未破損粘鈉組件水蒸氣- 氮氣清洗工藝的優(yōu)化設(shè)計

李凌霄

中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部 北京 102413

中國實驗快堆（CEFR）采用鈉作為冷卻劑，快堆壽期內(nèi)，會有大量的粘鈉組件從堆內(nèi)換出，因此需要對粘鈉的組件進行除鈉清洗。中國實驗快堆采用水蒸氣-氮氣清洗的工藝，該清洗回路已建成并投入使用，設(shè)計人員經(jīng)歷了CEFR 組件清洗系統(tǒng)的調(diào)試及運行工作，在這些大量工作的基礎(chǔ)上，對CEFR 粘鈉組件相關(guān)清洗工藝的設(shè)計方案、設(shè)計參數(shù)、設(shè)計意圖以及該設(shè)計在運行階段的結(jié)果評價和反饋已經(jīng)有了清晰、詳盡的了解和掌握。通過系統(tǒng)的調(diào)試及運行可以確定水蒸氣-氮氣清洗是相對安全、有效的清洗工藝[1]。但在CEFR 的調(diào)試及運行過程中發(fā)現(xiàn)了一些不盡如人意的設(shè)計，因此對此工藝進行了設(shè)計優(yōu)化。

1 中國實驗快堆粘鈉組件清洗工藝

1.1 建立惰性氣體保護氣氛

清洗開始之前，系統(tǒng)的氣氛為空氣氣氛，為避免清洗過程中發(fā)生燃燒或爆炸情況，對整個系統(tǒng)進行氮氣吹掃，把空氣吹出系統(tǒng)管路，將整個清洗系統(tǒng)置換為氮氣氣氛。

1.2 裝入待清洗組件

氮氣氣氛建立好以后就可以對組件進行清洗了。將組件放入清洗容器內(nèi)，組件便處于密閉的清洗環(huán)境之中了。

1.3 氮氣吹掃組件

用氮氣對組件進行吹掃，主要目的是對待清洗組件進行冷卻。

冷卻組件的同時，對組件進行氣相放射性探測，若檢測結(jié)果表明組件破損，則不進行蒸氣清洗，而轉(zhuǎn)入破損組件清洗程序。若未發(fā)現(xiàn)組件破損，則可繼續(xù)下一步水蒸氣清洗。

1.4 水蒸氣清洗組件

此步驟是組件清洗的最核心步驟，經(jīng)過水蒸氣清洗，組件上附著的鈉基本上會全部被洗掉。

蒸氣清洗過程中要隨時對系統(tǒng)內(nèi)的氫氣含量進行監(jiān)測，若氫氣量超標則需要減小蒸氣的供應(yīng)甚至?xí)和Ｕ魵夤?yīng)。

1.5 除鹽水清洗

向清洗容器內(nèi)注入除鹽水，對組件進行浸泡，目的在于確保組件表面附著的氫氧化鈉已被完全洗掉。

1.6 結(jié)束清洗

清洗結(jié)束后，打開氮氣供應(yīng)閥門，將系統(tǒng)管路和組件吹干，取出清洗好的組件。

2 對原清洗工藝的優(yōu)化

粘鈉未破損組件清洗工藝的設(shè)計意圖即在安全的前提下，在較短時間內(nèi)，將粘鈉組件清洗干凈，并產(chǎn)生盡量少的廢液。基于這一設(shè)計目標，結(jié)合CEFR 組件清洗系統(tǒng)的調(diào)試及運行反饋，對未破損組件清洗工藝設(shè)計主要從以下幾個方面進行設(shè)計上的優(yōu)化：

2.1 采用水蒸氣、氮氣的混和氣體作為清洗介質(zhì)

相對于 CEFR 組件清洗工藝采用水蒸氣作為清洗介質(zhì)，優(yōu)化后的清洗工藝采用水蒸氣、氮氣的混和氣體作為清洗介質(zhì)對粘鈉組件進行清洗，這樣做有以下幾點好處：

