鈉冷快堆冷阱凈化能力分析

□呂明宇 王沖 裴志勇

鈉冷快堆采用液態(tài)金屬鈉作為一、二回路主熱傳輸系統(tǒng)的冷卻劑，但是主熱傳輸系統(tǒng)的性能，可以因冷卻劑中雜質(zhì)的存在而嚴(yán)重受損，同時(shí)，在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，鈉冷卻劑中的雜質(zhì)也會(huì)加速結(jié)構(gòu)材料的腐蝕，這些雜質(zhì)及腐蝕產(chǎn)物可在系統(tǒng)及設(shè)備結(jié)構(gòu)的狹窄處或低溫區(qū)沉積，阻塞流道，影響熱傳輸性能，還會(huì)對(duì)系統(tǒng)中放射性物質(zhì)的質(zhì)量遷移發(fā)揮作用。因此，必須嚴(yán)格控制有害雜質(zhì)在冷卻劑中的含量，清除反應(yīng)堆主冷卻系統(tǒng)鈉中的雜質(zhì)，維持鈉冷卻劑的質(zhì)量指標(biāo)要求，保證反應(yīng)堆安全運(yùn)行。鈉冷快堆一般會(huì)專設(shè)鈉凈化系統(tǒng)用于一、二回路及其輔助系統(tǒng)內(nèi)冷卻劑中雜質(zhì)含量的控制。冷阱是鈉凈化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要是通過(guò)沉積方法來(lái)實(shí)現(xiàn)鈉中雜質(zhì)的析出和捕集。

一、冷阱凈化能力的理論分析

(一)凈化效率分析。當(dāng)鈉的溫度低于雜質(zhì)飽和溫度以下的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)氧化鈉等雜質(zhì)的沉積，沉積的過(guò)程分為兩步:即剛剛成核粒子隨流動(dòng)的鈉遷移到臨近的固體表面或已結(jié)晶的雜質(zhì)粒子的鈉處，即所謂質(zhì)量遷移過(guò)程;及之后新成核的粒子再沉積到增長(zhǎng)的結(jié)晶上或冷的固體表面上。

冷阱內(nèi)氧化鈉等雜質(zhì)的凈化效率可表示為:

式中，W:鈉流速;A:結(jié)晶的表面積;K:質(zhì)量遷移系數(shù)。

對(duì)于鈉流速W:由上式可看出，正如所期望的，在一個(gè)給定的鈉流速下，效率是隨質(zhì)量遷移系數(shù)K的增加而增加的，同時(shí)也是隨雜質(zhì)結(jié)晶表面積的增加而增加的。就鈉流速W而言，實(shí)際是鈉流在冷阱內(nèi)停留時(shí)間的體現(xiàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出，鈉在冷阱內(nèi)的最佳停留時(shí)間為5～8分鐘，更長(zhǎng)的停留時(shí)間對(duì)效率影響不大。

對(duì)于質(zhì)量遷移系數(shù)K:當(dāng)K值增加時(shí)E隨之增加，為此增加K值是極其有利的，增加K值的方法可采用在冷阱的結(jié)晶區(qū)增加鈉流攪拌的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種攪拌的結(jié)果既增加了鈉在冷阱內(nèi)的流動(dòng)、延長(zhǎng)了鈉的流徑，同時(shí)也相應(yīng)縮短了鈉在冷阱內(nèi)過(guò)長(zhǎng)的停留時(shí)間。盡管這種攪拌效果會(huì)使K值大大增加，但卻也有其不利的一面，即增加了空間設(shè)備，增加了成本和運(yùn)行問(wèn)題。

對(duì)于雜質(zhì)結(jié)晶的表面面積A:結(jié)晶表面面積是由兩部分的貢獻(xiàn)共同提供的。即A1和A0(A=A1+A0)，其中A0代表的是冷阱內(nèi)最低溫度處的所謂恒溫區(qū)，雜質(zhì)在該區(qū)內(nèi)結(jié)晶可被認(rèn)為是一個(gè)致密床，該值是恒定的;而A1代表的則是鈉溫開(kāi)始降低的冷阱入口及其以后區(qū)段。它受兩個(gè)因素的影響，一是結(jié)晶在沉積前的移動(dòng)使其面積的減小;二是“沉積前”順流而下的結(jié)晶長(zhǎng)大而使其面積的增加。就表面面積對(duì)E的影響而言，根據(jù)A1、A0等偏微分方程所推導(dǎo)出的方程式可以簡(jiǎn)單描述為:冷阱效率是隨著時(shí)間的推移而降低的，然而它卻有朝著冷捕集結(jié)束變?yōu)楹愣ǖ奶攸c(diǎn)。

(二)凈化速率分析。冷阱內(nèi)氧化鈉等雜質(zhì)的凈化速率可表示為:

Pr=W·E(Cs－Ce)=W·E·ΔC

式中，W:鈉流速;E:凈化效率;Cs:溶液中(過(guò)飽和的)溶質(zhì)的濃度;Ce:平衡工況的飽和濃度;△C:濃度差。

從上式可以看出冷阱凈化速率與冷阱內(nèi)鈉流速W、冷阱效率E、鈉系統(tǒng)中雜質(zhì)濃度與冷阱最低溫度下的溶解度濃度差值△C成正比。然而應(yīng)當(dāng)注意到的是冷阱內(nèi)過(guò)快的鈉流速將導(dǎo)致鈉流在冷阱內(nèi)短的停留時(shí)間而造成雜質(zhì)被捕集量的減少，即凈化效率降低。從式中還可看出，盡管凈化速率Pr隨系統(tǒng)中雜質(zhì)濃度與冷阱最低溫度下的溶解度濃度差值△C的增加而加快，然而特別應(yīng)當(dāng)注意的是對(duì)絲網(wǎng)填充型冷阱而言，由于可能發(fā)生的冷阱阻塞問(wèn)題，該值不能過(guò)大，一般控制在10ppm或稍低(以氧計(jì))。因此，需要在凈化速率和凈化效率間取得平衡值。

