CEFR一回路冷阱更換過程中的鈉鉀合金灌裝

王榮東，王景春，禹春利，徐永興，謝 淳，杜海鷗，趙 迅

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 快堆研究設(shè)計(jì)所，北京 102413)

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CEFR一回路冷阱更換過程中的鈉鉀合金灌裝

王榮東，王景春，禹春利，徐永興，謝 淳，杜海鷗，趙 迅

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 快堆研究設(shè)計(jì)所，北京 102413)

介紹了中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)一回路2#冷阱更換過程中的鈉鉀合金灌裝方案，灌裝回路的設(shè)計(jì)、建造及調(diào)試，灌裝過程安全防護(hù)措施和廢鈉鉀合金的處理，并向CEFR備用冷阱內(nèi)灌裝447.4 kg鈉鉀合金，對(duì)廢鈉鉀合金進(jìn)行處理。結(jié)果表明，所采用的鈉鉀合金灌裝方法、鈉鉀合金回路活接頭冷凍拆卸技術(shù)、鈉管道切割除鈉技術(shù)、廢鈉鉀合金處理方法安全可靠，人員安全防護(hù)措施得當(dāng)。本文方法也可用于指導(dǎo)CEFR一回路1#冷阱的更換。

冷阱；鈉鉀合金；灌裝

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)一回路中的260 t鈉采用一回路冷阱來凈化。當(dāng)冷阱工作時(shí)，冷阱內(nèi)鈉的熱量通過容器壁傳給夾套內(nèi)的鈉鉀合金，進(jìn)而傳給有機(jī)冷卻劑。一回路鈉具有放射性，鈉中大部分活化產(chǎn)物和裂變產(chǎn)物沉積在一回路冷阱中。一回路有兩個(gè)冷阱，其中2#冷阱為自主設(shè)計(jì)，其容積為2.3 m3。2#冷阱夾套內(nèi)盛裝380.9 kg鈉鉀合金，鈉鉀合金中鉀占55%、鈉占45%，該合金的熔點(diǎn)為11 ℃[1]。本文對(duì)鈉鉀合金灌裝的工藝和方法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)和安裝相應(yīng)的鈉鉀合金灌裝回路，并制定周密的人員安全防護(hù)措施，對(duì)拆除的鈉鉀合金管線進(jìn)行安全處理。

1 灌裝方案

圖1為一回路冷阱的結(jié)構(gòu)示意圖，鈉鉀合金放置于冷阱夾套內(nèi)。

圖1 冷阱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of cold trap

一回路2#冷阱的夾套內(nèi)一直充有氬氣保護(hù)，因而其夾套內(nèi)的鈉鉀合金無污染，可繼續(xù)用于備用冷阱，作為備用冷阱的中間傳熱劑。經(jīng)計(jì)算，備用冷阱夾套內(nèi)可容納447.4 kg的鈉鉀合金，而待更換的2#冷阱內(nèi)只有380.9 kg鈉鉀合金，還需補(bǔ)充66.5 kg鈉鉀合金，因此，鈉鉀合金的灌裝分兩階段進(jìn)行：第1階段，2#冷阱中的鈉鉀合金向備用冷阱灌裝；第2階段，新增66.5 kg鈉鉀合金的灌裝。

1.1 第1階段灌裝方案

對(duì)鈉鉀合金第1階段的灌裝設(shè)計(jì)了2種方案。

1) 方案1

將2#冷阱拆除后和備用冷阱一起布置在135工藝間，現(xiàn)場(chǎng)配做管線，建立2#冷阱至備用冷阱的灌裝回路，然后采用正壓壓差方法將2#冷阱夾套內(nèi)的鈉鉀合金充灌到備用冷阱夾套內(nèi)。

2) 方案2

2#冷阱不拆除，將備用冷阱運(yùn)輸至501大廳靠近2#冷阱位置，現(xiàn)場(chǎng)配做管線，建立灌裝回路后，采用正壓壓差方法將2#冷阱夾套內(nèi)的鈉鉀合金充灌到備用冷阱夾套內(nèi)。

2#冷阱布置在340/2工藝間，其夾套與鈉鉀合金灌裝系統(tǒng)連接，其中，夾套上部的鈉鉀合金與氬氣邊界閥布置在房間東側(cè)靠墻的位置。為保護(hù)2#冷阱夾套內(nèi)的鈉鉀合金不受污染，在2#冷阱拆除吊裝時(shí)要求邊界閥必須隨2#冷阱整體移出，而2#冷阱吊裝通道的直徑約為1 800 mm，邊界閥的位置遠(yuǎn)超出了吊裝通道的范圍，無法隨冷阱整體移出，因此采用方案2。

