鉛基反應(yīng)堆系統(tǒng)雜質(zhì)來源概述

婁芮凡 李娜 郭靚 岳倪娜

摘要：在鉛基裝置回路的運(yùn)行過程中，冷卻劑會與回路滲入或結(jié)構(gòu)材料遷移進(jìn)來的氧元素結(jié)合生成多種氧化物，這些氧化物有的會覆蓋在結(jié)構(gòu)鋼表面，有的會漂浮在冷卻劑表面也有的會堵塞在回路的細(xì)小通道和縫隙中，會對回路的運(yùn)行安全帶來不利影響。本文將從雜質(zhì)在正常運(yùn)行工況的輸入開始，進(jìn)而依次對鉛基冷卻劑表面雜質(zhì)的收集方法思路和收集器構(gòu)造和基本原理、雜質(zhì)過濾裝置的特點(diǎn)、鉛基冷卻劑氣相除雜裝置系統(tǒng)的性能以及氣相除雜擴(kuò)散裝置的性能特點(diǎn)等目前關(guān)于鉛基裝置系統(tǒng)冷卻劑凈化設(shè)備和手段進(jìn)行探討和說明。最終提供一種鉛基冷卻劑回路系統(tǒng)的除雜的優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：鉛基反應(yīng)堆、冷卻劑成分控制、雜質(zhì)

1.引言

眾所周知，鉛基液態(tài)重金屬冷卻劑快中子反應(yīng)堆具有高固有安全性、高功率密度、裝置尺寸小分部緊湊、長壽期、用途廣且其與能量裝換系統(tǒng)匹配性廣等特點(diǎn)，是第四代反應(yīng)堆的主要方向之一。

但是還有很多與鉛基冷卻劑反應(yīng)堆相關(guān)的一些關(guān)鍵科學(xué)問題亟待解決，比如冷卻劑與結(jié)構(gòu)材料的相容性、冷卻劑的流動特性、傳熱特性、測量工藝技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備制造和關(guān)鍵輔助系統(tǒng)的研制等問題。其中有一個與上述幾乎所有問題都相關(guān)的問題，即鉛基冷卻劑成分控制與凈化問題。

由于運(yùn)行中冷卻劑氧化腐蝕產(chǎn)生的雜質(zhì)會以各種形態(tài)存在在回路中，有些漂浮在冷卻劑表面、有些堵塞在傳熱管管道中、有些覆蓋在鋼結(jié)構(gòu)表面上，它們會影響冷卻劑的流動，惡化裝置傳熱性能、影響測控儀器儀表的精度、降低結(jié)構(gòu)材料的性能，進(jìn)而影響回路鋼結(jié)構(gòu)的完整性，降低裝置服役壽命，嚴(yán)重威脅回路運(yùn)行的安全。

國際上蘇聯(lián)從1951年就開始了對鉛鉍核動力裝置的研究，見圖1，其獲得的研究成果也最全面、最深入的，二十世紀(jì)六十年代他們啟動“645項(xiàng)目”和“705項(xiàng)目”共制造了十余艘鉛鉍冷卻劑核潛艇，并一直服役到八十年代初期。

本文主要討論現(xiàn)有的鉛基冷卻劑雜質(zhì)的成分、來源于分布進(jìn)行梳理。

2.回路正常工況下的雜質(zhì)來源

在回路第一次填充鉛基合金冷卻劑后的運(yùn)行中（非事故狀態(tài)）雜質(zhì)大致來源分為：與回路內(nèi)的氧結(jié)合產(chǎn)生氧化物雜質(zhì)、外部引入雜質(zhì)和輻照產(chǎn)物三大類。

系統(tǒng)回路內(nèi)氧的來源與可能生成的氧化物

（1）回路氣體系統(tǒng)泄漏出來的水蒸氣;

（2）回路中氣溶膠上吸附的氣體;

（3）回路內(nèi)結(jié)構(gòu)材料表面吸附的氣體;

（4）回路結(jié)構(gòu)材料表面腐蝕產(chǎn)物氧化物中的氧，即在回路安裝過程中傳熱管、主管道等各種部件會與空氣、水蒸氣長時間接觸，生成赤鐵礦、針鐵礦、纖鐵礦等腐蝕產(chǎn)物，其中主要生成的赤鐵礦在高溫加熱后會生成磁性鐵礦;

（5）回路真空處理后回路中殘存的氧氣，有俄羅斯研究機(jī)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，回路真空處理時在壓力（真空度）為5×10-5mm（Hg）時填充惰性氣體后，回路內(nèi)每立方米任有0.02克的氧;

