中國實驗快堆鈉泄漏探測技術簡介

崔國生+董康樂+楊建偉+吳宏巖+張媛媛

【摘 要】中國實驗快堆以鈉作為冷卻劑，鈉是活潑金屬，與空氣易發生猛烈的化學反應，能夠及早發現鈉泄漏是控制漏鈉事故的前提條件。中國實驗快堆主要采用接觸式鈉泄漏探測技術和氫含量探測技術來探測鈉泄漏，同時通過鈉的液位、流量及工藝間環境參數等手段間接判斷是否存在鈉泄漏，這些探測技術對后續建設的鈉冷快堆和鈉回路鈉泄漏探測設計有具有一定的指導意義。

【關鍵詞】快堆； 鈉； 泄漏探測器

【Abstract】The coolant of China experimental fast reactor （CEFR） is sodium. Due to the highly chemically active nature of sodium and its reaction with air， the detection of sodium leakage in time plays an important role in guaranting against the accident. Based on the electrical conductivity of sodium and the principle of sodium water reaction， two methods of leakage detection are adopted in CEFR. Besides， the monitorings of sodium level ， flow and environmental parameters are applied to fulfill the sodium leakage detection indirectly. The technologies presented have a certain guiding significance for practical engineering design of sodium leakage detection in sodium cooled fast reactor and sodium loops in future.

【Key words】Fast reactor； Sodium； Leak detector

0 引言

中國實驗快堆（CEFR）以液態金屬鈉作為冷卻劑，但鈉是活潑金屬，會與水發生猛烈地化學反應，高溫液態鈉在空氣中能夠燃燒。在構成反應堆冷卻劑邊界的機械設備和管道中，需要設置鈉泄漏探測器，以便盡早發現鈉泄漏的部位，并采取相應措施以控制漏鈉事故的影響。

1 接觸式鈉泄漏探測技術

CEFR 設有一回路和二回路冷卻劑系統，一、二回路管道和設備采用接觸式鈉泄漏探測器來探測鈉泄漏。接觸式鈉泄漏探測器是基于鈉的導電性設計的，根據使用場合的不同，可分為單點接觸式鈉泄漏探測器和分布接觸式鈉泄漏探測器兩種，單點接觸式鈉泄漏探測器依靠其探頭頭部被鈉短路的原理來探測鈉泄漏，分布接觸式鈉泄漏探測器依靠其由陶瓷絕緣子間隔的2根不銹鋼絲被鈉短路來探測鈉泄漏。這兩種型式的鈉泄漏探測器探測靈敏度為0.1cm3 的液態鈉，無慣性響應。這兩種鈉泄漏探測器已在國外及其他快堆和鈉回路中廣泛使用。

1.1 分布接觸式鈉泄漏探測器

探測單層鈉管道、鈉泵、容器、鈉閥閥體等設備的鈉泄漏采用分布接觸式鈉探測器。其特點是安裝靈活，不管設備是什么樣的形狀，不管大小，不管位置，不管長短，分布接觸式鈉泄漏探測器都可以牢固的附在設備的表面上；檢查方便，因該探測器一端通過接線端子與監控系統相連，另一端也有一個接線端子，這個接線端子是專供檢查用的，在正常情況下，兩根不銹鋼絲之間的阻值>1 MΩ。其結構組成如圖1所示

對于水平鈉管道，探測器順著鈉管道下沿安裝。對于豎直管道，可采用螺旋方式布置探測器。當遇到電加熱元件時，把1型絕緣子反扣在電加熱元件上。現場安裝時需注意防止不銹鋼絲受到油污，絕緣子之間應緊密安裝。安裝時探測器兩端的接線端子應露在保溫層外面，一端用于連接信號電纜，另一端用于現場定期檢驗。用熱縮塑料管保護接線端子。

1.2 單點接觸式鈉泄漏探測器

探測帶夾層的鈉設備及雙層管道的鈉泄漏，采用單點接觸式鈉泄漏探測器，圖2為雙層管道鈉泄漏探測器安裝圖。該探測器具有結構簡單，可靠性高，維修性好的特點，探測器安裝在帶有接頭的接管內，該接管插入到外管內，其接管頭部離外層管內壁還有約1mm的距離，以便鈉能漏到接管里。探測器須安裝在在管道的最低處。

2 氫含量監測鈉泄漏

在蒸汽發生器中，一次側流過的介質為高溫液態鈉，二次側流過的介質為水，水的壓力要高于鈉，若換熱管發生泄漏，高壓側的水會泄漏到鈉中，鈉與水發生的反應為[1]

