HTR-10放射性石墨粉塵取樣回路中過濾元件的效率研究

皮 月，謝 鋒，曹建主，C.Chadwick

（1.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院 先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.中國核電工程有限公司，北京 100840；3.Porvair Filtration Group，Hampshire PO15 5RT United Kingdom）

10 MW 高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆（HTR-10）采用包覆顆粒球形燃料元件，并采用多次通過堆芯的燃料循環(huán)方式，燃料球相互之間以及與其他石墨構(gòu)件發(fā)生摩擦磨損，也會(huì)與燃料裝卸系統(tǒng)管道壁發(fā)生摩擦，產(chǎn)生石墨粉塵。石墨粉塵可吸附固體裂變核素，形成放射性氣溶膠，給設(shè)備的維護(hù)和檢修等帶來困難，并可能影響反應(yīng)堆安全正常運(yùn)行。HTR-10中石墨粉塵基于體積和體積平方模型的計(jì)算結(jié)果［1-2］表明，氦氣流中石墨粉塵的體積絕大部分小于1μm3，且石墨粉塵在氦氣流中的滯留時(shí)間較短，凝并現(xiàn)象并不嚴(yán)重。當(dāng)石墨粉塵的產(chǎn)生速率與其沉積速率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，氦氣中的石墨顆粒濃度將基本保持不變。這時(shí)氦氣中攜帶的石墨粉塵量估算為1.84～7.35μg／m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），與德國球床式石墨反應(yīng)堆AVR 的5μg／m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）接近［3］。

為對(duì)一回路氦氣中放射性石墨粉塵進(jìn)行取樣分析，在HTR-10 中建造了一條實(shí)驗(yàn)回路［4-5］，核心部件為一可拆卸的取樣過濾器，在其內(nèi)部連續(xù)放置了一系列能承受高溫以及輻照環(huán)境的圓盤式高性能燒結(jié)金屬粉末過濾元件。本文研究分析所采用過濾元件的壓降特征、表面結(jié)構(gòu)以及基本過濾機(jī)理，對(duì)過濾元件的過濾效率隨粉塵粒徑變化的規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。設(shè)計(jì)并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)過濾元件的過濾效率隨粉塵粒徑的變化情況進(jìn)行測量，并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)論將對(duì)即將進(jìn)行的HTR-10一回路放射性石墨粉塵取樣測量的實(shí)驗(yàn)研究分析提供重要基礎(chǔ)。

1 圓盤式燒結(jié)金屬粉末過濾元件

燒結(jié)金屬粉末多孔材料一般是由球狀或不規(guī)則形狀的金屬或合金粉末經(jīng)成形與燒結(jié)制成的［6］。燒結(jié)多孔金屬過濾材料具有良好均勻的透氣性，保證了可靠的過濾性能、有效的反吹清潔能力和較長的使用壽命，可有效經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用于對(duì)壓力、高溫和外界環(huán)境敏感的工作狀況。選擇適當(dāng)?shù)目讖匠叽纭?qiáng)度和耐腐蝕能力的過濾材料能使過濾器長期運(yùn)轉(zhuǎn)且能高效去除微粒。HTR-10一回路放射性石墨粉塵取樣回路所采用的不銹鋼燒結(jié)金屬粉末過濾元件性能參數(shù)列于表1。

型號(hào) 氣泡點(diǎn)壓力／Pa 最大孔徑／μm 相對(duì)透氣系數(shù)／（m3·h-1·kPa-1·m-2） 耐壓破壞強(qiáng)度／MPa FSD01 14 600～17 500 5.3～6.3 8.47～10.0 3.20 FSD03 8 130～9 470 9.7～11 22.3～25.6 3.20 FSD05 5 680～6 310 15～16 39.9～44.4 3.20 FSD10 3 820～4 010 23～24 95.8～101 3.20 FSD20 2 550～2 660 35～37 157～169 3.20 FSD50 2 010～2 090 44～46 183～208 2.52 FSD80 1 300～1 510 61～71 386～402 2.52

燒結(jié)金屬粉末過濾元件的直徑均為70mm，厚度2.5～3.0 mm。其中過濾元件型號(hào)是根據(jù)液體中過濾效率為98%時(shí)所阻擋的顆粒尺寸命名的。如FSD01，即為對(duì)于尺寸為1μm的顆粒其過濾效率達(dá)98%。如表1所列，隨著型號(hào)的增加，透氣性、最大氣孔均增大，而耐壓破壞強(qiáng)度有所減小。