1.2 第2階段灌裝方案

對(duì)鈉鉀合金第2階段的灌裝設(shè)計(jì)了3種方案。

1) 方案1

備用冷阱布置在501大廳，現(xiàn)場(chǎng)配做1#冷阱至備用冷阱的管線，建立灌裝回路后，采用正壓壓差方法將1#冷阱夾套內(nèi)的部分鈉鉀合金(66.5 kg)充灌到備用冷阱夾套內(nèi)。

2) 方案2

從北京化工四廠購(gòu)買金屬鉀，利用鈉鉀合金制備回路生產(chǎn)制備66.5 kg鈉鉀合金，分2次充灌至鈉鉀合金運(yùn)輸罐內(nèi)(簡(jiǎn)稱運(yùn)輸罐)，運(yùn)輸罐容積為0.08 m3，有效鈉鉀合金容積為0.06 m3。將運(yùn)輸罐運(yùn)輸至501大廳，與備用冷阱的鈉鉀合金管線連接，采用正壓壓差方法將運(yùn)輸罐內(nèi)的鈉鉀合金充灌到備用冷阱夾套內(nèi)，需充灌2次。

3) 方案3

將運(yùn)輸罐布置在340/2工藝間2#冷阱的鋼平臺(tái)上，運(yùn)輸罐下放置臺(tái)秤，現(xiàn)場(chǎng)配做1#冷阱至運(yùn)輸罐的鈉鉀合金管線。建立灌裝回路后，采用正壓壓差方法將1#冷阱夾套內(nèi)的66.5 kg鈉鉀合金分2次充灌到運(yùn)輸罐內(nèi)，通過臺(tái)秤計(jì)量重量。然后將運(yùn)輸罐拆卸吊裝至501大廳，與備用冷阱連接，用正壓壓差方法將運(yùn)輸罐內(nèi)的鈉鉀合金充灌到備用冷阱夾套內(nèi)，需充灌2次。

1#冷阱夾套內(nèi)裝有1個(gè)觸點(diǎn)式液位計(jì)，該液位計(jì)探針長(zhǎng)度固定，只能測(cè)量高液位，不能連續(xù)測(cè)量鈉鉀合金液位，因而，方案1不能計(jì)量充灌的鈉鉀合金質(zhì)量。金屬鉀屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，不易采購(gòu)，且唯一生產(chǎn)金屬鉀的北京化工四廠鉀生產(chǎn)裝置處于停運(yùn)檢修狀態(tài)，若恢復(fù)生產(chǎn)，需較長(zhǎng)時(shí)間，因此，方案2無法滿足快堆更換冷阱的進(jìn)度要求。綜上所述，選用方案3作為第2階段新增66.5 kg鈉鉀合金的灌裝方案。

2 鈉鉀合金灌裝回路設(shè)計(jì)與安裝

根據(jù)鈉鉀合金灌裝方案，設(shè)計(jì)了3個(gè)鈉鉀合金灌裝回路。圖2示出2#冷阱向備用冷阱灌裝工藝流程圖。該回路由2#冷阱、備用冷阱、真空泵、氬氣瓶、閥門、氬氣系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)等組成。圖3示出1#冷阱向運(yùn)輸罐灌裝工藝流程圖。圖4示出運(yùn)輸罐向備用冷阱灌裝工藝流程圖。上述系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：1) 通過抽真空和氬氣系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)備用冷阱夾套及運(yùn)輸罐的抽真空和氬氣置換功能，滿足鈉鉀合金充灌要求；2) 氬氣管線設(shè)有排氣口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)備用冷阱夾套和運(yùn)輸罐壓力的超壓排放功能；3) 氬氣管線設(shè)有取樣口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)備用冷阱夾套和運(yùn)輸罐氣體的取樣分析功能；4) 鈉鉀合金管線與邊界閥采用活接連接，方便鈉鉀合金管線的拆卸和運(yùn)輸；5) 鈉鉀合金管線不設(shè)電加熱和保溫。

圖2 2#冷阱向備用冷阱灌裝工藝流程圖Fig.2 Schematic diagram on NaK filling process from 2# cold trap to backup cold trap