（6）為維護(hù)回路運(yùn)行氧活性值而加入的輔助控氧系統(tǒng)中的氧（PbO2等）。

這些氧會與鉛基冷卻劑和結(jié)構(gòu)鋼發(fā)生反應(yīng)生成氧化物雜質(zhì)，如：

a.密度為9.4g/cm3、熔點(diǎn)為884℃的PbO，其顏色在（400-500）℃時會由黃色轉(zhuǎn)為紅色;

b.密度為（8.8-9.2）g/cm3、降解溫度為550℃、亮朱紅色的Pb3O4混合物;

c.密度為（8.9-9.2）g/cm3、降解溫度為290℃-320℃的棕色PbO2;

d.密度為8.3g/cm3，黑色非結(jié)晶低價氧化鉛Pb2O，它屬于部分氧化鉛的還原產(chǎn)物;

e.密度為8.76g/cm3、熔點(diǎn)為820℃的黃色粉末狀物質(zhì)Bi2O3，它與鉛的氧化物還可以結(jié)合生成2PbO·Bi2O、2Pb·2 Bi2O3、PbO·BiO3。另外BiO其實(shí)是Bi2O3和Bi的混合物，可以看成是還原三價鉍的中間產(chǎn)物;

f.密度為2.013 g/cm3、熔點(diǎn)為（1973±15）℃的白色晶體Li2O，此外還有Li2O2，但它的熱穩(wěn)定性很差。

g.冷卻劑與鋼結(jié)構(gòu)材料反應(yīng)會生成黑色磁鐵Fe3O4，密度5.2 g/cm3，熔點(diǎn)1597℃、密度4.88g/cm3的棕色γFe2O3，它在溫度高于250℃時會轉(zhuǎn)化為赤鐵礦、密度為5.25 g/cm3，顏色分布為磚紅色到黑色的順磁性赤鐵礦αFe2O3，其在1437℃的條件下會分解為Fe3O4;

h.從結(jié)構(gòu)鋼的元素中，還有Gr、Ni、Al、C、Ag、Cu、In、Zn、Mg、Ti、Si、Ga、As、Sb、Sn、Cd、Mn、Co、Te、Au等元素會與氧結(jié)合生成相應(yīng)的氧化物，其中與氧結(jié)合最穩(wěn)定的氧化物是Gr2O3，這些的氧化物的形態(tài)、含量和沉積方式的特點(diǎn)因回路運(yùn)行工況的變化而無法確定。

3.系統(tǒng)回路安裝和運(yùn)行時從外部引入的雜質(zhì)

a.回路建造和維修時焊接所產(chǎn)生的焊渣、焊接毛刺。俄羅斯的研究統(tǒng)計經(jīng)驗(yàn)表明，回路中沒1m?的流通空間上平均有100條焊縫，焊接面積約為1×10-2㎡，且在高溫段（>500℃）中的氧的擴(kuò)散率為10-11g/cm2s;

b.回路中因安裝和修理所掉落的金屬屑、零件等;

c.石棉纖維;

d.回路中的溶解鹽;

e.回路中泵的軸承、軸封中的密封油物質(zhì)。這些油將被泵運(yùn)行時有兩種途徑進(jìn)入回路：一種是直接以小液滴的形式被氣流帶入回路，另一種是以飽和油蒸汽的形式進(jìn)入回路。油脂性物質(zhì)進(jìn)入回路后在高溫的冷卻劑作用下分解成為碳和二氧化碳?xì)怏w。

4.總結(jié)

以上的內(nèi)容大致概括了鉛基核動力裝置在正常工況下的雜質(zhì)來源和雜質(zhì)種類。它們會影響冷卻劑的流動，惡化裝置傳熱性能、影響測控儀器儀表的精度、降低結(jié)構(gòu)材料的性能，進(jìn)而影響回路鋼結(jié)構(gòu)的完整性，降低裝置服役壽命，嚴(yán)重威脅回路運(yùn)行的安全。

例如前蘇聯(lián)第一批K-27艇在運(yùn)行五年后發(fā)現(xiàn)其管道，主泵和換熱管等部件有嚴(yán)重的雜質(zhì)堆積，如圖2所示，雜質(zhì)的主要成分為溶解的金屬元素、氧化物和油渣，造成功率損失和堆芯熔化。

為更好的控制冷卻劑的組分以確保回路的安全與高效，需要針對冷卻劑的不同類型和性質(zhì)設(shè)計和開發(fā)凈化裝置，比如現(xiàn)有的絲網(wǎng)過濾裝置、表面雜質(zhì)捕集裝置、磁力捕集裝置和還原氣體捕集裝置等。

作者簡介：婁芮凡（1992.08）男，四川成都人，碩士研究生，助理工程師，熱工水力研究方向