快堆破損組件鉛清洗阱功能驗證試驗研究

李君瑜，俞曉琛，李凌霄，劉績偉

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

快堆破損組件鉛清洗阱功能驗證試驗研究

李君瑜，俞曉琛，李凌霄，劉績偉

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

快堆采用鈉作為冷卻劑，破損組件由于粘附大量的鈉必須經(jīng)過清洗除鈉后才可以放置于乏燃料水池中保存。鉛清洗是快堆破損組件除鈉的一種工藝。本文主要對鉛清洗工藝中的關(guān)鍵設(shè)備——鉛清洗阱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并通過試驗的方法對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗證；還對影響清洗效果的因素進(jìn)行了試驗和分析。通過此功能驗證試驗，證明了鉛清洗阱結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，為后續(xù)快堆電站組件鉛清洗阱的設(shè)計和運行提供有益的參考。

塊堆；鉛；清洗；模擬組件

中國實驗快堆(CEFR)粘鈉破損組件根據(jù)俄羅斯的經(jīng)驗采用鉛清洗工藝處理[1]，采用該清洗工藝有兩個目的，首先是清洗除鈉，由于熔融鉛和鈉會生成鈉鉛合金從而起到除鈉的作用[2]，其次是熔融鉛會粘附在組件的破口上起到封堵破口的作用。由于粘鈉破損組件鉛清洗工藝只有俄羅斯采用，能查到的相關(guān)文獻(xiàn)幾乎為空白，俄方給出的鉛清洗工藝資料中只有非常簡單的說明，沒有詳細(xì)的工藝參數(shù)，國內(nèi)此前也沒有開展過相關(guān)的研究，因此我們尚未全面掌握此項工藝技術(shù)。本文重點關(guān)注的是鉛清洗阱的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其功能實現(xiàn)。

1 主要設(shè)備、試驗試件及試劑

1.1 主要設(shè)備

鉛清洗阱由吊桶、外筒和內(nèi)筒組成，外筒由上筒體和下筒體組成。下筒體用于收集溢流的鉛。上筒體內(nèi)焊接兩個定位環(huán)，兩根呼吸管和一根溢流管，具體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

1.2 試驗試件

本試驗采用的試驗試件為1∶2比例模擬組件。

1∶2比例組件主要由上部抓頭、外套管、元件棒及下部介質(zhì)進(jìn)出口管組成。其高度約為實際燃料組件高度的1/2，模擬組件上部設(shè)計供轉(zhuǎn)移裝置抓手抓取模擬組件的頭部，下部設(shè)計帶9個φ6的介質(zhì)進(jìn)出口圓孔的管。模擬組件外部套管采用六邊形，套管上部設(shè)有6個介質(zhì)進(jìn)出口的長圓孔，內(nèi)裝不銹鋼管用來模擬元件棒，模擬元件棒兩端封閉，每根鋼管間最小縫隙為1.5mm。1∶2比例模擬組件的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2所示。

1.3 主要試劑

鉛：純度≥99.9%。

圖1 鉛清洗阱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of lead cleaning trap structure1—外筒；2—內(nèi)筒；3—吊桶；4—溢流管；5—定位環(huán)；6—呼吸管

圖2 1∶2模擬組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of analog assembly structure1—上部組件；2—上部抓頭；3—介質(zhì)出入管

2 試驗內(nèi)容和目的

2.1 鉛清洗阱結(jié)構(gòu)功能驗證試驗

(1) 分段加熱驗證試驗。該加熱試驗的目的是通過分段加熱試驗，消除鉛熔化過程中其膨脹對容器結(jié)構(gòu)的影響，并得到分段加熱的工藝參數(shù)。

(2) 鉛清洗阱定位環(huán)、溢流管和呼吸管功能驗證試驗。定位環(huán)是為了定位和支撐，溢流管是將溢流的鉛通過溢流口流入鉛清洗阱下部的鉛收集筒，呼吸管是為了保證鉛清洗阱內(nèi)筒下部鉛收集筒氣腔與大氣相連，壁面收集筒氣腔憋氣。

2.2 組件粘鉛量試驗

每根破損組件經(jīng)鉛清洗后，表面都會粘附有一定量的鉛，還有一部分鉛會溢流，因此清洗阱中的鉛會減少，在下一根組件清洗前需在清洗阱中補充鉛，每次清洗時鉛的消耗量是該工藝的重要參數(shù)。該實驗?zāi)康木褪峭ㄟ^試驗，了解每次鉛清洗的消耗量，以便準(zhǔn)確地向鉛清洗阱中加鉛。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 鉛清洗阱分段加熱驗證試驗

