核廢料處理及其中的腐蝕與防護——問題簡答

由於硼酸可以有效吸收中子，減緩核反應，因此被作為一種安全防護物質廣泛應用於核工業。硼酸本身是一種弱酸，在腐蝕防護中可作為緩蝕劑使用，通常它對設備的腐蝕影響很小，腐蝕發生的主要原因是由於硼酸洩漏，水分子蒸發濃縮後形成濃縮硼酸水溶液，最後形成結晶，在95℃下飽和硼酸水溶液的pH＜3，具有很強的腐蝕性，常常使碳鋼和低合金鋼這類材料發生溶解腐蝕。

一般乏燃料水池水溫小於50℃，短期異常或事故下最高溫度約80℃，水池中含硼2000～2500mg/L、Cl-濃度＜0.5mg/L，水溶液pH接近中性，發生腐蝕的機率應該很小，但是工程實踐表明確有腐蝕發生。

研究表明，不鏽鋼覆面拼接焊縫處屬於薄弱區域，最易遭受腐蝕，若焊縫缺陷區域產生穿孔或腐蝕裂紋（裂紋處產生應力集中進而誘發應力腐蝕破裂）後，導致硼酸水溶液洩露至覆面與混凝土間的夾層區，混凝土層受到硼酸水溶液的浸泡和腐蝕，即使是在50℃的低溫下，也會使硼水溶液中的水分緩慢蒸發，使得局部區域硼酸濃度升高產生酸化環境，而酸化是引起點腐蝕的重要因素，進而使不鏽鋼覆面焊縫處發生點蝕孔穴（圖5），蝕孔處作為新的應力源，造成危害更深的應力腐蝕破裂。此外由於硼酸水溶液向混凝土牆體的隨機滲入，從混凝土中滲出的Cl-也會加速不鏽鋼引發應力腐蝕破裂的危險。圖6正是覆面由於硼酸溶液浸泡混凝土後，混凝土中滲出的Cl-促使覆面發生氯離子應力腐蝕破裂。

圖5 焊縫缺陷處引發的點蝕現象

圖6 304L不鏽鋼覆面氯離子穿晶應力腐蝕破裂

（a）光學顯微鏡下裂紋截面的形貌 （b）裂紋尖端的顯微形貌

材料工作者們不僅從實地考察水池發生洩漏的原因。還進一步在實驗室模擬水池服役環境，研究304L不鏽鋼在硼酸水溶液中的腐蝕行為，發現在室溫下，304L整體耐蝕性良好，隨著浸泡時間的延長，局部區域稍顯腐蝕，最終腐蝕速率基本保持穩定；隨著溫度升高，304L耐蝕性減弱。不僅如此，材料學家們也從源頭查找問題，比如材料的成分、品質是否達標，施工建造是否符合要求，並且努力研發綜合性能更加優良的材料替換失效的材料。

總之，雖然SFP水化學環境優良，但是由於一些材料設計不當或者施工操作不規範等原因，也會發生腐蝕。如果碰上不可預測的自然災害，如特大風暴、海嘯、地震等，可能造成其過早失效，服役壽命顯著縮短，還會給我們帶來巨大的經濟損失甚至人員傷亡。