中國示范快堆高性能冷阱凈化能力試驗研究

惠媛媛，謝 淳，王景春，李 煦，李文龍，禹春利，趙 展

(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)

在鈉冷快堆中，由于作為冷卻劑的金屬鈉與其他冷卻劑如Hg、NaK、K、Pb-Bi、Pb、Li、He等相比具有明顯的優(yōu)越性[1]。因此除了一些早期的實驗堆外，世界上建造的實驗快堆、原型快堆和示范快堆均選用鈉作為冷卻劑[2]。目前中國在建的商用示范快堆電站(CFR600)同樣也選用鈉作為冷卻劑。

冷卻劑鈉中存在的金屬和非金屬雜質(zhì)對傳熱性能、材料性能、核性能等有害，甚至可影響到反應(yīng)堆的安全運行[3]。如雜質(zhì)氧加速鈉對快堆包殼和結(jié)構(gòu)材料的腐蝕，造成它們機械性能的改變；雜質(zhì)氧的化合物和鈣的化合物在鈉中沉淀，將會引起流道堵塞，影響燃料組件和熱交換器的傳熱性能[4]；雜質(zhì)鉀會在輻照條件下，發(fā)生中子活化反應(yīng)，產(chǎn)生放射性同位素41Ar，增加覆蓋氣的放射性。因此，研究快堆的各國家根據(jù)實際情況制定了入堆核級鈉標準、一回路和二回路中鈉雜質(zhì)的質(zhì)量控制標準。同時，為滿足鈉純度的要求，開展了沉降、過濾、熱阱和真空蒸餾等多種鈉凈化方法和工藝研究[5-6]。

強迫對流型冷阱是一種廣泛應(yīng)用于凈化鈉中雜質(zhì)的設(shè)備，該結(jié)構(gòu)形式的冷阱內(nèi)填有金屬絲網(wǎng)，當鈉流過絲網(wǎng)的冷區(qū)時，鈉中雜質(zhì)便在絲網(wǎng)上以非均相結(jié)晶的形式成核、長大、結(jié)晶和析出[7-8]。同時，雜質(zhì)還會以均相結(jié)晶的形式結(jié)晶析出和沉降，反應(yīng)堆或鈉回路上通常采用這種形式的冷阱。

中國實驗快堆(CEFR)采用了徑向降溫過濾型-分區(qū)強迫對流型冷阱，CEFR一回路冷阱外面用鈉鉀合金作冷卻劑的夾層，夾層內(nèi)有充滿液體有機冷卻劑(高溫導(dǎo)熱油)的蛇形管。當冷阱工作時，冷阱內(nèi)鈉的熱量通過冷阱容器壁傳給鈉鉀合金，進而傳給有機冷卻劑，有機冷卻劑的熱量再由空冷器散到大氣中去。該結(jié)構(gòu)形式冷阱的缺陷如下：1) 抗堵性差，鈉鉀合金導(dǎo)熱能力極強，很容易造成鈉中雜質(zhì)在剛進入冷阱環(huán)形絲網(wǎng)區(qū)外層即被快速冷卻發(fā)生結(jié)晶，從而造成冷阱過早阻塞失效，進而導(dǎo)致冷阱雜質(zhì)收集量較?。?) 鈉鉀合金冷卻系統(tǒng)運行復(fù)雜不易控制；3) 由鈉鉀合金成本高所帶來的經(jīng)濟性較差；4) 可靠性較低，鈉鉀合金的化學(xué)活性遠大于金屬鈉，用鈉鉀合金作為冷卻介質(zhì)，會給鈉鉀合金的灌裝、冷阱安裝和更換過程帶來操作的危險性。

由于上述問題的存在，目前CEFR一回路冷阱已更換了4臺。另外CEFR一回路冷阱的捕集能力為86.21 kg/m3，CEFR二回路冷阱的捕集能力為105.26 kg/m3(本文所提及的捕集能力，均指收集Na2O的質(zhì)量)，其遠不能滿足CFR600各回路中雜質(zhì)的凈化需求。

