鈉水反應(yīng)事故擴(kuò)展研究

裴志勇，許業(yè)強(qiáng) ，武志廣

中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413

鈉水反應(yīng)事故擴(kuò)展研究

裴志勇，許業(yè)強(qiáng) ，武志廣

中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413

鈉水反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程，在鈉水蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)中引起的壓力、溫度等變化難以用數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確的計(jì)算，國(guó)際上通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行鈉水反應(yīng)的研究。本文通過(guò)設(shè)計(jì)鈉水反應(yīng)事故氫離擴(kuò)散及濃度分布確定試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行鈉水反應(yīng)事故擴(kuò)展試驗(yàn)研究。氫離子擴(kuò)散輸運(yùn)過(guò)程直接關(guān)系到氫探測(cè)器的布置方式，對(duì)氫計(jì)能否及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)出鈉泄漏警報(bào)有著重要的意義。

鈉水；反應(yīng)事故；擴(kuò)展

1 試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)及組成

1.1氫探測(cè)器

探測(cè)裝置氫探測(cè)器采用新研制的一體化技術(shù)，取樣支路、鎳管傳感器、加熱器和電磁泵采用集成的方式組合成一個(gè)一體化的模塊，直接焊接到鈉回路上。鎳管傳感器后接高真空系統(tǒng)，真空系統(tǒng)及控制系統(tǒng)仍采用原擴(kuò)散型氫計(jì)的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。

1.2注氫設(shè)備

注氫是由模型蒸汽發(fā)生器頂部插入的注氫毛細(xì)管在蒸汽發(fā)生器的上部注入口注入的，由毛細(xì)管前小型球閥控制的，注入量是由質(zhì)量流量控制器設(shè)定和控制的。

1.3鈉回路

鈉回路主要由主回路、凈化回路、氬氣回路和注射裝置組成。主回路上有模型蒸汽發(fā)生器、膨脹罐、電磁泵、電加熱器等，氫氣由其頂部通過(guò)一注氫裝置注入蒸汽發(fā)生器的中部或底部，試驗(yàn)裝置流程原理圖見(jiàn)圖1。

圖1　試驗(yàn)裝置流程原理圖

在試驗(yàn)開(kāi)始前要對(duì)試驗(yàn)回路進(jìn)行預(yù)熱、充鈉、鈉凈化等工作。在由儲(chǔ)鈉罐向主回路充鈉前，整個(gè)回路、儲(chǔ)鈉罐和電磁泵先進(jìn)行預(yù)熱。在鈉回路灌鈉后，系統(tǒng)開(kāi)始加熱，并同時(shí)啟動(dòng)冷阱對(duì)鈉進(jìn)行凈化。在一定的冷阱底部溫度（此處為冷阱鈉流出冷阱的地方，氫濃度也最低）下的鈉溫及經(jīng)過(guò)一體化氫計(jì)的鈉溫穩(wěn)定后，凈化鈉至氫計(jì)讀數(shù)在半小時(shí)內(nèi)不再變化的條件下，記錄各個(gè)讀數(shù)，此時(shí)鈉中氫含量即鈉流本底氫含量，即為相應(yīng)冷阱底部溫度下的飽和氫濃度。相應(yīng)的探測(cè)系統(tǒng)讀數(shù)則是該已知鈉氫濃度下的氫計(jì)讀數(shù)。在鈉流經(jīng)氫計(jì)時(shí)，同時(shí)記錄鈉回路參數(shù)和氫計(jì)探測(cè)系統(tǒng)讀數(shù)。

