鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器受控鈉水反應(yīng)試驗(yàn)研究

侯 斌，杜麗巖，牛志新

（1.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.中核戰(zhàn)略規(guī)劃研究總院，北京 100048）

1.鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器受控鈉水反應(yīng)試驗(yàn)研究背景

快中子反應(yīng)堆（簡稱：快堆）是以快中子（約0.1MeV以上）維持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的核能裝置總稱。發(fā)展快堆及其閉合燃料循環(huán)能夠有效利用核資源，嬗變長壽命放射性核素，更有利于保障核安全。新世紀(jì)以來，能源的快速發(fā)展和環(huán)境壓力使得核能再次成為國際熱點(diǎn)，國際上快堆的發(fā)展已被納入先進(jìn)核能系統(tǒng)體系。2000年，美國、法國、日本、英國等國家組建了第四代核能系統(tǒng)國際論壇，提出“推動世界核能可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前乏燃料中高放廢物最小化，促進(jìn)核不擴(kuò)散”的第四代核能系統(tǒng)目標(biāo)。在建議的六種第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)中，有三種是快中子反應(yīng)堆，即鈉冷快堆（SFR）、鉛冷快堆（LFR）和氣冷快堆（GFR），其中技術(shù)最成熟、最接近工業(yè)化的是鈉冷快堆。

2000年，國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）發(fā)起下一代先進(jìn)核能系統(tǒng)的國際研發(fā)項(xiàng)目“創(chuàng)新型反應(yīng)堆和燃料循環(huán)國際計(jì)劃”（INPRO）。目前已有二十幾個成員國，我國也是成員國之一。該計(jì)劃在目前階段主要開展基于快堆及其閉式燃料循環(huán)的聯(lián)合評價研究，主要是評價快堆及基于快堆的燃料循環(huán)對核能可持續(xù)發(fā)展的作用，并擬在下一階段開展以快堆技術(shù)為主的合作研發(fā)。

早在20世紀(jì)60年代中期，前二機(jī)部北京194所（中國原子能科學(xué)研究院反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所的前身）組織了約50人的科研隊(duì)伍開始進(jìn)行快堆技術(shù)基礎(chǔ)研究。1987年起，快堆技術(shù)發(fā)展納入國家863高技術(shù)計(jì)劃，成為該計(jì)劃能源領(lǐng)域的一個重大項(xiàng)目。從1992年中國實(shí)驗(yàn)快堆項(xiàng)目得到國家批準(zhǔn)開始，我國快堆技術(shù)的研發(fā)進(jìn)入了以中國實(shí)驗(yàn)快堆工程為直接牽引的CEFR工程研究、試驗(yàn)鑒定、設(shè)計(jì)和建造階段。2010年7月21日9時50分，中國實(shí)驗(yàn)快堆成功達(dá)到首次臨界，樹立了我國快堆發(fā)展的一座里程碑。2014年CEFR實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行72h，標(biāo)志著我國全面掌握了快堆設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試、運(yùn)行的核心技術(shù)，為后續(xù)快堆技術(shù)的發(fā)展、快堆產(chǎn)業(yè)應(yīng)用以及基于快堆及核燃料循環(huán)技術(shù)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我國快堆實(shí)施“實(shí)驗(yàn)快堆-示范快堆-商用快堆”三步走的發(fā)展戰(zhàn)略。

鈉冷快堆是推薦的6種第Ⅳ代先進(jìn)核能系統(tǒng)堆型中的一種，在全世界范圍內(nèi)建設(shè)過18座，電功率從200 kW的實(shí)驗(yàn)快堆到1200 MW大型商業(yè)示范快堆，總共積累了約400堆年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。液態(tài)金屬鈉一直被認(rèn)為是快中子增殖反應(yīng)堆的理想冷卻劑。液鈉有熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、熱導(dǎo)率高、比重小、黏性小以及阻力小等優(yōu)點(diǎn)，但液鈉的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，在運(yùn)行溫度下易與空氣、水等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