首先，通過軟件ABAQUS V6.11分析加熱過程，建立軸對稱模型分析，經(jīng)過多組計算，最終確定最佳的外壁升溫曲線。如圖3鉛溫度變化云圖結(jié)果所示：在8616s開始，金屬鉛開始融化，在12263s全部融化為液態(tài)，在18000s后，金屬底部最高溫度468.2℃，頂部最高溫度453.6℃，全程溫升速率285℃/h。如圖4鉛清洗阱應(yīng)力分析云圖結(jié)果所示：鉛清洗阱最大應(yīng)力出現(xiàn)在2552s，內(nèi)筒下部隔斷的上端，最大值為117MPa，其值小于材料在該溫度下的屈服強度119MPa，但是該屈服強度已經(jīng)大于材料的許用應(yīng)力，因此我們試驗選擇了分段加熱以保證設(shè)備不會產(chǎn)生變形。

圖3 鉛的溫度變化云圖Fig.3 Temperature change of lead

圖4 鉛清洗阱應(yīng)力分析云圖Fig.4 Stress analysis of lead cleaning trap

實際加熱實驗過程中，我們按照從上至下的分段加熱方式加熱鉛清洗阱，CH04，CH03，CH02，CH01分別是從上到下四段電加熱的編號，四段電加熱加熱目標(biāo)溫度均為450℃，1h從室溫加熱至350℃，再1h從350℃加熱至450℃。試驗結(jié)果表明：由于鉛清洗阱分為內(nèi)筒和外筒，加熱裝置加熱外筒壁，并且采取分段加熱的方式，裝在內(nèi)筒中的鉛熔化，需要一個比較長的時間，鉛液面溫度是從室溫到100℃、250℃、450℃逐步上升，整個加熱過程需要12h左右，采用此加熱方式不會出現(xiàn)由于鉛的硬膨脹對容器的損壞現(xiàn)象，與之前軟件計算結(jié)果相符。

3.2 鉛清洗阱定位環(huán)、呼吸管和溢流管功能驗證試驗

由于定位環(huán)的存在，組件在使用轉(zhuǎn)移裝置向鉛清洗阱轉(zhuǎn)移的過程中可以很好對中定位。模擬組件下降過程中不會與鉛清洗阱壁面及呼吸管和溢流管產(chǎn)生碰撞。鉛清洗阱結(jié)構(gòu)中的呼吸管和溢流管很長，受鉛熔化時膨脹擠壓，將其焊接在定位環(huán)上，可避免管的位移。試驗證明定位環(huán)可以實現(xiàn)其定位功能。

數(shù)次試驗后，有總計約50kg的鉛溢流，由于呼吸管連通了容器底部的氣腔和大氣不至于封閉底部氣腔，保證了鉛順利溢流。溢流管的溢流功能也得以實現(xiàn)。后續(xù)鉛清洗阱的結(jié)構(gòu)設(shè)計時可參照本次設(shè)計中呼吸管、溢流管與鉛清洗阱的尺寸比例，適當(dāng)放大。

溢流管的溢流試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鉛清洗消耗量試驗數(shù)據(jù)表Table 1 Test data of lead cleaning consumption

表1中溢流量通過下列公式求得，

m=(S-S1-S2)×(h1-h2)×ρ-m1

(1)

式中：m：溢流量；

S：鉛清洗阱截面積；

S1：溢流管截面積；

S2：呼吸管截面積；

h1：清洗后相對液位；

h2：清洗前相對液位；

m1：粘鉛量；

ρ：鉛密度。

根據(jù)表2和計算公式(1)可知：

序號1實驗時的溢流量：7.78-1=6.78kg

序號2實驗時的溢流量：4.736-0.853=3.883kg

對比兩組實驗結(jié)果，序號1實驗結(jié)果明顯大于序號2，分析原因有兩點：一是因為序號1試驗時，擔(dān)心鉛量不足，不能達(dá)到溢流效果，因此加的鉛量過多；二是在做序號1實驗前序號1組件已經(jīng)粘了不少的鉛，兩個因素共同作用導(dǎo)致鉛溢流量較大。序號2試驗是正常的溢流量，后續(xù)真實的破損燃料組件在清洗條件相同的情況下，溢流量的變化區(qū)間會縮小，每次的溢流量會很穩(wěn)定。

