì)其已經(jīng)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，下文將從材料性質(zhì)、熱工水力特性、冷卻劑化學(xué)條件及腐蝕產(chǎn)物特性等方面，對(duì)壓水堆積垢單一影響因素試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行回顧與總結(jié)。

積垢表面材料性質(zhì)與腐蝕產(chǎn)物沉積行為密切相關(guān)，影響因素包括疏水性、電勢(shì)、傳熱性能及孔隙率。目前，材料性質(zhì)對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積影響研究主要集中在選材、預(yù)氧化及表面拋光三方面。

在選材對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積影響研究方面，CASSINERI等研究了304L不銹鋼、鈦、Inconel 690合金、ZIRLO合金、氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯陶瓷在加速流動(dòng)條件下的腐蝕產(chǎn)物沉積行為。結(jié)果表明在純水中，基材對(duì)流動(dòng)加速沉積影響較小；在含離子水中，非金屬陶瓷表面沒(méi)有積垢或僅有少量積垢，金屬表面出現(xiàn)大量積垢。綜上所述：純水中的腐蝕產(chǎn)物沉積由鎳、鐵氧化物顆粒的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)決定，表面積垢與選材無(wú)關(guān)；含離子水中的積垢現(xiàn)象受腐蝕產(chǎn)物與基材表面電動(dòng)效應(yīng)控制，基材導(dǎo)電性是影響腐蝕產(chǎn)物沉積的關(guān)鍵因素。

在預(yù)氧化對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積影響研究方面，YEON等研究了預(yù)氧化對(duì)鋯合金傳熱表面腐蝕產(chǎn)物沉積的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)預(yù)氧化的鋯合金腐蝕產(chǎn)物沉積量小于初始鋯合金表面腐蝕產(chǎn)物沉積量的1/2，但該研究并未考慮傳熱表面泡核沸騰的影響。

PARK等研究了初始ZIRLO合金（AR）、預(yù)氧化3天的ZIRLO合金（PO-3)、預(yù)氧化33天的ZIRLO合金（PO-33）在典型壓水堆工況下的腐蝕產(chǎn)物沉積行為。由圖3可見(jiàn)：PO-3、PO-33表面腐蝕產(chǎn)物沉積量比AR分別多了14%、45%，說(shuō)明預(yù)氧化會(huì)促進(jìn)鋯合金表面產(chǎn)生積垢，預(yù)氧化促進(jìn)表面泡核沸騰是表面積垢增加的主要機(jī)制。

圖3 預(yù)氧化對(duì)ZIRLO合金腐蝕產(chǎn)物沉積量的影響

綜上所述：在傳熱表面不發(fā)生泡核沸騰的情況下，預(yù)氧化能有效緩解腐蝕產(chǎn)物沉積；在傳熱表面發(fā)生泡核沸騰的情況下，預(yù)氧化通過(guò)促進(jìn)表面泡核沸騰可以加速腐蝕產(chǎn)物沉積。

在表面拋光對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積影響研究方面，BAEK等研究了化學(xué)拋光對(duì)ZIRLO合金表面腐蝕產(chǎn)物沉積的影響。結(jié)果表明：相比于未經(jīng)化學(xué)拋光的ZIRLO合金，經(jīng)過(guò)化學(xué)拋光后ZIRLO合金表面腐蝕產(chǎn)物沉積量下降了51%；降低表面粗糙度和表面疏水性、抑制過(guò)冷泡核沸騰的發(fā)生和減少腐蝕產(chǎn)物沉積是化學(xué)拋光緩解腐蝕產(chǎn)物沉積的主要機(jī)制。

綜上所述，燃料包殼化學(xué)拋光技術(shù)有望成為一種有效緩解壓水堆燃料元件表面積垢的方法。

溫度場(chǎng)會(huì)影響泡核沸騰行為和腐蝕產(chǎn)物熱運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響腐蝕產(chǎn)物沉積；流道結(jié)構(gòu)、冷卻劑黏性、流道壁面粗糙度會(huì)影響流道流場(chǎng)分布，進(jìn)而影響表面積垢。目前，熱工水力特性對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積影響研究主要集中在溫度場(chǎng)和流場(chǎng)兩方面。

在溫度場(chǎng)對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積影響研究方面，喬克河核實(shí)驗(yàn)室研究了非沸騰和沸騰條件下熱流密度對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積的影響。結(jié)果表明在非沸騰條件下，熱流密度對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積無(wú)顯著影響；在沸騰條件下，腐蝕產(chǎn)物沉積量與熱流密度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。

IWAHORI等研究了沸騰對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積的影響。結(jié)果表明，泡核沸騰條件下腐蝕產(chǎn)物沉積量比過(guò)冷沸騰條件下高1個(gè)數(shù)量級(jí)，比非加熱表面條件下高2個(gè)數(shù)量級(jí)。

