擴散型氫計系統在中國實驗快堆的實際應用研究

李高峰,段天英,姚 婷,裴志勇,劉尚波,馬崇揚,武 祥

(中國原子能科學研究院,北京 102413)

快堆核電站中,蒸汽發生器 (SG)管路長期運行在高溫、高壓、鈉環境的惡劣條件下,傳熱管泄漏事故在世界上現有的快中子反應堆上屢有發生。四座原型快堆 (法國鳳凰快堆、英國唐瑞PFR快堆、蘇聯BN-350和BN-600快堆)均發生過不同程度的SG傳熱管泄漏事故[1]。

CEFR中如果SG傳熱管壁出現裂縫,泄漏的高壓水/蒸汽向鈉側噴射,將發生劇烈的鈉水反應,反應時鈉水反應區附近的溫度、壓力急劇升高,釋放大量的熱量,使腐蝕擴大,對SG管束造成破壞,嚴重時可破壞SG的完整性[2]。

目前,探測鈉冷快堆SG微小泄漏的主要方法有微氫探測和聲學泄漏探測技術。微氫探測技術探測靈敏,但響應時間長;聲學泄漏探測技術響應時間短,但泄漏信號往往淹沒在背景噪聲之中。微氫探測技術主要設備:擴散型氫計和電化學氫計。我國自主研發的擴散型氫計系統是CEFR在線監測SG微小泄漏的關鍵設備。

1 CEFR氫計系統簡介和氫來源分析

1.1 CEFR擴氫計系統布置圖

如圖1所示,中國實驗快堆二回路共安裝有8臺擴散型氫計,對二回路鈉中氫含量進行實時監測。

圖1 CEFR擴散型氫計布置圖Fig.1 The layout of diff usion-type hydrogen meters in CEFR

1.2 鈉冷快堆SG中鈉側氫來源及溶解特性

1.2.1 鈉冷快堆SG中鈉側氫來源

鈉冷快堆中通過測量鈉水反應產生的氫可以推測出SG換熱管發生泄漏的程度,SG中鈉側氫主要來源有:

1)三回路水中H透過SG換熱管向Na中的擴散;

2)蒸汽發生器換熱管泄漏鈉水反應產生的H;

正常運行時,三回路加氨及工況變化同樣會引起二回路鈉中氫含量進一步升高。

1.2.2氫在鈉中溶解特性

氫氣溶解于液態鈉中時離解為氫負離子,氫氣過量時,將析出固態Na H。液態鈉中氫濃度即為該溫度下氫的溶解度。該過程可用如下方程描述[3]:

Na(l)+1/2 H2(g)?Na H(s)

氫在鈉中的溶解度隨鈉溫的不同而不同,在鈉溫低于250℃時,氫幾乎不溶于鈉中。當鈉溫逐漸升高至400℃時,氫幾乎可全部溶于鈉中。

圖2 氫在鈉中的溶解度隨溫度變化曲線Fig.2 The curve of the solubility of hydrogen in sodiu m varied wit h te mperature

2 擴散型氫計在CEFR的實際應用、數據分析

2.1 CEFR停堆及低功率期間氫計運行特性

CEFR兩條二回路的鈉各有大約21 t液態鈉,分別由各自的二回路冷阱凈化氫、氧、鐵等雜質,目前CEFR二回路冷阱冷點溫度穩定在120℃,在停堆或低功率啟動時,氫計所探測到的氫濃度值為冷阱冷點溫度為120℃條件下的鈉中溶解氫本底值0.065μg/g。

2.2 升功率至100%Pn氫計響應特性

(1)低功率下氫計響應特性

首先，了解鐵路勘察設計院的戰略定位和不同發展階段對總體人力資源配置提出的不同要求。如面對鐵路市場的變化，應對城際鐵路、市域鐵路、旅游觀光鐵路、磁浮鐵路等細分市場，海外市場和非鐵路市場對總體的需求，予以前瞻性的考慮；其次，對現有的總體人力資源、未來能夠獲取的總體數量、質量、層次結構等進行分析和預測，據此制定總體人力資源管理與開發的總體計劃和分階段、分部門的配置方案；第三，對總體人力資源計劃的執行過程進行考核評估，適時調整計劃或糾正執行偏差，確保規劃符合企業各階段戰略目標的要求。

SG進水后在延遲大約40 min,鈉中取樣氫計探測氫濃度有明顯上升,Ⅰ環路探測鈉中氫含量從本底水平上升至0.015 mg/L,Ⅱ環路探測鈉中氫含量從本底水平上升至0.024 mg/L;低功率階段,二回路鈉溫相對較低 (＜400℃),氫在鈉中溶解度低,大部分氫逸散到鈉緩沖罐氬氣腔中,氬氣取樣氫計相對鈉中取樣氫計具有更短的響應時間。

(2)9.5%Pn～14%Pn氫計響應特性

CEFR提升功率9.5%Pn(額定功率)～14%Pn時,SG內由鈉-水工況轉變為鈉-汽水工況,SG內產生大量的水蒸氣及少量氫氣、高溫水汽與換熱管壁少量Fe接觸發生反應產生氫氣,將會引起SG鈉側氫分壓進一步升高。