2 鈉水反應(yīng)事故擴(kuò)展過(guò)程試驗(yàn)方案

鈉水反應(yīng)是一個(gè)快速劇烈的化學(xué)反應(yīng)，且與系統(tǒng)工況有著密切的聯(lián)系，即根據(jù)鈉溫、壓力、流量和泄漏率等參數(shù)的不同，鈉水反應(yīng)事故發(fā)展也不同。根據(jù)目前的工程經(jīng)驗(yàn)，探測(cè)鈉水反應(yīng)事故必須采用探測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物氫離子作為事故報(bào)警手段，因此，必須研究事故擴(kuò)展過(guò)程中氫離子的擴(kuò)散及傳輸路線，以及氫離子濃度的空間分布，從而有目的的進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和探測(cè)裝置的布置，保證探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和有效性。完成SG事故保護(hù)系統(tǒng)鈉水反應(yīng)事故擴(kuò)展過(guò)程研究，需要開(kāi)展以下試驗(yàn)。

2.1氫離子擴(kuò)散軌跡及其傳輸路線測(cè)量試驗(yàn)

系統(tǒng)預(yù)熱結(jié)束后，在關(guān)閉冷阱的條件下，對(duì)系統(tǒng)回路進(jìn)行注氫。此時(shí)，回路中的鈉在冷阱凈化效應(yīng)下，氫濃度最低。

注氫通過(guò)前述質(zhì)量流量控制器進(jìn)行，先設(shè)定注氫流量，基本設(shè)定在0.1SL/min～0.3SL/min，注氫前先用高純氬吹掃，確保注氫毛細(xì)管通暢；注氫時(shí)，打開(kāi)質(zhì)量流量控制器流量控制閥，當(dāng)瞬時(shí)流量顯示有流量時(shí)，打開(kāi)注氫毛細(xì)管入口球閥，向模型蒸汽發(fā)生器注入氫，直至質(zhì)量流量計(jì)顯示累積流量達(dá)到設(shè)置值，關(guān)閉質(zhì)量流量器流量控制閥，結(jié)束注氫；然后再用氬氣吹掃，將注氫管路中的剩余氫吹掃進(jìn)模型蒸汽發(fā)生器。與注氫球閥開(kāi)啟同時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄氫計(jì)在隨后十幾分鐘的輸出。

通過(guò)氫離子探測(cè)設(shè)備在不同位置測(cè)量鈉水反應(yīng)時(shí)氫離子的傳輸過(guò)程，確定鈉水反應(yīng)位置與監(jiān)測(cè)點(diǎn)氫濃度關(guān)系。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果調(diào)整測(cè)點(diǎn)位置，得出最佳測(cè)點(diǎn)布置方案。

2.2氫離子濃度的空間分布測(cè)量試驗(yàn)

重復(fù)上述注氫操作，改變注氫量，通過(guò)不同位置的探測(cè)裝置監(jiān)測(cè)氫離子濃度，同時(shí)記錄鈉溫及鈉流量參數(shù)，確定該工況下的氫離子濃度的空間分布。

根據(jù)注氫量的不同重復(fù)該試驗(yàn)，確定不同工況下的氫離子濃度的空間分布，兼顧氫離子擴(kuò)散傳輸路線，優(yōu)化探測(cè)裝置布置方式，分析試驗(yàn)結(jié)果，從而得出蒸汽發(fā)生器事故保護(hù)系統(tǒng)鈉水反應(yīng)探測(cè)可靠性的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定不同工況下金屬鈉中的氫飽和濃度，最終設(shè)定合理的報(bào)警閾值。

3 鈉水反應(yīng)探測(cè)穩(wěn)定性試驗(yàn)

3.1探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定性影響因素及其敏感性確定試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同工況下的小泄漏鈉水反應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，大致確定其測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定性影響因素；再次通過(guò)小泄漏模擬試驗(yàn)，對(duì)鈉水反應(yīng)探測(cè)系統(tǒng)影響因素的敏感性進(jìn)行確認(rèn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別對(duì)探測(cè)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、儀表測(cè)量系統(tǒng)、信息采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)各影響因素進(jìn)行權(quán)重分析，得到相應(yīng)影響因素的修正數(shù)學(xué)模型，改變影響因素參數(shù)通過(guò)小泄漏實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以削弱或消除不穩(wěn)定性影響。