KIM等發(fā)現(xiàn)，非沸騰部位腐蝕產(chǎn)物沉積量比沸騰部位低，且腐蝕產(chǎn)物沉積量隨熱流密度和蒸汽率的增加而增加。

BAEK等研究了20 W/cm²和80 W/cm²兩種熱流密度下ZIRLO合金的泡核沸騰行為和腐蝕產(chǎn)物沉積行為。結(jié)果表明，80 W/cm²熱流密度下ZIRLO合金的沸騰氣泡釋放量是20 W/cm²熱流密度下的2.5~4.0倍，腐蝕產(chǎn)物沉積量是20 W/cm²下的3.6倍。

綜上所述，溫度場(chǎng)對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積的影響主要體現(xiàn)在影響過(guò)冷泡核沸騰行為上，提高溫度若能增強(qiáng)泡核沸騰效應(yīng)，那也能加速腐蝕產(chǎn)物沉積。

在流場(chǎng)影響腐蝕產(chǎn)物沉積方面，CASSINERI等研究了在加速流動(dòng)條件下流速（7~83 m/s）對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積的影響。結(jié)果表明隨著流速的增加，腐蝕產(chǎn)物沉積量呈先增大后減小的趨勢(shì)；在7~15 m/s范圍內(nèi)，腐蝕產(chǎn)物沉積量隨流速的增加而增大；在15~83 m/s范圍內(nèi)，腐蝕產(chǎn)物沉積量隨流速的增加而減小；當(dāng)流速為15 m/s時(shí)，腐蝕產(chǎn)物沉積量達(dá)到最大值。

CASSINERI認(rèn)為，低流速（＜15 m/s）下腐蝕產(chǎn)物沉積量與流速呈正相關(guān)性的原因主要包括以下三方面：

(1) 流速增加導(dǎo)致流體層流層厚度減小，從而腐蝕產(chǎn)物微粒到達(dá)沉積表面的距離減小，進(jìn)而促進(jìn)表面積垢；

(2) 流速增加使流體傳遞至腐蝕產(chǎn)物微粒的動(dòng)能增大，從而促進(jìn)表面積垢；

(3) 流體流動(dòng)電流與流速呈正相關(guān)性，因此促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物沉積的電動(dòng)效應(yīng)也會(huì)隨流速的增加而增大。

CASSINERI還認(rèn)為，高流速（＞15 m/s）下表面積垢與流速呈負(fù)相關(guān)性與積垢層所受剪切力增大有關(guān)。

綜上所述，流場(chǎng)對(duì)表面積垢的影響較為復(fù)雜，一方面增大流速能減小流體層厚度，使流體中腐蝕產(chǎn)物攜帶的動(dòng)能增加，同時(shí)使電動(dòng)效應(yīng)的影響增大，從而促進(jìn)表面積垢；另一方面，增大流速可使機(jī)械去除氧化物的剪切力增大，從而緩解表面積垢。

壓水堆冷卻劑pH、溶解氫濃度、溶解氧濃度等參數(shù)是冷卻劑化學(xué)條件的關(guān)鍵指標(biāo)，下面從冷卻劑pH、溶解氫濃度及注Zn²⁺三個(gè)方面總結(jié)冷卻劑化學(xué)條件對(duì)燃料元件表面積垢的影響。

在pH對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積影響研究方面，喬克河核實(shí)驗(yàn)室研究了pH對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積的影響。結(jié)果表明，無(wú)論是在非沸騰條件下還是沸騰條件下，增大pH均能顯著減少堆內(nèi)腐蝕產(chǎn)物沉積量。此外，無(wú)論是添加LiOH還是添加NH₄OH堿化劑，只要pH相同，腐蝕產(chǎn)物沉積量差異就不大。

CASSINERI等研究了不同pH條件下的腐蝕產(chǎn)物沉積行為，發(fā)現(xiàn)高pH條件下的腐蝕產(chǎn)物沉積量明顯減少。

KIM等通過(guò)調(diào)整LiOH和H₃BO₃的添加量來(lái)調(diào)節(jié)pH，系統(tǒng)地研究了三種EPRI建議工況、三種高pH工況及兩種低pH工況下燃料包殼表面的積垢行為。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)pH為6.9~7.4時(shí)，提高pH能有效抑制腐蝕產(chǎn)物在發(fā)熱表面沉積。

圖4 腐蝕產(chǎn)物沉積量隨pH的變化

目前，法國(guó)、瑞典和美國(guó)均報(bào)道了壓水堆在高pH條件下運(yùn)行的成功案例。美國(guó)Comanche Peak核電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在pH=7.4、6 mg/kg LiOH條件下，堆芯腐蝕產(chǎn)物沉積量減少，軸向功率偏移得以緩解，同時(shí)含Ni腐蝕產(chǎn)物的腐蝕釋放量減少，進(jìn)而減緩了放射性核素58Co、60Co的釋放和形成。綜上所述，相較于pH為6.9或7.12條件，壓水堆更適合在pH為7.4條件下長(zhǎng)周期運(yùn)行。