根據(jù)所設(shè)計同型冷阱的國際運行經(jīng)驗數(shù)據(jù)可知，冷阱失效前雜質(zhì)捕集能力為200 kg/m3；另外，根據(jù)CEFR一回路冷阱的運行數(shù)據(jù)，并查閱有關(guān)資料[3]，經(jīng)初步計算，得到CFR600冷阱的凈化速率為0.2 kg/h，故自主研發(fā)的高性能冷阱預(yù)期的性能指標如下：凈化速率≥0.2 kg/h(阻塞溫度≥220 ℃)；捕集能力≥200 kg/m3；雜質(zhì)容量為1 000 kg Na2O。

本文通過開展高性能冷阱凈化能力試驗，以期獲得所選試劑Na2O2在鈉中的溶解速率以及冷阱的凈化速率、捕集能力和雜質(zhì)容量，為CFR600工程冷阱的設(shè)計提供依據(jù)。

1 試驗回路及凈化理論

1.1 冷阱試驗回路及冷阱樣機

1)高性能冷阱試驗回路

高性能冷阱鈉試驗回路主要由儲鈉罐、加料器、蒸汽阱、電磁泵、主加熱器、擴散型氫計、阻塞計、冷阱樣機、風(fēng)機、空氣過濾器、消音器、輔助加熱器、輔助鈉罐、省熱器、鈉流量計、鈉壓力計、鈉液位計、鈉閥、氣閥、儀表閥、管道、電氣和控制系統(tǒng)等組成，回路原理圖如圖1所示。該回路具有向鈉中定量加含氧雜質(zhì)、離線取樣、在線監(jiān)測雜質(zhì)氧及凈化鈉中金屬雜質(zhì)和非金屬雜質(zhì)的功能，以期獲得冷阱的性能指標。

圖1 高性能冷阱鈉試驗回路原理圖Fig.1 Theory figure of sodium experimental loop of high performance cold trap

2) 冷阱樣機

根據(jù)CFR600鈉凈化系統(tǒng)的需求，設(shè)計和制造了1∶1的冷阱樣機，用于冷阱性能指標的試驗驗證。其工作原理為：冷阱采用冷卻結(jié)晶法，使熱鈉溶液冷卻降溫，成為過飽和溶液，鈉中雜質(zhì)的溶解度隨鈉溫的降低而呈指數(shù)規(guī)律下降，在過飽和鈉中成核、結(jié)晶、長大和沉積。熱鈉從進鈉管流入冷阱結(jié)晶沉積區(qū)，遇到結(jié)晶冷卻管外壁后進行初步降溫，鈉中雜質(zhì)在過飽和鈉溶液中均相成核，在過飽和濃度的推動力之下，雜質(zhì)不斷向晶核聚集使其長大成晶體，隨著結(jié)晶時間的延長，晶體顆粒連續(xù)長大，當顆粒的重力大于其在鈉溶液中所受的浮力時，雜質(zhì)晶體顆粒便會向下運動沉積在冷阱的底部，同時，也可非均相成核形成晶體而在結(jié)晶冷卻管的壁面結(jié)晶。來自結(jié)晶沉積區(qū)的鈉在最終冷卻區(qū)進一步降溫，雜質(zhì)以非均相成核的方式形成晶體而吸附在最終冷卻區(qū)結(jié)晶冷卻管壁面和容器內(nèi)壁面上。返回的過飽和鈉溶液中的雜質(zhì)在流過絲網(wǎng)區(qū)時以非均相成核的方式形成晶核、長大和沉積在絲網(wǎng)上。該冷阱結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

當冷阱的進鈉管1與進鈉管2均發(fā)生堵塞，即兩種運行方式下，冷阱進出口壓差均達到100 kPa以上，視為冷阱被雜質(zhì)完全堵塞(該冷阱預(yù)期收集雜質(zhì)量超過1 000 kg Na2O)，即需拆除冷阱進行更換。

圖2 高性能冷阱簡圖Fig.2 Figure of high performance cold trap

1.2 試劑選擇

試驗選擇過氧化鈉(Na2O2)作為加氧試劑，其為白色至淡黃色粉末狀固體，熔點為460 ℃，熱穩(wěn)定性好，可加熱到熔融狀態(tài)不分解，但其可與鈉反應(yīng)生成Na2O。