3.2報(bào)警閾值確定試驗(yàn)

在一定鈉溫下，凈化鈉至氫計(jì)讀數(shù)在半小時(shí)內(nèi)不再變化的條件下，記錄各個(gè)讀數(shù)，此時(shí)鈉中氫含量為鈉流本底氫含量。改變鈉溫模擬二回路工藝系統(tǒng)工況，重新凈化鈉至氫計(jì)讀數(shù)在半小時(shí)內(nèi)不再變化的條件下，記錄各個(gè)讀數(shù)，此時(shí)鈉中氫含量為該溫度下鈉流本底氫含量。多次重復(fù)測(cè)量本底氫含量，計(jì)算統(tǒng)計(jì)值及波動(dòng)范圍，確定探測(cè)裝置報(bào)警理論值，結(jié)合注氫/注水試驗(yàn)及影響因素，確定不同工況下的報(bào)警值，根據(jù)鈉水反應(yīng)事故擴(kuò)展過(guò)程試驗(yàn)結(jié)論布置監(jiān)測(cè)裝置，設(shè)定報(bào)警值，通過(guò)注氫/注水試驗(yàn)驗(yàn)證該報(bào)警值的合理性及探測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 預(yù)期技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)小泄漏探測(cè)裝置報(bào)警閾值確定試驗(yàn)，給出小泄漏探測(cè)裝置探測(cè)信號(hào)處理結(jié)果誤差及其修正系數(shù)，將小泄漏探測(cè)裝置報(bào)警氫濃度閾值，與實(shí)際泄漏發(fā)生時(shí)的最小氫濃度值誤差控制在±20%以內(nèi)；通過(guò)探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定性影響因素及其敏感性確定試驗(yàn)，使改進(jìn)后的小泄漏探測(cè)裝置，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差波動(dòng)控制在±20%以內(nèi)，小泄漏探測(cè)裝置無(wú)故障連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不低于5 000h，小泄漏探測(cè)裝置，從透氫鎳管到信號(hào)的處理反饋輸出時(shí)間不超過(guò)60s；通過(guò)鈉水反應(yīng)時(shí)氫離子擴(kuò)散軌跡及其運(yùn)輸路線測(cè)量試驗(yàn)，和鈉水反應(yīng)時(shí)氫離子濃度的空間分布測(cè)量試驗(yàn)，將泄漏探測(cè)裝置可靠度控制在90%以上。

5 結(jié)論

本文主要對(duì)鈉水反應(yīng)事故擴(kuò)展研究試驗(yàn)方案進(jìn)行初步分析和設(shè)計(jì)，闡述試驗(yàn)驗(yàn)證的必要性，在微小泄漏鈉水反應(yīng)發(fā)生時(shí)，氫計(jì)探測(cè)器的可靠性直接關(guān)系到氫計(jì)能否及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)出鈉泄漏警報(bào)，對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和聯(lián)動(dòng)事故保護(hù)系統(tǒng)具有很重要的意義。因此，要提高探測(cè)系統(tǒng)的可靠性，避免誤報(bào)的發(fā)生，必須對(duì)探測(cè)裝置進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校正改進(jìn)?？煽啃灾饕P(guān)注鈉水反應(yīng)探測(cè)的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間兩方面，試驗(yàn)主要通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)回路中氫離子濃度，并與裝置探測(cè)獲得的數(shù)值進(jìn)行比較分析，從而確定探測(cè)裝置探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性以及設(shè)定合理的報(bào)警閾值。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比之前的理論分析，可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更完善的驗(yàn)證，支持總體的設(shè)計(jì)方案。

O6-3

A

1674-6708（2016）171-0158-02

裴志勇，中國(guó)原子能科學(xué)研究院。許業(yè)強(qiáng)，中國(guó)原子能科學(xué)研究院。武志廣，中國(guó)原子能科學(xué)研究院。