中國快堆采用的是鈉-鈉-水三個回路。堆芯產(chǎn)生的熱量由一回路通過中間熱交換器傳遞給二回路，再由蒸汽發(fā)生器把熱量傳遞給三回路。蒸汽發(fā)生器（圖1）位于二回路與三回路的交接處，高溫高壓的水/蒸汽在蒸汽發(fā)生器傳熱管內(nèi)側(cè)流動，高溫液態(tài)鈉在傳熱管外側(cè)流動。傳熱管的數(shù)目比較龐大，實(shí)際的制造、加工及材料等各個方面微小缺陷都可能導(dǎo)致泄漏的產(chǎn)生，從而引發(fā)生鈉水反應(yīng)事故。當(dāng)小泄漏鈉水反應(yīng)得不到有效的監(jiān)測和控制時，便擴(kuò)展為大泄漏鈉水反應(yīng)。大泄漏鈉水反應(yīng)是一種瞬時反應(yīng)，反應(yīng)所產(chǎn)生的氫氣會嚴(yán)重影響鈉的流動，導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器內(nèi)的壓力急劇上升。壓力可以通過二回路波及到中間熱交換器導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)失效，這樣，一回路中帶放射性的鈉就會與二回路的鈉相混合，使二回路各部分遭到放射性污染。確保鈉和水/蒸汽之間邊界的完整性、可靠性是蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)工作的重要組成部分和蒸汽發(fā)生器安全分析的重要內(nèi)容。因此，需要在建設(shè)的快堆綜合性的鈉水反應(yīng)試驗(yàn)臺架上開展蒸汽發(fā)生器事故保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)。并在此基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的探測方案、保護(hù)控制邏輯及模塊隔離方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最終完成快堆多模塊蒸汽發(fā)生器事故保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖1 鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器鈉水反應(yīng)示意圖

2.鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器受控鈉水反應(yīng)試驗(yàn)研究方法

本研究利用理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法開展鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器受控鈉水反應(yīng)試驗(yàn)研究。前期，通過理論計(jì)算預(yù)先分析多模塊蒸汽發(fā)生器事故保護(hù)系統(tǒng)氫氣及壓力波分布情況。后期，在實(shí)驗(yàn)臺架上分別開展了小鈉水反應(yīng)和大鈉水反應(yīng)，利用獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證，從而優(yōu)化多模塊蒸汽發(fā)生器鈉水反應(yīng)事故保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完善多模塊蒸汽發(fā)生器鈉水反應(yīng)事故保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)方法，為完成多模塊蒸汽發(fā)生器鈉水反應(yīng)事故保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定必要的基礎(chǔ)。

3.鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器受控鈉水反應(yīng)試驗(yàn)研究主要成果

3.1 建立了鈉水反應(yīng)試驗(yàn)研究方法

考慮到建造并開展與快堆鈉水反應(yīng)事故保護(hù)系統(tǒng)完全相同的模型臺架在經(jīng)濟(jì)性、工程實(shí)施性等方面的限制，模擬試驗(yàn)一般選擇在合理的比例?；囼?yàn)容器上進(jìn)行。由于結(jié)構(gòu)和流體物性的差異，實(shí)際上很難在原型樣機(jī)中完全復(fù)制快堆蒸汽發(fā)生器原型的特征時間比集合，也就是說，原型樣機(jī)是不可能全部精確地?；休斶\(yùn)過程。因此，該項(xiàng)目采用?；治龅姆椒?，建立了快堆鈉水反應(yīng)事故保護(hù)系統(tǒng)的比例分析模型，經(jīng)過?；治稣撟C，獲得了鈉水反應(yīng)事故保護(hù)系統(tǒng)的?；瘏?shù)，在此基礎(chǔ)上展開鈉水反應(yīng)試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并為后期數(shù)據(jù)分析提供理論支撐，建立了一套完善的鈉水反應(yīng)試驗(yàn)研究方法。

3.2 建立了涉鈉定量注水系統(tǒng)

在試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)原型堆的特點(diǎn)需設(shè)置模擬三回路的注水系統(tǒng)、模擬蒸汽發(fā)生器的鈉水反應(yīng)容器以及模擬換熱管泄漏的爆破組件。為了實(shí)現(xiàn)受控的鈉水反應(yīng)試驗(yàn)，在試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)中，既要提供三回路水側(cè)的高溫高壓水，又要實(shí)現(xiàn)定量注水和精準(zhǔn)爆破，為此該項(xiàng)目攻克了以下關(guān)鍵技術(shù)：一是涉鈉高溫高壓注水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。注水系統(tǒng)是用于加熱水介質(zhì)的溫度以及控制高溫、高壓水/蒸汽注入鈉水反應(yīng)容器的速率。在注水系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)過程中，通過設(shè)計(jì)注水罐和儲水罐分離實(shí)現(xiàn)了注水總量可控。此外，設(shè)置了氬氣環(huán)路輔助電加熱器，使注水罐內(nèi)水達(dá)到預(yù)設(shè)溫度和壓力，設(shè)置雙道電磁隔離閥實(shí)現(xiàn)了多重隔離。二是微孔爆破組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)爆破。在換熱管上設(shè)置了孔板模擬泄漏口以模擬換熱管破裂，在孔板前設(shè)置爆破片實(shí)現(xiàn)了鈉水隔離，在爆破片與孔板之間設(shè)置了引壓管以檢測爆破起始點(diǎn)，最后將爆破片組件通過三通焊接在換熱管預(yù)設(shè)爆破位置。為了實(shí)現(xiàn)微小泄漏，孔板的加工制造精度達(dá)到0.1mm以下，采用了國內(nèi)先進(jìn)的激光打孔技術(shù)；為了保證爆破片在設(shè)定溫度和壓力下爆破，對組裝后的爆破片組件進(jìn)行有限元分析和爆破試驗(yàn)，確保爆破片在預(yù)設(shè)溫度和壓力下爆破，同時實(shí)現(xiàn)微孔級泄漏模擬實(shí)驗(yàn)。三是微孔泄漏率標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)定量注水。針對不同泄漏率下的鈉水反應(yīng)，需要匹配不同大小的限流孔板。由于蒸汽發(fā)生器水側(cè)為高溫高壓水/蒸汽，當(dāng)水泄漏進(jìn)鈉側(cè)會發(fā)生兩相臨界流，需結(jié)合兩相流計(jì)算不同泄漏率下的孔板孔徑。完成高精度激光打孔之后，通過臨界流泄漏率試驗(yàn)對孔徑進(jìn)行了標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)了注水試驗(yàn)的定量注水。