1.3 冷阱凈化理論

鈉冷快堆采用核級鈉[9]作為冷卻劑，其中的金屬雜質(zhì)和非金屬雜質(zhì)僅氧含量高于一、二回路中質(zhì)量控制標準，因此試驗中以氧為研究雜質(zhì)。鈉-氧的二元體系可看作鈉為溶劑、氧為溶質(zhì)的溶液，氧在鈉中的溶解度隨著溫度的降低而下降，以Na2O形式結(jié)晶析出。冷阱就是利用該原理，冷阱內(nèi)的鈉降溫至氧的飽和溫度以下，Na2O將會析出留在冷阱內(nèi)的絲網(wǎng)、壁面上或沉降下來。氧的溶解度遵循Noden公式[10-11]：

T∈[383,823]

(1)

式中：C為氧在鈉中的飽和濃度，ppm；T為鈉的溫度，K。

冷阱效率為：

ε=(C0-Cout)/(C0-Ce)

(2)

式中：C0為在某特定時刻冷阱進口鈉中雜質(zhì)氧飽和濃度，μg/g；Cout為在某特定時刻冷阱出口鈉中雜質(zhì)氧飽和濃度，μg/g；Ce為冷阱冷點溫度下雜質(zhì)氧的濃度，通過溶解度公式計算，μg/g。

冷阱凈化速率為：

Vp=ε(C0-Ce)Q×10-6

(3)

式中：Vp為冷阱凈化雜質(zhì)氧的速率，kg/h；Q為冷阱流量，kg/h。

捕集能力為：

Rc=m/V

(4)

式中：Rc為捕集能力，kg/m3；m為雜質(zhì)容量，即冷阱能收集的Na2O總質(zhì)量，kg；V為有效容積，m3。

1.4 氧的在線監(jiān)測

阻塞計是鈉回路中鈉質(zhì)量監(jiān)測的重要在線測量儀表[12-14]，由過濾器、回?zé)崞?、阻塞計本體、鈉穩(wěn)壓器、風(fēng)門、冷卻風(fēng)機、鈉流量計、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。當鈉流經(jīng)阻塞計本體時，鈉被省熱器和空氣冷卻器不斷地冷卻，當鈉溫降至鈉中雜質(zhì)飽和溫度以下時，雜質(zhì)便在阻塞孔內(nèi)析出，同時流經(jīng)阻塞孔的鈉流量開始下降。鈉流量開始下降時的阻塞孔處鈉的溫度定義為阻塞溫度。不同的阻塞溫度對應(yīng)不同的氧化物的含量，根據(jù)阻塞溫度和Noden公式求得鈉中氧的濃度。

1.5 試驗數(shù)據(jù)誤差分析

本文在線監(jiān)測工具阻塞計的測量誤差為±2 ℃，其測量誤差的主要來源可能為：1) 測溫元件導(dǎo)熱引起的誤差；2) 熱電偶的測量誤差；3) 補償導(dǎo)線引起的誤差；4) 溫度補償電阻引起的誤差；5) 微機數(shù)字測溫儀示值分辨率引起的誤差。

2 冷阱試驗和結(jié)果分析

2.1 Na2O2在鈉中的溶解速率

在冷阱試驗回路總鈉量固定的情況下，Na2O2在鈉中的溶解速率主要由儲鈉罐鈉溫、系統(tǒng)鈉流量、溶解時間和Na2O2的加入量決定。每次向系統(tǒng)回路中加入定量Na2O2(1 500 g)，鈉溫、鈉流量、溶解時間對溶解速率的影響如圖3所示。由圖3可知，鈉流量相同的情況下，Na2O2溶解一定時間后，鈉溫對其溶解速率影響不大，由于CFR600鈉凈化系統(tǒng)中冷阱的工作溫度為110～250 ℃，經(jīng)計算，約1 500 g Na2O2加入到冷阱試驗回路(共36 t鈉)中，鈉中氧的濃度為24.5 μg/g，對應(yīng)的飽和溫度為230 ℃，因此儲鈉罐中的鈉溫設(shè)置為250 ℃。在250 ℃鈉溫下，鈉流量為17 m3/h，Na2O2在鈉中的溶解速率遠大于鈉流量為8 m3/h的溶解速率，故Na2O2在鈉中溶解期間，回路運行的鈉流量定為17 m3/h。

圖3 鈉溫、鈉流量、溶解時間對溶解速率的影響Fig.3 Impact of sodium temperature,sodium flow,and dissolved time on dissolved rate

圖3中曲線(250 ℃，8 m3/h)在溶解時間后期出現(xiàn)下降趨勢，其原因可能是250 ℃時，8 m3/h的攪拌速率太小，無法使加入的Na2O2充分溶解，鈉源中溶解的雜質(zhì)不均勻。