過濾器的壓力損失Δp（Pa）一般表示為空氣黏性系數(shù)η（Pa·s）、過濾器厚度t（m）、迎面風(fēng)速v（m／s）、纖維直徑df（m）及無因次壓力損失f（α）的函數(shù)［7］：

式中，f（α）為孔隙率α的函數(shù)，且不同理論模型中有不同的表達(dá)形式。

通過計(jì)算過濾器過濾元件的壓力損失［8-9］，并利用實(shí)驗(yàn)得出了有關(guān)壓力損失的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，該關(guān)聯(lián)式證明對(duì)于α在0.006～0.3范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的。f（α）可表示為：

在HTR-10一回路氦氣壓力為3 MPa、溫度為250 ℃、流量為10.5kg／h的工作環(huán)境下，直徑為70mm 的過濾元件的初始?jí)航盗杏诒?。

型號(hào) 初始?jí)航担痥Pa FSD01 34 FSD03 9.42 FSD05 3.77 FSD10 1.69 FSD20 0.19 FSD50 0.10 FSD80 0.06

利用掃描電子顯微鏡對(duì)過濾元件的全貌及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，得到其表面特征如圖1所示。由圖1可知，燒結(jié)金屬粉末過濾元件的特點(diǎn)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)含有大量連通或半連通的孔隙，孔隙結(jié)構(gòu)由規(guī)則和不規(guī)則的粉末顆粒堆垛而成。孔隙的大小和分布以及孔隙率的大小取決于粉末粒度組成和加工工藝。燒結(jié)金屬粉末流道曲折，致使顆粒通過時(shí)碰撞的機(jī)會(huì)極大提高，使得顆粒利用碰撞捕集的概率增大。因此，孔隙結(jié)構(gòu)的深層捕獲顆粒是燒結(jié)金屬粉末過濾元件獲得高水平過濾效率的關(guān)鍵，但同時(shí)通道的彎曲使得壓降增大，造成流體能量損失［10］。

圖1 FSD01全貌（a）及所觀測到最大孔徑所在位置圖像（b）Fig.1 Appearance（a）and maximum aperture image（b）of FSD01

2 過濾機(jī)理的理論模型

一般過濾元件的過濾機(jī)理主要包括重力效應(yīng)、靜電效應(yīng)、攔截效應(yīng)、慣性效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)［11］。不同粒徑的顆粒，其主要的過濾機(jī)理也各異。對(duì)于粒徑小于0.1μm 的氣溶膠顆粒，以布朗擴(kuò)散機(jī)制為主，粒徑越小，擴(kuò)散系數(shù)越大，氣溶膠顆粒通過布朗擴(kuò)散附著于濾材微孔的作用也越強(qiáng)，因此粒徑越小，過濾效率越高。對(duì)于粒徑大于0.5μm 的顆粒，以攔截和慣性碰撞機(jī)制為主，一方面當(dāng)粒徑大于濾材孔徑時(shí)被完全攔截，另一方面由于慣性作用，流體中的顆粒不會(huì)隨任意彎曲的氣流通道通過濾材，而是和濾材發(fā)生碰撞并沉積其上，因此顆粒粒徑愈大，過濾效率愈高；對(duì)于粒徑范圍約為0.1～0.5μm 的顆粒，其擴(kuò)散、慣性碰撞和攔截效應(yīng)等均不如其他粒徑范圍顯著，因而過濾效率最低。

不考慮靜電效應(yīng)時(shí)，過濾材料單纖維效率是布朗擴(kuò)散、重力沉降、慣性碰撞和攔截效應(yīng)共同作用的結(jié)果。假設(shè)各作用之間互不干擾，則過濾元件的過濾效率E 為：

其中，EΣ為各單獨(dú)機(jī)制作用下的單纖維效率，其可寫為各單獨(dú)作用的總和：

其中：ER為單纖維的攔截效率；EI為單纖維的慣性碰撞效率；ED為單纖維的擴(kuò)散效率；EDR為擴(kuò)散顆粒使截留作用增大后的收集效率；EG為單纖維的沉降效率。其他參數(shù)定義詳見文獻(xiàn)［10-11］。

圖2為每種收集機(jī)理的單纖維效率以及總的效率隨粉塵粒徑的變化規(guī)律。其中效率是按20 ℃、1 MPa大氣壓下，F(xiàn)SD80過濾元件在迎面風(fēng)速為0.5m／s時(shí)的情況計(jì)算得到的。

圖2 FSD80總過濾效率及各單纖維作用效率隨粒徑的變化Fig.2 Single-fiber and total efficiencies for FSD80vs particle diameter