二、冷阱凈化能力的結(jié)構(gòu)分析

(一)未分區(qū)捕集結(jié)構(gòu)。在冷阱發(fā)展的最初階段，捕集區(qū)的結(jié)構(gòu)多未分區(qū)，采取一體的或纏繞式的金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，利用空氣或者鈉鉀合金作為冷卻介質(zhì)，讓捕集區(qū)內(nèi)形成溫度梯度，鈉中雜質(zhì)因飽和而析出，在金屬絲網(wǎng)上結(jié)晶和捕集。圖1、2分別為EBR－II和PHENIX所采用的冷阱的結(jié)構(gòu)。該型捕集結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，上下溫度梯度明顯。但捕集效率不高，沉積物容易在絲網(wǎng)的底部或者入口處形成聚集，阻塞流道，導(dǎo)致上部的絲網(wǎng)無(wú)法利用，從試驗(yàn)的結(jié)果看，僅有約1/3的絲網(wǎng)能被利用。究其原因是飽和的鈉在金屬絲網(wǎng)底部最低溫度處沒(méi)有足夠的停留時(shí)間，使得金屬絲網(wǎng)具有較短的沉積區(qū)域，而等填充密度的金屬絲網(wǎng)捕集雜質(zhì)的能力是相同的，雜質(zhì)則集中沉積在金屬絲網(wǎng)的徑向入口區(qū)域。因此，在給定所要捕集雜質(zhì)量的前提下，如果沒(méi)有足夠的冷阱容量或者金屬絲網(wǎng)利用率不高，那么單純放大冷阱內(nèi)部金屬絲網(wǎng)的體積是無(wú)意義的。

圖1 EBR－II堆冷阱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 PHENIX冷阱結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 PFBR堆用冷阱結(jié)構(gòu)示意圖

(二)分區(qū)捕集結(jié)構(gòu)。圖3是PFBR做實(shí)驗(yàn)所用的二回路冷阱結(jié)構(gòu)示意圖。該冷阱分成冷卻區(qū)域和等溫區(qū)域，在冷卻區(qū)域布置了適宜的金屬絲網(wǎng)，能夠捕集少量雜質(zhì);當(dāng)進(jìn)入到等溫區(qū)域時(shí)，由于有充裕的停留時(shí)間，雜質(zhì)會(huì)在該區(qū)域大量沉積。

圖4 移除雜質(zhì)質(zhì)量沿金屬絲網(wǎng)軸向分布

圖5 雜質(zhì)濃度沿金屬絲網(wǎng)徑向分布

圖4為移除雜質(zhì)的質(zhì)量沿金屬絲網(wǎng)軸向分布圖?？梢钥吹剑丝拷肟谕?，其余各處析出的雜質(zhì)量幾乎相等。圖5為沿著金屬絲網(wǎng)徑向方向雜質(zhì)的濃度分布圖。當(dāng)半徑大于23.75mm時(shí)，雜質(zhì)濃度沿徑向上分布十分均勻。因此，金屬絲網(wǎng)填充密度遞增的排列方式是合理的。

圖6 雜質(zhì)軸向分布對(duì)比(有等溫區(qū)和無(wú)等溫區(qū))

圖7 雜質(zhì)徑向分布對(duì)比(有等溫區(qū)和無(wú)等溫區(qū))

圖6和圖7分別是有無(wú)等溫區(qū)域時(shí)雜質(zhì)沿軸向和徑向方向的分布情況。由圖可知，有等溫區(qū)域時(shí)捕集雜質(zhì)量明顯多于無(wú)等溫區(qū)域時(shí)捕集的雜質(zhì)量。這主要是因?yàn)楣δ芊謪^(qū)后，降到飽和溫度以下的鈉在等溫區(qū)域有充裕的停留時(shí)間，使雜質(zhì)在金屬絲網(wǎng)上沉積。然而，過(guò)長(zhǎng)的金屬絲網(wǎng)對(duì)提高冷阱凈化效率是無(wú)意義的。

三、結(jié)語(yǔ)

第一，為了增加液鈉在冷阱最低溫度處的停留時(shí)間和冷阱容量，可將冷阱分為冷卻區(qū)域和過(guò)濾區(qū)域(等溫區(qū)域);第二，為了使金屬填充物利用率達(dá)到最大化，金屬填充物可采用間斷性的、填充密度遞增的排列方式。

［1］《快堆研究》編譯部組譯.鈉、鈉鉀工程手冊(cè)［Z］.1986

［2］Hebditch，A.D.，Gliddon，B.J.Impurity crystallization in liquid sodium systems［J］.In 3rd International Conference on Liquid Metal Technology in Energy Production，USA，1976:643～649

［3］Saint Martin，C.，Latge，C.，Michaille，P.Mechanism and kinetics crystallization of sodium hydride in cold traps［J］.In 4th International Conference on Liquid Metal Engineering and Technology，F(xiàn)rance:617～1/1～10