3.3 綜合性鈉水反應(yīng)試驗(yàn)臺架的設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試及運(yùn)行

鈉水反應(yīng)試驗(yàn)裝置主要包括鈉水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)大廳、鈉水反應(yīng)控制間、鈉水反應(yīng)監(jiān)測間、鈉水反應(yīng)設(shè)備維修間等。鈉設(shè)備及鈉回路等試驗(yàn)臺架都布置在鈉水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)大廳，儀表、電氣控制等設(shè)備布置在鈉水反應(yīng)控制間，而氫計(jì)等遠(yuǎn)傳信號布置在鈉水反應(yīng)監(jiān)測間，用來監(jiān)測鈉水反應(yīng)信號數(shù)據(jù)。該臺架現(xiàn)已完成設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試及運(yùn)行，為后期進(jìn)一步開展更大規(guī)模的鈉水反應(yīng)研究積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

3.4 開展了蒸汽發(fā)生器受控鈉水反應(yīng)試驗(yàn)，獲得了氫在鈉回路的遷移曲線

項(xiàng)目進(jìn)行的鈉水反應(yīng)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)蒸汽發(fā)生器鈉水反應(yīng)試驗(yàn)零的突破，獲得了鈉水反應(yīng)后氫氣在高溫鈉回路中遷移特性曲線，數(shù)據(jù)完全符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

3.5 驗(yàn)證了氫計(jì)的綜合性能、微小泄漏氫計(jì)布置方案及報(bào)警閾值的合理性

鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器發(fā)生微小泄漏時盡早探測到微小泄漏，在微小泄漏發(fā)展成中大泄漏之前采取必要的安全措施，是保證蒸汽發(fā)生器安全運(yùn)行的關(guān)鍵。氫計(jì)作為鈉冷快堆微小泄漏的重要探測手段，其綜合性能的高低，直接影響到蒸汽發(fā)生器的安全運(yùn)行。該項(xiàng)目在鈉回路的不同位置分別布置鈉中氫計(jì)和氣中氫計(jì)，當(dāng)發(fā)生鈉水反應(yīng)時，沿著氫氣的擴(kuò)散軌跡，不同位置的氫計(jì)探測到的氫濃度不同，響應(yīng)時間也不同。此次小鈉水反應(yīng)試驗(yàn)一方面驗(yàn)證了氫計(jì)的綜合性能，另一方面驗(yàn)證了氫計(jì)的布置方案和報(bào)警閾值設(shè)計(jì)的合理性。在實(shí)現(xiàn)我國氫計(jì)研發(fā)自主化的同時，為快堆微小泄漏下氫計(jì)的布置方案、報(bào)警閾值及事故信號提供了可靠方案。

3.6 驗(yàn)證了快堆多模塊蒸汽發(fā)生器事故保護(hù)系統(tǒng)小鈉水反應(yīng)下的隔離和控制邏輯的可行性

此次鈉水反應(yīng)試驗(yàn)在試驗(yàn)過程中產(chǎn)生事故報(bào)警信號，通過報(bào)警信號觸發(fā)隔離和控制邏輯，驗(yàn)證了快堆多模塊蒸汽發(fā)生器事故保護(hù)系統(tǒng)小鈉水反應(yīng)下的隔離和控制邏輯的可行性。

4.結(jié)語

本研究通過對鈉水反應(yīng)的相關(guān)反應(yīng)機(jī)理分析和傳播分析，對鈉水反應(yīng)事故保護(hù)方案和邏輯控制等進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，為快堆蒸汽發(fā)生器事故保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建造提供了技術(shù)支持和數(shù)據(jù)支撐。本研究的順利開展，不僅推動了國內(nèi)鈉水反應(yīng)研究工作，更為快堆技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。