對比多次SG汽水轉換工況,氫計響應曲線具有很好的一致性,并且鈉中氫含量在SG汽水轉換工況時有明顯的上升 (氫增量ΔC≈0.03×10-6),達到峰值后趨于穩定狀態;而氬氣中氫在SG啟動工況時即達到高含量并趨于穩定。

(3)40%Pn功率運行氫計響應特性分析

從SG出口鈉中氫計和緩沖罐覆蓋氣體氫計響應曲線 (如圖3和圖4所示),可以看出從SG第一次進水,至40%Pn額定功率運行期間,由于三回路側氫的不斷滲透擴散,氫計探測氫濃度值明顯上升,緩沖罐氬氣中氫濃度在蒸發器完成汽水轉換后達到較高水平,后續呈平穩緩慢增長趨勢。鈉中氫濃度在隨著功率提升當擴散達到平衡到達一定峰值后保持在穩定的水平,二回路鈉緩沖罐氬氣腔里氫濃度值明顯高于蒸發器出口鈉中氫濃度值。

圖3 升功率至40%Pn鈉中取樣氫計響應曲線Fig.3 The response curve of the sa mpling hydrogen meter in sodiu m when ascending power up to 40%Pn

圖4 升功率至40%Pn氬氣中取樣氫計響應曲線Fig.4 The response curve of the sa mpling hydrogen meter in argon when ascending power up to 40%Pn

分析多次反應堆額定功率運行氫計響應特性,鈉中和氬氣中氫計具有較高的靈敏度,在SG啟動工況探測氫含量有明顯上升,鈉中氫含量受蒸汽發生器工況變化及二回路鈉溫影響比較大,在14%Pn完成汽水轉換后鈉中氫含量達到穩定值 (＜0.17×10-6),而氬氣中氫含量隨著反應堆功率提升緩慢增加,在達到較高功率水平(＞75%Pn)后,探測氫含量趨于穩定。

圖5 升功率至100%Pn鈉中取樣氫計響應曲線Fig.5 The response curve of the sa mpling hydrogen meter in sodiu m when ascending power up to 100%Pn

圖6 升功率至100%Pn氬氣中取樣氫計響應曲線Fig.6 The response curve of the sampling hydrogen meter in argon when ascending power up to 100%Pn

2.3 氫計長期停運后的數據甄別

當SG氫計系統由于失去廠外電試驗等造成該系統長時間停運時,由于作為系統維持真空的離子泵停運,而取樣支路里的氫還會不斷擴散到真空系統,使真空側氫分壓高于正常值,當氫計系統再次重啟后,系統探測到的氫濃度值會出現一個峰值。

圖7 失去廠外電后鈉中2號氫計響應曲線Fig.7 The response cur ve of 2#hydrogen meter in sodiu m after loss of offsite power

由圖7氫計響應曲線可得,氫計在停運后重啟的短時間內出現一個明顯的氫濃度峰值,超SG小泄漏報警閾值,而在該系統穩定運行1 h左右,由于離子泵的不斷吸附,真空側積聚的過多氫被吸附到正常水平,系統探測到的氫濃度值可恢復到系統報警之前的探測水平。

停堆后由二回路兩臺冷阱分別對二回路兩條環路鈉中的Na2O、Na H、Fe等雜質進行過濾去除,通過凈化可以提高氫計監測靈敏度,保持對SG微、小泄漏的及時響應。由圖8中氫計響應曲線可知,停堆后,鈉中氫含量逐漸降低至本底水平,由于二回路鈉緩沖罐作為二回路主冷卻系統循環的最高點,而氬氣中氫含量由于無法通過冷阱凈化去除,同時鈉溫降低后氫在鈉中溶解度下降,鈉中氫向氬氣中擴散,導致氬氣中氫含量短時間有逐步上升的趨勢,并長時間維持在較高水平。

3 結 論

根據擴散型氫計系統在中國實驗快堆的實際應用效果及存在問題分析,可得到如下結論及建議。

1)得到在SG啟動工況時,SG未發生泄漏時,鈉中氫計在SG進水后40～60 min探測氫有明顯變化。

2)擴散型氫計系統在國內為首次工程應用,其報警特性、小泄漏的甄別方法尚為空白。通過本文研究可知,蒸發器小泄漏甄別不能按照固定閾值進行判斷,必須經由調試過程中結合具體工況的不同參數和實際數據的總結分析,才能獲得不同工況下有效的小泄漏判斷標準。

3)氫計長時間停運,由于取樣支路中氫的不斷擴散,氫計再次重啟后探測氫濃度出現一個峰值,正常穩定運行1～2 h可恢復正常。

4)停堆后鈉中氫可以通過冷阱去除;由于擴散到二回路鈉緩沖罐氬氣腔中的氫無法凈化去除,并且在停堆期間,二回路鈉中含有的部分H2/H+還將繼續隨鈉的流動擴散入氬氣空間,造成氬氣中氫濃度一直升高。

5)每次停堆后應該對鈉緩沖罐氬氣腔進行氣體置換,這樣可以降低由于氬氣中氫含量過高導致的SG小泄漏誤報警概率。

圖8 停堆后鈉中、氬氣中氫計響應曲線Fig.8 The response curve of the hydrogen meter in sodiu m and argon after shutdown