在溶解氫濃度對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積影響研究方面，喬克河核實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，在沸騰狀態(tài)和非沸騰狀態(tài)下溶解氫濃度對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積均無(wú)影響。

YEON等研究了非沸騰（280 ℃）和過(guò)冷泡核沸騰（300 ℃）條件下溶解氫濃度對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積的影響。結(jié)果表明在非沸騰條件下，溶解氫濃度對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積無(wú)明顯影響，在沸騰條件下，當(dāng)溶解氫濃度由0升高至20 cm³/kg H₂O時(shí)，腐蝕產(chǎn)物沉積量由4.5 μg/cm²增加至31.8 μg/cm²。

BAEK等研究了在328 ℃、13 MPa、0，35，70 cm³/kg H₂O條件下的泡核沸騰和腐蝕產(chǎn)物沉積行為。由圖5可見(jiàn)，不同溶解氫濃度下沸騰氣泡釋放數(shù)量和腐蝕產(chǎn)物沉積量均無(wú)明顯差異，溶解氫濃度對(duì)腐蝕產(chǎn)物沉積的影響主要集中在積垢層的成分和形貌上。

圖5 溶解氫濃度對(duì)鎳基合金在一回路水環(huán)境中應(yīng)力腐蝕裂紋生長(zhǎng)速率、裂紋萌生時(shí)間、均勻腐蝕速率和燃料元件表面積垢的影響

壓水堆一回路冷卻劑溶解氫濃度通常控制在25~50 cm³/kg H₂O，JEON等研究表明，將溶解氫濃度提升至25~50 cm³/kg H₂O上限范圍或超過(guò)50 cm³/kg H₂O有利于緩解鎳基合金的均勻腐蝕及應(yīng)力腐蝕。此外，EPRI報(bào)告表明，30~50 cm³/kg H₂O的溶解氫對(duì)鋯包殼腐蝕及吸氫行為無(wú)顯著影響。

在冷卻劑注Zn²⁺影響腐蝕產(chǎn)物沉積方面，KIM等研究了壓水堆工況下冷卻劑中Zn²⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，20，100 μg/kg時(shí)的腐蝕產(chǎn)物沉積行為。結(jié)果表明，當(dāng)Zn²⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100 μg/kg時(shí)，積垢量比不含Zn²⁺時(shí)的大了約55%。

PARK等研究了注Zn²⁺對(duì)包殼表面積垢成分的影響。結(jié)果表明，注Zn²⁺能減少積垢中Ni的沉積量，同時(shí)能將積垢中的Co置換至冷卻劑中，進(jìn)而減少反應(yīng)堆一回路的放射性元素。

KIM等還研究了冷卻劑注Zn²⁺對(duì)積垢成分的影響。結(jié)果表明，當(dāng)Zn²⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20和100 μg/kg時(shí)，積垢成分分別為Ni_0.23Zn_0.14Fe_2.63O₄、Ni_0.15Zn_0.49Fe_2.63O₄，進(jìn)一步證實(shí)了注Zn²⁺能減少積垢中Ni的沉積。

PARK等研究了冷卻劑注Zn²⁺對(duì)包殼表面積垢形貌的影響。結(jié)果表明，冷卻劑注Zn²⁺能細(xì)化表面積垢晶粒。

眾多研究及核電站運(yùn)行實(shí)例表明，冷卻劑注Zn²⁺能夠降低壓水堆一回路結(jié)構(gòu)材料的腐蝕產(chǎn)物釋放速率，減少腐蝕產(chǎn)物的沉積。然而，在冷卻劑中腐蝕產(chǎn)物濃度確定的情況下，冷卻劑注Zn²⁺將增大燃料元件表面的積垢量。

冷卻劑中的腐蝕產(chǎn)物特性會(huì)影響包殼表面的積垢行為，溶質(zhì)態(tài)和非溶質(zhì)態(tài)腐蝕產(chǎn)物的影響存在差異，且兩者間可能會(huì)發(fā)生交互作用。因此，對(duì)溶質(zhì)態(tài)和非溶質(zhì)態(tài)腐蝕產(chǎn)物的影響因素進(jìn)行了總結(jié)，并介紹了兩者間的相互作用。

冷卻劑中的溶質(zhì)態(tài)腐蝕產(chǎn)物主要由Fe²⁺、Fe³⁺及Ni²⁺構(gòu)成，對(duì)溶質(zhì)態(tài)腐蝕產(chǎn)物沉積影響因素的研究主要集中在離子濃度和Ni與Fe含量比兩個(gè)方面。