由圖2可知，在設(shè)定的參數(shù)下，所計(jì)算顆粒尺寸范圍內(nèi)，重力的影響可忽略不計(jì)?？傔^濾效率的最小值出現(xiàn)在0.2μm 左右。當(dāng)顆粒小于0.2μm 時(shí)，擴(kuò)散占主導(dǎo)作用；當(dāng)顆粒大于0.2μm 時(shí)，攔截和慣性碰撞的影響隨粒徑的增大而增強(qiáng)。

3 過濾效率的實(shí)驗(yàn)測量

為評(píng)價(jià)圓盤式燒結(jié)金屬粉末過濾元件的過濾性能，設(shè)計(jì)并搭建實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)FSD01、FSD80過濾元件進(jìn)行過濾效率測量。過濾實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

過濾元件置于過濾殼腔體中間，粉塵由上游注入管道，其中粉塵注入口位于過濾元件上游管道10倍直徑處。在過濾元件前后均有流量測量接口，其中上游的取樣位置位于過濾元件前管道中心，下游的取樣位置位于過濾元件后管道中心。

圖3 過濾實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental setup for filter element

實(shí)驗(yàn)中所使用的粉塵是由氣溶膠產(chǎn)生器產(chǎn)生注入，其工作原理如圖4所示。其中將一個(gè)粉塵壓縮塊置于圓柱形原料儲(chǔ)存室內(nèi)，并通過活塞注入到旋轉(zhuǎn)刷內(nèi)。旋轉(zhuǎn)刷從壓縮塊暴露表面均勻地移除一定數(shù)量的粉塵。粉塵由一壓縮氣流均勻分散，并由氣流吹離出口。改變活塞速度或原料儲(chǔ)存室的直徑可控制氣溶膠的產(chǎn)生濃度。

圖4 氣溶膠產(chǎn)生原理Fig.4 Aerosol generation theory

過濾元件上游及下游氣溶膠粉塵的代表性樣品從實(shí)驗(yàn)臺(tái)中抽離后，利用空氣動(dòng)力學(xué)粒譜分析儀每隔2min對(duì)其進(jìn)行1次粒徑測量。所選擇的取樣位置保證氣溶膠顆粒能均勻混合。在每個(gè)位置上，取樣口均位于管道氣流的中心，且采用等速取樣。實(shí)驗(yàn)測量參數(shù)列于表3。

過濾介質(zhì) 迎面速度／（m·s-1）取樣流量／（L·min-1）過濾元件（FSD80、FSD01）0.05 5

兩片過濾元件的過濾效率測試結(jié)果如圖5所示，所用顆粒尺寸最小為0.542μm，最大為98.85μm，反映了過濾效率隨粉塵粒徑變化的情況。FSD80的過濾效率隨顆粒增大而逐漸增加，最小為87.49%，當(dāng)大于12.86μm 時(shí)，過濾效率接近100%。FSD01 的過濾效率在0.583μm 處出現(xiàn)一最小值，為95.6%，隨后過濾效率隨著顆粒的增大而逐漸增加，并在11.97μm 處接近100%。在實(shí)驗(yàn)所測量的顆粒范圍內(nèi)，過濾機(jī)理主要為截留和慣性碰撞，擴(kuò)散的作用較小。

圖5 過濾元件的過濾效率隨顆粒粒徑的變化Fig.5 Filtration efficiency of filter element vs particle size

在0.723～2.839μm 的粉塵尺寸范圍內(nèi)，F(xiàn)SD80的過濾效率高于FSD01。這是由于氣流通過過濾元件時(shí)，被阻擋的顆粒會(huì)在過濾元件表面形成粉塵層，對(duì)粉塵顆粒的過濾效應(yīng)增強(qiáng)。粉塵層對(duì)FSD80在該尺寸范圍內(nèi)的影響大于對(duì)FSD01的影響，導(dǎo)致在該顆粒粒徑范圍內(nèi)，F(xiàn)SD80過濾元件的過濾效率高于FSD01的過濾效率。

過濾曲線表征了過濾效率隨粉塵尺寸的變化規(guī)律，在較大粒徑范圍內(nèi)，過濾元件可將氣流中的粉塵幾乎全部除去。而在10μm 附近及以上較大顆粒處出現(xiàn)過濾效率的減少，則是由于測量儀器的噪聲引起。實(shí)驗(yàn)測量的過濾效率曲線與數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果基本吻合，表明此種燒結(jié)金屬粉末過濾元件能很好地除去氣流中的粉塵顆粒，實(shí)現(xiàn)對(duì)HTR-10一回路中放射性石墨粉塵過濾取樣的目的。