2.2 冷阱絲網(wǎng)溫度控制

分別控制冷阱絲網(wǎng)溫度為170、150、140、130 ℃，回路流量控制在8 m3/h(CFR600回路運行流量)左右，利用阻塞計測量得到回路鈉中氧的濃度隨時間的變化如圖4所示。由圖4可知，當加入一定量Na2O2后，冷阱在開始一段時間內(nèi)凈化速率快，凈化到一定程度后，將維持穩(wěn)定；控制冷阱絲網(wǎng)溫度越低，達到穩(wěn)定狀態(tài)下，回路中雜質(zhì)濃度越低，一定時間內(nèi)冷阱收集雜質(zhì)的量也越大，分布越集中，且對冷阱的冷卻系統(tǒng)耗能越大，故在冷阱運行過程中，可將冷阱絲網(wǎng)的控溫點逐漸降低，收集雜質(zhì)速率平緩，雜質(zhì)分布越均勻，也可降低冷阱冷卻系統(tǒng)的能耗。

圖4 回路鈉中氧的濃度隨時間的變化Fig.4 Oxygen concentration in sodium vs. time

圖4中170 ℃的曲線在10 h后出現(xiàn)較大的上升趨勢，其原因可能是阻塞計在測量過程中的誤差造成的。

2.3 冷阱凈化速率

在鈉流量為8 m3/h時，冷阱凈化Na2O的速率計算結(jié)果列于表1。從表1可知，隨著冷阱運行時間的增長，回路中氧的飽和濃度不斷降低(即氧含量不斷減少)，冷阱的凈化速率隨著回路中氧的飽和濃度降低而降低，當回路中氧飽和溫度大于194.2 ℃，冷阱凈化Na2O的速率大于0.24。根據(jù)冷阱運行經(jīng)驗[15]，阻塞溫度一般較飽和溫度低20 ℃左右，因此，當阻塞溫度大于174.2 ℃時，冷阱凈化Na2O的速率大于0.24。因此，該冷阱滿足凈化速率不小于0.2 kg/h(阻塞溫度≥220 ℃)的性能指標。

表1 冷阱凈化Na2O速率計算結(jié)果Table 1 Calculation result of purifying Na2O in cold trap

2.4 冷阱雜質(zhì)容量

冷阱在整個加氧過程中的進出口壓差變化如圖5所示。由圖5可知，在整個加氧過程中，冷阱進出口壓差逐漸增加，在加入雜質(zhì)(Na2O)量為972 kg時，進鈉管1發(fā)生堵塞，壓差為105 kPa。隨后改至進鈉管2，試驗結(jié)束時，進鈉管2運行正常，冷阱進出口壓差在60 kPa左右。

圖5 冷阱運行過程中進出口壓差變化曲線Fig.5 Differential pressure curve of import and export during cold trap operation

冷阱樣機在高性能冷阱鈉試驗回路中進行試驗考驗期間，未出現(xiàn)堵塞，共加入Na2O2總量為774.20 kg，即1 207.9 kg Na2O，因此，冷阱的雜質(zhì)容量大于1 207.9 kg。

2.5 冷阱捕集能力

根據(jù)冷阱樣機的結(jié)構(gòu)計算出該冷阱的有效容積為6 m3，因此冷阱的捕集Na2O的能力大于201.3 kg/m3。

3 結(jié)論

1) 冷阱凈化一定量雜質(zhì)時，其凈化速率逐漸降低，凈化到一定程度后，將維持穩(wěn)定；控制冷阱絲網(wǎng)溫度越低，達到穩(wěn)定狀態(tài)下，回路中雜質(zhì)濃度越低。

2) 高性能冷阱樣機的凈化速率(0.2 kg/h(阻塞溫度≥220 ℃))、捕集能力(>201.3 kg/m3)和雜質(zhì)容量(>1 207.9 kg Na2O)均滿足了預(yù)期的性能指標要求，為冷阱性能分析軟件的設(shè)計開發(fā)提供了依據(jù)，CFR600工程冷阱的設(shè)計可為此樣機基礎(chǔ)定型。

3) 高性能冷阱的捕集能力是CEFR一回路冷阱的2.33倍，是二回路冷阱的1.91倍。