鈉鉀合金灌裝回路安裝過程中，考慮了以下關(guān)鍵技術(shù)。

圖3 1#冷阱向運(yùn)輸罐灌裝工藝流程圖Fig.3 Schematic diagram on NaK filling process from 1# cold trap to transport tank

圖4 運(yùn)輸罐向備用冷阱灌裝工藝流程圖Fig.4 Schematic diagram on NaK filling process from transport tank to backup cold trap

1) 備用冷阱夾套下部的接管為球錐面密封的活接結(jié)構(gòu)，端部用死堵封死。由于一回路冷阱具有放射性，而活接結(jié)構(gòu)存在泄漏的可能性，為保證密封的可靠性，在回路建造時(shí)把原接管由活接結(jié)構(gòu)改成焊接結(jié)構(gòu)。

2) 由于鈉閥門無壓力試驗(yàn)報(bào)告，為保證閥門安全可靠，對(duì)備用冷阱選用的2臺(tái)鈉閥和1臺(tái)儀表閥進(jìn)行了打壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均合格。

3) 由于管線中可能含有灰塵、油污等雜質(zhì)，為避免管線對(duì)鈉鉀合金的污染，要求管線安裝前必須用白紗布蘸丙酮清洗，以白紗布擦洗后不改變顏色為合格。另外，活接頭也必須用丙酮清洗。

4) 焊縫探傷備用冷阱為核安全二級(jí)設(shè)備，其邊界閥內(nèi)的管線焊縫必須探傷，探傷合格后才可進(jìn)行系統(tǒng)打壓試驗(yàn)。

3 鈉鉀合金灌裝回路調(diào)試

3.1 系統(tǒng)氣密性試驗(yàn)

1) 試驗(yàn)壓力的確定

2#冷阱底部距備用冷阱鈉鉀合金入口的管道高度為10 m，鈉鉀合金在50 ℃時(shí)的密度為890 kg/m3。經(jīng)計(jì)算，此時(shí)管道的壓力降為0.09 MPa。因此，備用冷阱夾套及運(yùn)輸罐檢漏采用0.2 MPa的試驗(yàn)壓力是滿足工藝要求的。

2) 氣密性試驗(yàn)

氣密性試驗(yàn)按圖5所示的壓力試驗(yàn)曲線進(jìn)行。保壓期間用惰性氣體檢漏儀對(duì)系統(tǒng)所有焊接接頭和連接部位進(jìn)行泄漏檢查，如有泄漏，泄壓維修后重新打壓試驗(yàn)。檢漏時(shí)，應(yīng)使用經(jīng)檢定合格的壓力表，壓力表量程為試驗(yàn)壓力的1.5～3倍，壓力表精度不得低于1.6級(jí)。氣密性試驗(yàn)的合格要求為系統(tǒng)的泄漏率小于0.1%/h。

圖5 壓力試驗(yàn)曲線Fig.5 Test curve of pressure

系統(tǒng)泄漏率計(jì)算公式[2]為：

式中：A為單位時(shí)間的泄漏率，%/h；p初、p終為最初和最終試驗(yàn)的絕對(duì)壓力，MPa；T初、T終為最初和最終試驗(yàn)的絕對(duì)溫度，K；t為總的試壓時(shí)間。

3.2 抽真空及氬氣置換試驗(yàn)

抽真空及氬氣置換是利用真空泵將備用冷阱夾套和運(yùn)輸罐內(nèi)的空氣抽出，再充入氬氣至常壓，然后再抽出不純氣體，充入氬氣，這樣反復(fù)數(shù)次直至冷阱夾套和運(yùn)輸罐內(nèi)氣體純度合格。

備用冷阱夾套和運(yùn)輸罐內(nèi)氬氣指標(biāo)要求為氧含量≤50 μg/g、水含量≤50 μg/g，用普通氬氣置換，每次抽空的真空度小于133 Pa，經(jīng)估算，需抽真空置換4～5次。

3.3 氣體取樣分析

利用氧分析儀和水分析儀進(jìn)行備用冷阱夾套和運(yùn)輸罐內(nèi)氬氣中的水、氧含量分析，分析結(jié)果列于表1。由表1可見，鈉鉀合金運(yùn)輸罐及冷阱夾套內(nèi)雜質(zhì)水、氧含量滿足要求。

表1 氬氣中水、氧含量的分析結(jié)果Table 1 Analysis results on water and oxygen contents in argon