Na（固）+H2O（液）→NaOH（固）+1/2H2 ΔH=-33.67 kcal/mole

Na（液）+H2O（液）→NaOH（固）+1/2H2 ΔH=-35.2 kcal/mole

Na（液）+H2O（汽）→NaOH（固）+1/2H2 ΔH=-45.7 kcal/mole

2Na（固）+H2O（液）→Na2OH（固）+1/2H2 ΔH=-31.05 kcal/mole

1983海牙快堆蒸汽發生器會議把泄漏范圍分為4級：微泄漏、小泄漏、中泄漏和大泄漏[2]，這種劃分方法已被廣泛采用，CEFR泄漏率等級劃分如表1所示

2.1微、小泄漏探測

CEFR采用電化學氫計和擴散型氫計兩種氫計來探測微泄漏，用鈉中氣泡噪聲探測器探測小泄漏。為保證測量的可靠性和有效性，根據重要程度不同，蒸發器出口鈉流中、蒸發器上部溢流管鈉流中、鈉緩沖罐氣體中都分別安裝了電化學和擴散型兩種氫計，一級事故排放罐氣體中安裝了電化學氫計，過熱器上部溢流管中只安裝了擴散型氫計。在蒸汽發生器上部溢流管和過熱器的上部溢流管安裝了鈉中氣泡噪聲探測器。

圖3為擴散型氫計原理圖[3]，擴散型氫計是根據氫通過鎳的擴散滲透原理工作的。它以薄壁鎳管作為傳感器，鎳管既能夠滲透氫，又能夠與液態鈉相容，傳感器的一側與蒸汽發生器或過熱器的鈉與氬氣相連，另一側與真空系統相接。當水/水蒸氣泄漏時，鈉水反應生成氫氣和氫離子，鈉和氬氣中的氫濃度增加，氫便通過鎳管擴散至真空系統，這樣真空系統中的氫分壓升高，與高真空系統相連的離子泵可以探測到氫分壓的變化，從而得知泄漏及泄漏率的大小，該擴散型氫計靈敏度達到0.05ppm。

圖4為鈉中氣泡噪聲探測器傳感器結構圖，鈉中氣泡噪聲探測器主要由一次傳感器、二次儀表兩部分組成，液態金屬鈉流經紊流發生器4后形成渦流，當流體在垂直于磁場的鈉管道中流動時切割磁力線，在與鈉運動方向和磁力線方向相垂直的兩電極3上產生感應電動勢，當鈉中有氫氣氣泡時，流經紊流發生器后形成的渦流感應產生信號的頻率和振幅不同；二次儀表一次傳感器的輸出信號進行頻譜的處理分析，將噪聲信號從本底信號中提取出來，得到本底信號和噪聲信號的功率譜密度比值，通過與設定的閾值進行比較，判斷是否給出蒸汽發生器泄漏的報警信號。

2.2 中大泄漏探測

隨著可能的鈉水反應事故擴大，發生傳熱管斷裂那樣的大量中、大水泄漏時，短時間內會產生大量的氫氣，蒸汽發生器內壓急劇上升，主要采用緩沖罐覆蓋氣體壓力變送器、緩沖罐液位計及二回路流量計來判斷該泄漏。

3 鈉液位監測鈉泄漏

在CEFR的貯鈉容器中，全部裝有鈉液位計。通過這些液位計，能夠確定容器內的鈉容量，并以此判斷是否存在鈉泄漏。

在主容器中安裝有3 支電感式鈉液位計，能夠確定主容器內的鈉容量，并以此判斷主容器的鈉泄漏量或二回路鈉由中間熱交換器泄漏入主容器的量。

在事故余熱排放系統的兩臺空氣熱交換器膨脹罐中各安裝有1 支電感式鈉液位計，能夠確定事故余熱排放通道二次側的鈉容量，并以此判斷二次側是否存在鈉泄漏。

在二回路的鈉緩沖罐中各安裝有2 支電感式鈉液位計和6 臺壓力變送器，這些過程量的變化，能確定蒸汽發生器系統的鈉容量，同時作為判斷蒸汽發生器發生大泄漏或小泄漏的依據。

4 鈉火產物監測鈉泄漏

鈉在空氣中會燃燒，著火點依賴于空氣的濕度，一般在140-340℃之間，如果是噴霧，可能在120℃時起燃。鈉火是放熱反應[1]；

2Na（液）+1/2O2→Na2O（固） ΔH=-99.4 kcal/mole

2Na（液）+O2→Na2O2（固） ΔH=-122.1 kcal/mole

因此，在鈉工藝間內可通過測量環境的溫度、壓力來輔助判斷工藝間內是否存在鈉泄漏。CEFR在重要的鈉工藝間設置了溫度變送器和壓力變送器。

5 結束語

作為快堆冷卻劑邊界的設備和管道均遵循核安全的縱深防御的原則來設計，且容器、管道都采用符合標準、經過驗證的材料，制造也遵循核級標準，但作為監測鈉泄漏的泄漏探測仍是必須的，對于絕大多數的場合，接觸式鈉泄漏探測器是最簡單有效的，并可通過液位及環境的溫度和壓力等參數判斷是否有鈉泄漏。對于蒸汽發生器泄漏探測，針對微小泄漏主要采用擴散型氫計和氣泡噪聲探測器來探測；針對中大泄漏，則通過壓力、液位、流量等參數的變化進行綜合判斷。

【參考文獻】

[1]三木良平.高速增值爐[R].日刊工業新聞社，昭和47年：21-22.

[2]proceeding of the topical meeting on LMFBR STEAM GENERATORS[C]，//Hague Netherlands，1983.

[3]羅銳.中國試驗快堆用小型氫計設計說明書[R].清華大學.2008.3.

[責任編輯：朱麗娜]