在離子濃度影響研究方面，KIM等研究了壓水堆工況下不同溶質(zhì)態(tài)腐蝕產(chǎn)物含量下包殼表面的積垢行為。結(jié)果表明，積垢量隨溶質(zhì)態(tài)腐蝕產(chǎn)物濃度的增加呈線性增長(zhǎng)。

在Ni與Fe含量比影響研究方面，BAEK等研究了在325 ℃、12.29 MPa環(huán)境中Ni與Fe含量比對(duì)包殼表面積垢行為的影響。由圖6可見(jiàn)：包殼表面積垢量隨Ni與Fe含量比的增加而降低，富鐵氧化物沉積層加速了冷卻劑中Ni²⁺沉積；當(dāng)Ni與Fe含量比為1:1時(shí)，包殼表面積垢主要呈立方體晶粒；當(dāng)Ni與Fe含量比為39:1時(shí)，積垢呈細(xì)針狀NiO晶粒。這說(shuō)明提高冷卻劑中的Ni²⁺含量可促進(jìn)細(xì)針狀NiO的形成。

冷卻劑中的非溶質(zhì)態(tài)腐蝕產(chǎn)物主要由Fe₃O₄和NiO構(gòu)成，對(duì)非溶質(zhì)態(tài)腐蝕產(chǎn)物沉積影響因素的研究主要集中在氧化物濃度和粒徑兩個(gè)方面。

在氧化物濃度影響研究方面，喬克河核實(shí)驗(yàn)室通過(guò)添加Fe(OH)₂使冷卻劑中Fe₃O₄濃度提高了10倍，非沸騰條件下包殼表面積垢量增加了2~4倍，在沸騰條件下包殼表面積垢量沒(méi)有增加。

在氧化物粒徑影響研究方面，馬忠英等研究了不同粒徑Fe₃O₄在傳熱管中的沉積行為，發(fā)現(xiàn)在2~10 μm范圍內(nèi)腐蝕產(chǎn)物沉積量達(dá)到最大值，但該值并未明確給出。目前，關(guān)于氧化物粒徑對(duì)非溶質(zhì)態(tài)腐蝕產(chǎn)物沉積的影響還有待進(jìn)一步研究。

在溶質(zhì)態(tài)和非溶質(zhì)態(tài)腐蝕產(chǎn)物沉積的相互作用方面，YEON等研究了Fe²⁺對(duì)Fe₂O₃在鋯合金表面沉積的影響。結(jié)果表明：在僅含30 mg/kg Fe₂O₃的冷卻劑中，鋯合金表面未發(fā)生積垢；在含30 mg/kg Fe₂O₃和50 mg/kg Fe²⁺的冷卻劑中，鋯合金表面出現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)積垢，其中內(nèi)層積垢結(jié)構(gòu)緊密，外層積垢相對(duì)疏松，這說(shuō)明Fe²⁺有利于Fe₂O₃在鋯合金表面的沉積。

YEON等還研究了預(yù)沉積Fe₃O₄對(duì)Ni²⁺沉積的影響，通過(guò)Fe²⁺在215 ℃冷卻劑中的鋯合金表面沉積，獲得均勻的Fe₃O₄預(yù)沉積層；通過(guò)Fe₃O₄在100 ℃冷卻劑中的鋯合金表面沉積，獲得不均勻的Fe₃O₄預(yù)沉積層，將兩種預(yù)沉積層在300 ℃、含Ni²⁺冷卻劑中放置12小時(shí)。結(jié)果表明：均勻的Fe₃O₄預(yù)沉積層對(duì)Ni²⁺的沉積無(wú)明顯影響；隨著不均勻Fe₃O₄預(yù)沉積量的增加，Ni²⁺沉積量逐漸增加，最后達(dá)到飽和。

壓水堆燃料元件表面積垢緩解技術(shù)

為了解決壓水堆一回路腐蝕產(chǎn)物沉積問(wèn)題，研究者們進(jìn)行了多次嘗試，很多積垢緩解技術(shù)已經(jīng)取得了試驗(yàn)結(jié)果或申請(qǐng)了發(fā)明專利。目前，主要的積垢緩解技術(shù)包括燃料包殼電解拋光、表面改性、磁性過(guò)濾器、冷卻劑注Zn²⁺、提高冷卻劑pH及燃料組件超聲清洗等，但沒(méi)有一項(xiàng)技術(shù)能夠有效應(yīng)用于商用壓水堆核電站。因此，研究壓水堆燃料元件腐蝕產(chǎn)物沉積規(guī)律及機(jī)理，并提出一種能緩解積垢和應(yīng)用于商用壓水堆核電站的方法具有重要意義。