4 鈉鉀合金現(xiàn)場(chǎng)灌裝

2#冷阱向備用冷阱的灌裝步驟如下：1) 開閥門Ar08、Ar07，將備用冷阱夾套內(nèi)的壓力降低至0.02 MPa，檢查并關(guān)閉所有閥門；2) 開氬氣瓶，開氣閥Ar06、Ar01和Ar02，將2#冷阱夾套內(nèi)壓力充至0.15 MPa，關(guān)閉氣閥Ar01；3) 開鈉閥NaK01、NaK02，鈉鉀合金流入備用冷阱夾套內(nèi)，在充灌過程中，通過調(diào)節(jié)閥門Ar01、Ar08，保持2#冷阱夾套內(nèi)壓力為0.15 MPa，備用冷阱夾套內(nèi)壓力為0.02 MPa，壓差為0.13 MPa；4) 當(dāng)出現(xiàn)兩臺(tái)冷阱夾套壓力迅速達(dá)到平衡，同時(shí)管道內(nèi)伴有氣流聲等現(xiàn)象時(shí)，判斷為鈉鉀合金全部轉(zhuǎn)移到備用冷阱夾套內(nèi)，關(guān)閉鈉閥NaK01、NaK02。

1#冷阱向運(yùn)輸罐的灌裝步驟如下：1) 確定運(yùn)輸罐液位計(jì)工作是否正常；2) 開氬氣瓶，開氣閥Ar06、Ar13、Ar14，將1#冷阱夾套內(nèi)壓力充至0.1 MPa，保持恒定壓力；3) 打開閥門Ar11，將運(yùn)輸罐壓力調(diào)至0.02 MPa后關(guān)閉Ar11；4) 打開鈉閥NaK05、NaK04，鈉鉀合金流入運(yùn)輸罐內(nèi)，在充灌過程中，通過調(diào)節(jié)閥門Ar13、Ar11，保持1#冷阱夾套內(nèi)壓力為0.1 MPa，運(yùn)輸罐內(nèi)壓力為0.02 MPa，壓差為0.08MPa；5) 當(dāng)運(yùn)輸罐高液位報(bào)警時(shí)，迅速關(guān)閉鈉閥NaK05和NaK04。

運(yùn)輸罐向備用冷阱的灌裝步驟如下：1) 將運(yùn)輸罐運(yùn)至501大廳，在運(yùn)輸罐下放置臺(tái)秤；2) 在氬氣保護(hù)下，將運(yùn)輸罐與鈉鉀合金管線和氬氣管線連接好；3) 記錄臺(tái)秤初始重量；4) 開氬氣瓶，開閥門Ar06、Ar10、Ar09，將運(yùn)輸罐壓力充至0.1 MPa，保持壓力恒定；5) 開Ar08，將備用冷阱壓力降至0.02 MPa后，關(guān)閉Ar08；6) 打開鈉閥NaK02、NaK04，鈉鉀合金流入備用冷阱夾套內(nèi)，在充灌過程中，通過調(diào)節(jié)閥門Ar08、Ar09，保持運(yùn)輸罐內(nèi)壓力為0.1 MPa，備用冷阱夾套內(nèi)壓力為0.02 MPa，壓差為0.08 MPa；7) 第1罐灌裝時(shí)，在運(yùn)輸罐低液位報(bào)警時(shí)關(guān)閉所有閥門，記錄臺(tái)秤重量，計(jì)算出已灌裝重量和還需要灌裝重量，第2罐灌裝時(shí)，在灌裝重量達(dá)到計(jì)算值時(shí)迅速關(guān)閉閥門NaK02、NaK04。

5 鈉鉀合金回路的拆卸

回路的拆卸采用氣體反吹排空管路法和液氮冷凍活接頭拆卸的關(guān)鍵技術(shù)。

5.1 氣體反吹排空管路法

氣體反吹排空管路法是將備用冷阱夾套的壓力升至0.1 MPa，2#冷阱及運(yùn)輸罐的壓力泄放至0.02 MPa，通過壓差把回路內(nèi)殘留的鈉鉀合金反吹至2#冷阱和運(yùn)輸罐內(nèi)，從而排空管線。反吹后，還必須將鈉鉀合金管線的壓力泄放至微正壓。

5.2 鈉鉀合金回路的活接頭拆卸

為了保證鈉鉀合金回路的活接頭安全拆卸，至少要保證活接頭處的鈉鉀合金冷凍成固體。本文采用液氮作為冷卻劑。液氮為無色、無臭的壓縮液體，熔點(diǎn)為-209.8 ℃，沸點(diǎn)為-195.6 ℃。少量的液氮會(huì)氣化成大量的氮?dú)?，同時(shí)強(qiáng)烈吸熱，使接觸物瞬間冷凍。對(duì)于鈉鉀合金回路冷凍的關(guān)鍵是確定冷凍部位、冷凍程度、每次液氮用量及如何操作。