3.3 組件粘鉛量試驗

組件粘鉛量數(shù)據(jù)及其與清洗時長的關(guān)系如表2和圖5所示。

表2 組件粘鉛量實驗數(shù)據(jù)Table 2 Test data of assembly adhered lead content

圖5 清洗時長與粘鉛量關(guān)系圖Fig.5 Relationship between cleaning duration and adhered lead content

試驗結(jié)果表明組件的粘鉛量與組件在鉛內(nèi)浸泡時間有關(guān)系，時間越長，組件的粘鉛量越多，但超過120min后，浸泡時間繼續(xù)加長，粘鉛量差別不是很大。因此，模擬組件清洗后的粘鉛量可以按1000g計算，1∶2模擬組件粘鉛表面積約為9000cm2，單位面積上的平均粘鉛量為0.1g/cm2。對于后續(xù)破損組件鉛清洗工藝粘鉛量計算取值，組件的粘鉛量可參考本試驗數(shù)據(jù)，按以下公式計算：

M=m×S

式中：

M—組件的粘鉛量，g；

m—單位面積粘鉛量，取0.1g/cm2；

S—組件的粘鉛表面積，cm2。

3.4 組件漂浮

整個驗證試驗過程中還出現(xiàn)了模擬組件放入鉛清洗阱中，組件浮起的現(xiàn)象。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是由于鉛沒能完全進(jìn)入模擬組件中間的模擬元件細(xì)管內(nèi)。在反應(yīng)堆實際運行過程中，由于燃料棒束采用繞絲焊接，棒束之間的間隙會更小，由于鉛密度大，短時間浸潤燃料棒，同樣可能會出現(xiàn)熔融鉛不能進(jìn)入組件棒束空隙而導(dǎo)致的上浮現(xiàn)象。

4 結(jié)論

根據(jù)鉛清洗阱功能驗證試驗結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1) 鉛清洗阱的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠?qū)崿F(xiàn)所需的工藝要求，分段加熱的設(shè)計避免了鉛熔化膨脹導(dǎo)致的設(shè)備變形。定位環(huán)、溢流管、呼吸管等特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計也實現(xiàn)了各自的功能。

(2) 每次清洗一根模擬組件所消耗的鉛量在1kg左右。對于后續(xù)快堆電站設(shè)計而言，因為其組件與試驗使用的模擬組件相比更粗更長，因此其粘鉛量可參考本試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算獲得。

(3) 鉛清洗過程中，組件會在液態(tài)鉛中浮起，因此在后續(xù)鉛清洗工藝設(shè)計過程中，需要考慮該現(xiàn)象對工藝的影響，通過某些工藝設(shè)計避免這種情況的出現(xiàn)。

[1] 盧曉春，中國實驗快堆組件清洗系統(tǒng)系統(tǒng)手冊(內(nèi)部)，中國原子能科學(xué)研究院，2002：1-3.

[2] 許詠麗，等. 鉛及鉛鉍共晶合金工藝手冊[M]. 北京：中國原子能出版社，2013：67-69.

StudyofLeadCleaningTrapFunctionVerificationTestofFastReactorFailedFuelAssembly

LIJun-yu，YUXiao-chen，LILing-xiao，LIUJi-wei

(China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China)

Sodium is used as the coolant of the fast reactor，and the failed fuel assembly should be cleaned before being placed in the spent fuel pool because of the large amount of sodium that is adhered. Lead cleaning is a process used for fast reactor failed fuel assembly cleaning. This paper mainly studied the function of lead cleaning trap that was the key equipment in lead cleaning process and the structure of lead cleaning trap was verified by this test. Then the factors influencing cleaning effect were tested and analyzed. Through this test，it is proved that the structure of lead cleaning trap is reasonable，which can provide a useful reference for the follow-up design and operation of lead cleaning trap of fast reactor plant failed fuel assembly.

Fast reactor；Lead；Cleaning；Analog assembly

2017-09-11

李君瑜(1981—)，男，陜西寶雞人，工程師，碩士，現(xiàn)從事涉鈉清洗工藝的研究工作

TL43

A

0258-0918(2017)05-0721-06