4 結(jié)論

本文基于HTR-10 一回路放射性石墨粉塵取樣測量實(shí)驗(yàn)回路中應(yīng)用的圓盤式不銹鋼燒結(jié)金屬粉末過濾元件，對(duì)其應(yīng)用背景、過濾機(jī)理、過濾效率以及壓降特性等進(jìn)行了理論分析和計(jì)算。使用掃描電鏡對(duì)其微觀形貌和表面特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測分析；通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測量了此種過濾元件的過濾效率，與理論模擬計(jì)算結(jié)果基本一致。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，此種燒結(jié)金屬粉末過濾元件能實(shí)現(xiàn)對(duì)HTR-10 一回路中放射性石墨粉塵的高效過濾取樣。后續(xù)研究將對(duì)燒結(jié)金屬粉末過濾元件自0.01～20μm范圍內(nèi)的過濾效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，并與燒結(jié)金屬纖維過濾元件的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)兩種過濾元件的性能。依據(jù)過濾元件的壓降特性，合理組合不同過濾孔徑的過濾元件，能實(shí)現(xiàn)按照粒徑大小分級(jí)過濾得到HTR-10 一回路中放射性石墨粉塵樣品，且不會(huì)影響HTR-10氦凈化系統(tǒng)的氦氣流動(dòng)以及凈化功能，對(duì)進(jìn)一步研究HTR-10 一回路放射性石墨粉塵的特性具有重要意義。

［1］ 于溯源，華宏亮.HTR-10氦氣流中石墨顆粒尺寸的估 計(jì)［J］.核 動(dòng) 力 工 程，2001，22（5）：410-413.YU Suyuan，HUA Hongliang.Estimation of graphite particle size distribution in HTR-10helium loop［J］.Nuclear Power Engineering，2001，22（5）：410-413（in Chinese）.

［2］ 雒曉衛(wèi)，于溯源，張振聲，等.HTR-10產(chǎn)生石墨粉塵量的估算及其尺寸分布［J］.核動(dòng)力工程，2005，26（2）：203-208.LUO Xiaowei，YU Suyuan，ZHANG Zhen-sheng，et al.Estimation of graphite dust quantity and size distribution of graphite particle in HTR-10［J］.Nuclear Power Engineering，2005，26（2）：203-208（in Chinese）.

［3］ B?UMER R，BARNERT H，BAUST E，et al.AVR-experimental high-temperature reactor：21 years of successful operation for a future energy technology［M］.Germany：VDI-Verlag GmbH，Düsseldorf，1990.

［4］ XIE Feng，LI Hong，CAO Jianzhu，et al.A reform in the helium purification system of the HTR-10：γdose rate measurement and suggestions for decommissioning［C］∥Proceedings of the ASME 2013 15th International Conference on Environmental Remediation and Radioactive Waste Management.Brussels，Belgium：American Society of Mechanical Engineers，2013.

［5］ 謝鋒，曹建主，陳志鵬，等.HTR-10一回路放射性石墨粉塵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究［J］.原子能科學(xué)技術(shù)（待發(fā)表）.XIE Feng，CAO Jianzhu，CHEN Zhipeng，et al.Design and study of radioactive graphite dust experimental system in primary loop of HTR-10［J］.Atomic Energy Science and Technology in press，in Chinese）.

［6］ 陳清勤，蘇娜.幾種多孔金屬材料的性能對(duì)比［J］.過濾與分離，2012（3）：32-34.CHEN Qingqin，SU Na.Properties comparison of several porous metal materials［J］.Journal of Filtration ＆ Separation，2012（3）：32-34（in Chinese）.

［7］ RAO N，F(xiàn)AGHRI M.Computer modeling of aerosol filtration by fibrous filters［J］.Aerosol Science and Technology，1988，8（2）：133-156.

［8］ HAPPEL J.Viscous flow relative to arrays of cylinders［J］.AIChE Journal，1959，5（2）：174-177.

［9］ KUWABARA S.The forces experienced by randomly distributed parallel circular cylinders or spheres in a viscous flow at small Reynolds numbers［J］.Journal of the Physical Society of Japan，1959，14（4）：527-532.

［10］皮月，謝鋒，曹建主，等.10 MW 高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆中燒結(jié)金屬過濾元件過濾機(jī)理研究［J］.粉末冶金技術(shù)，2014，32（2）：100-105.PI Yue，XIE Feng，CAO Jianzhu，et al.Research on filtration mechanism of sintered metal filters of the HTR-10［J］.Powder Metallurgy Technology，2014，32（2）：100-105（in Chinese）.

［11］DAVIES C N.Air filtration［M］.London：Academic Press，1973：191-203.