對(duì)活接頭兩側(cè)20 mm處的鈉鉀合金管線實(shí)施液氮冷凍，如圖6所示，A、B兩點(diǎn)為液氮冷凍點(diǎn)，每次液氮用量為10 g，實(shí)施時(shí)間為5 min，此時(shí)A、B兩點(diǎn)溫度約為-30 ℃。管線冷凍點(diǎn)附近及活接頭處的鈉鉀合金均處于固態(tài)，采用球錐面密封設(shè)計(jì)的活接頭也不會(huì)出現(xiàn)因冷凍過度而出現(xiàn)咬死的現(xiàn)象，保證了活接頭的安全拆卸。

圖6 鈉鉀合金管線活接頭拆卸示意圖Fig.6 Schematic of dismounting NaK alloy pipe fittings

6 安全防護(hù)措施

鈉鉀合金灌裝時(shí)的安全防護(hù)措施如下：1) 501大廳的冷阱吊裝通道口設(shè)置圍欄，防止人員墜落；2) 清理鈉鉀合金灌裝工作區(qū)的雜物，不能有水和任何可燃物；3) 冷阱進(jìn)行氬氣置換過程中，操作人員身上配備氧計(jì)，當(dāng)氧計(jì)報(bào)警時(shí)，關(guān)閉相關(guān)閥門，人員迅速離開房間；4) 在充灌過程中，所有操作人員應(yīng)穿戴專用防護(hù)器具，包括防火服、防火鞋、帶面罩的安全帽、口罩及防火手套等；5) 現(xiàn)場(chǎng)配備堿金屬防護(hù)藥品；6) 現(xiàn)場(chǎng)配備手提式滅火器和滅火劑盒；7) 在發(fā)生小規(guī)模鈉鉀合金泄漏、沒有人員傷亡的情況下，技術(shù)人員自行解決現(xiàn)場(chǎng)問題，當(dāng)發(fā)生大規(guī)模鈉鉀合金泄漏時(shí)，按《中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆堿金屬事故應(yīng)急救援預(yù)案》執(zhí)行。

7 結(jié)論

1) 通過對(duì)CEFR備用冷阱447.4 kg鈉鉀合金的灌裝，充分證明了本文所采用的鈉鉀合金灌裝方案和灌裝工藝及安全防范措施切實(shí)可行。

2) 本文所采用的氣體反吹排空管路法和液氮冷凍活接頭的拆卸技術(shù)確保了鈉鉀合金灌裝操作的安全實(shí)施。

3) 本文所采用的技術(shù)和方法可用于指導(dǎo)CEFR一回路1#冷阱的更換。

[1] 《快堆研究》編輯部譯. 鈉，鈉鉀工程手冊(cè)[M]. [出版地不詳]：[出版者不詳]，1986.

[2] 張競(jìng). 精餾操作知識(shí)問答[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1980.

NaK Filling Technology in Cold Trap Replacement Process of CEFR Primary Loop

WANG Rong-dong, WANG Jing-chun, YU Chun-li, XU Yong-xing,XIE Chun, DU Hai-ou, ZHAO Xun

(ChinaInstituteofAtomicEnergy,P.O.Box275-34,Beijing102413,China)

The 2# cold trap replacement scheme in the primary loop of China Experimental Fast Reactor (CEFR) was introduced, including the design, construct and commissioning of the filling loop, the protective methods for safety in the filling procedure and the disposal of NaK waste. Filling of 447.4 kg NaK into the backup cold trap of CEFR and disposal of the waste NaK were completed successfully and safely. The results show that the method of filling NaK, the freezing and disassembling technique of the NaK loop connector, the cutting and sodium removing technology for the sodium pipes and the treatment for NaK waste are reliable and safe. Additionally, the protective measures for the safety of operators are suitable. Moreover, the technology introduced in the paper is applicable for the replacement of the 1# cold trap in the primary loop of CEFR.

cold trap; NaK; filling

2014-03-18;

2014-10-22

王榮東(1983—)，男，黑龍江七臺(tái)河人，工程師，從事鈉火消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

TL43

A

1000-6931(2015)07-1285-05

10.7538/yzk.2015.49.07.1285