（1）減小水蒸氣的流入量可以直接減少廢液的產(chǎn)生；

（2）摻入氮氣有利于對組件的保護。由于燃料元件的壁厚很薄，若鈉水反應(yīng)過于激烈，很可能使氫氣發(fā)生燃燒，造成元件表面破裂。氮氣的存在可抑止氫氣的燃燒。

（3）摻入氮氣有利于帶出鈉水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣，從而提高氫氣含量監(jiān)測的準確性，以保證系統(tǒng)運行的安全。

2.2 水蒸氣管道及清洗容器增加電加熱裝置

CEFR 粘鈉組件在進行水蒸氣-氮氣清洗時，由于水蒸氣管道和組件清洗容器是常溫的，先進入的水蒸氣都冷凝成了水，沒有起到水蒸氣清洗的作用，水蒸氣通往設(shè)備一段時間后，管道及設(shè)備溫度逐漸升至160℃后，才開始水蒸氣清洗，這樣會增加整個組件清洗的時間。在水蒸氣管道及組件清洗容器外增加電加熱裝置后，在系統(tǒng)準備進行組件清洗時，提前投入水蒸氣管道及組件清洗容器的電加熱，一方面減少了清洗時間，另一方面可以使組件清洗的效果更好[2]。

2.3 重視水蒸氣冷凝換熱器的設(shè)計

CEFR 設(shè)備清洗系統(tǒng)調(diào)試期間出現(xiàn)換熱部分調(diào)試時從下水道返出水蒸氣的情況，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，確定系統(tǒng)所用水蒸氣冷凝換熱器換熱能力不足，根據(jù)這一反饋，在優(yōu)化的清洗工藝設(shè)計中，應(yīng)重視換熱器的設(shè)計，以確保水蒸氣清洗過程中的水蒸氣盡可能的冷凝，防止氣體管路帶出的水蒸氣在排放管路冷凝成水，流入其它系統(tǒng)產(chǎn)生安全隱患。

2.4 增加氣液分離器設(shè)計，優(yōu)化氫氣測量方法

清洗過程中，控制清洗速度、保證清洗安全很重要的一個參數(shù)是清洗過程中鈉水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣量，但在實際運行中，出現(xiàn)了氫氣測量裝置由于帶來的大量的水汽而被堵塞損壞的情況，使得氫氣測量無法實施，清洗過程完全無法進行下去。針對這一技術(shù)難題，后續(xù)優(yōu)化設(shè)計在氫氣測量裝置前端的管路上設(shè)計安裝汽水分離器，使進入氫氣測量裝置的氣樣先經(jīng)過氣液分離后，進入裝置的氣樣含盡量少的水汽，保證氫氣測量裝置的順利工作，整個清洗工作才得以安全順利進行。同時，加裝氣液分離器還盡可能地減少了進入廢氣排放管路的液體。保證了電廠運行的安全。

2.5 加裝循環(huán)泵

CEFR 組件的清洗在運行階段出現(xiàn)清洗不徹底的反饋，加裝循環(huán)泵可以實現(xiàn)對粘鈉組件的循環(huán)清洗，縮短清洗時間，使清洗效果更好，從而減少廢液的產(chǎn)生。

2.6 簡化管路

CEFR 清洗系統(tǒng)下至地下室，上至反應(yīng)堆大廳，管道閥門密集分布在核島的各個樓層，是快堆最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。簡化系統(tǒng)管路可以降低工程成本、節(jié)約廠房空間，更重要的是清晰明了的設(shè)計可使將來的調(diào)試及運行更加簡單安全。優(yōu)化后的清洗工藝原理設(shè)計上可對此進行考慮[3]。

3 結(jié)語

通過對中國實驗快堆組件清洗系統(tǒng)調(diào)試及運行過程中的經(jīng)驗的反思，優(yōu)化未破損組件水蒸氣-氮氣的清洗工藝，將對后續(xù)快中子反應(yīng)堆涉鈉設(shè)備清洗提供寶貴的技術(shù)參考。