“守护核能安全”核电站回路冷却水中微量锌监测技术

早在20世纪90年代的中期，国外为降低压水堆核电站堆芯外辐射场和缓解一次侧应力腐蚀开裂，有一些压水堆核电站开始向一回路冷却剂系统中加入锌来降低辐射场和拟制一次侧应力腐蚀开裂问题。

而我国大多数核电站，一回路水化学策略主要是通过谨慎的控制冷却剂中硼和锂的浓度，以及严格的限制其他物质存在使得PH维持在某一个限值，来保障一回路压力边界和燃料包壳的完整性以及降低堆芯外的辐射场。但在之后的十几年许多PWR核电站的冷却剂化学策略开始有所改变，为了进一步改善介质条件，电厂的工人尝试向冷却剂中加入其他物质，其中研究和应用比较广泛的就是锌。我国2011年在浙江三门开工建设的AP1000核电机组为引进国外技术，首个燃料循环时实施了加锌技术。

说到加锌降低辐射和拟制一次侧应力腐蚀开裂，但也不是随便加就可以，是需要控制其浓度值，比如降低堆芯外辐射场，其浓度一般为5ppb~10ppd；而拟制一次侧应力腐蚀开裂其浓度会比较高，需要控制在15ppb到40ppb。由此可见核电站回路冷却水中微量锌的在线自动监测技术可以说是确保核电站安全运行的其中一个重要环节。锌的监测主要用于评估水化学环境对反应堆材料的腐蚀抑制效果（例如，锌注入技术常用于抑制镍基合金的应力腐蚀开裂），但过量锌也可能导致管道沉积等问题。在线监测技术需满足高灵敏度、实时性、抗干扰性及长期稳定性等要求才能更好有效的监测出锌的浓度。

一、水中锌常用监测技术及原理

1.光学比色法：

原理：待测样品被送入消解反应池后加入强氧化剂，随后进行紫外加热消解，再在紫外光的照射下各种有机干扰物质被快速分解，同时所有形态的锌被统一氧化成二价锌，接着加入还原剂反应完过量的氧化剂，调节溶液的酸度后加入特性显色剂进行显色反应，颜色的深浅与水样中的总锌含量成正比，通过光度法测量反应产物的吸光度值，从而得到水样中的总锌含量。

- 在线化实现：采用流动注射分析系统，自动完成样品采集、反应、检测和数据输出。

- 优点：灵敏度较高，技术成熟，T8000-Zn总锌在线监测仪检测下限至0.5ppb。

- 挑战：需定期更换试剂，易受水中其他金属离子（如Cu²⁺、Fe³⁺）干扰，需复杂预处理。

2.电化学分析法：

阳极溶出伏安法（ASV）

- 原理：电解富集锌离子于电极表面，反向电压溶出并检测电流信号。

- 在线化：采用微型化电极阵列，结合自动电位控制模块。

- 优点：检测限低（可达ng/L级），响应快（＜1分钟）。

- 挑战：电极易污染，需定期清洗和校准；高盐度或有机物可能干扰。

3.电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）：

- 原理：通过等离子体离子化锌原子，质谱检测同位素信号（如⁶⁴Zn）。

- 在线化：结合自动进样系统和微型化ICP-MS装置（如联用膜去溶技术）。

- 优点：超高灵敏度（ppt级），多元素同时检测。

- 挑战：设备昂贵，维护复杂，需稳定氩气供应，难以直接部署于严苛核环境。

4.X射线荧光光谱（XRF）：

- 原理：激发锌原子产生特征X射线，通过能谱分析浓度。

- 在线化：采用固定式探头或流动池设计。

- 优点：无需试剂，非破坏性检测。

- 挑战：灵敏度较低（mg/L级），适用于高浓度监测。

二、另外还需要考虑核电站场景的特殊要求

- 严苛环境适应性：需耐高温、耐辐射、抗振动。

- 低维护设计：设备需长期稳定运行，减少人工干预（如自清洁电极、试剂长效储存）。

- 抗干扰能力：冷却水中可能含硼酸、锂、腐蚀产物（Fe、Cr）等，需化学掩蔽或分离技术。

- 安全认证：符合核安全法规（如ASME、IAEA标准），数据实时传输至中央控制系统。