鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器泄漏探測方法研究

張媛媛，段天英，楊建偉

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

從1946 年在Los-Alamos 建立第一座快中子反應堆Clementine 至今，世界范圍內(nèi)共建設(shè)了20 多座快堆，如美國的EBR-I、EBR-II、FFTF、CRBR，法國的Phoenix、SPX-1、EFR， 日 本 的JOYO、MONJU， 英 國 的DFR、PFR、CDFR，俄羅斯的BN-350、BN600 等。中國實驗快堆（CEFR）已于2010 年07 月21 日臨界，并于2011 年7月21 日實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，這標志著中國快堆技術(shù)取得重大突破，也是中國逐步實現(xiàn)核能可持續(xù)發(fā)展的標志性事件。目前，600MW 示范快堆核電廠正在建設(shè)中。

在快堆技術(shù)的發(fā)展中，蒸汽發(fā)生器一直是最受重視的設(shè)備之一。鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器從結(jié)構(gòu)上來看，基本上有兩種類型：一種是整體式的，一種是分離式的。采用的管束形式有直管、螺旋型管、“U”形管和曲棍型管。既可以用單壁管，也可以采用雙壁管。但無論采用哪種類型，都有一個共同的特點，即換熱管束組成壓力較高的水/水蒸汽的回路，管束外（殼側(cè)）構(gòu)成鈉回路。由于材料、制造和加工的問題，水/水蒸汽管路上會存在焊縫，管路材料本身存在微小缺陷；在鈉冷快堆運行過程中，蒸汽發(fā)生器管路長期運行在高溫、高壓、高流速液體沖刷以及鈉環(huán)境的惡劣條件下，這些因素均可能導致水/水蒸汽管路的泄漏。一旦泄漏發(fā)生，水和鈉便發(fā)生劇烈的鈉水反應，并放出大量的熱，鈉水反應區(qū)附近的溫度、壓力急劇升高，使漏孔腐蝕擴大，造成泄漏的擴大和蔓延。這不僅對蒸汽發(fā)生器管束造成破壞，而且嚴重威脅鈉冷快堆的正常運行。

從快堆的運行經(jīng)驗來看，發(fā)生鈉水反應事故的概率較高。例如，俄羅斯的BN-600 在運行的12 年中發(fā)生了12 次泄漏，其中一半出現(xiàn)在運行的第一年[1]；英國的Dounreay 反應堆在10 年間發(fā)生了37 次泄漏[2]。因此，蒸汽發(fā)生器管路泄漏是鈉冷快堆安全運行的重大隱患，研究蒸汽發(fā)生器水/水蒸汽泄漏快速在線探測和定位技術(shù)是保證鈉冷快堆電廠安全運行的重要措施。

1 探測技術(shù)

不同泄漏速度對蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的損壞程度不同。為此，將泄漏速度劃分為微小泄漏（1g/s 以下）、小泄漏（1g/s ～10g/s）、中泄漏（10g/s ～1kg/s）和大泄漏（1kg/s 以上）4 個等級，針對不同程度的泄漏采取相應的探測方法和手段。目前，鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器水/水蒸汽泄漏的主要探測技術(shù)包括：①氫計，主要用于探測微小泄漏、小泄漏和中泄漏；②氣泡噪聲探測器，主要用于探測小泄漏和中泄漏；③聲學探測方法，主要用于探測小泄漏和中泄漏；④壓力、流量、液位監(jiān)測，主要用于監(jiān)測大泄漏。

1.1 氫計

氫計包括擴散型氫計和電化學氫計，其中擴散式氫計技術(shù)較為成熟，其具有極高的靈敏度，但這種方法響應時間較長，且整套系統(tǒng)龐大而復雜；電化學氫計的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快，但技術(shù)成熟度不高。

1.1.1 擴散型氫計

擴散型氫計是根據(jù)氫通過薄壁鎳管的擴散滲透原理工作，原理圖如圖1 所示。它由鎳管傳感器、連接管路、離子泵和質(zhì)譜儀等組成。它以薄壁鎳管作為傳感器，傳感器的一側(cè)與蒸汽發(fā)生器或過熱器的鈉管路/氬氣管路相連，另一側(cè)與真空系統(tǒng)相接。當水/水蒸氣泄漏時，鈉水反應生成氫氣（H2）和氫離子（H+），鈉（Na）和氬氣（Ar）中的氫濃度增加，氫便通過鎳管擴散至真空系統(tǒng)，這樣真空系統(tǒng)中的氫分壓升高，與高真空系統(tǒng)相連的離子泵可以探測到此氫分壓增加引起的真空壓力變化，從而得知泄漏及泄漏率的大小。擴散型氫計能探測出小至50mg/s 的微小泄漏，響應時間一般在幾十秒的量級。

目前，在快堆核電廠蒸汽發(fā)生器的鈉水反應診斷中，普遍采用擴散型氫計。

圖1 擴散型氫計原理圖Fig.1 Schematic of diffusion-type hydrogen meter

圖2 電化學氫計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of electrochemistry hydrogen meter

1.1.2 電化學氫計

由于擴散型氫計帶有復雜的超高真空系統(tǒng)和昂貴的質(zhì)譜儀，近年來發(fā)展了一種以鈉中氫為電極、以CaCI2-CaH2為電解質(zhì)、以Li-LiH 為參考電極的電化學氫計，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

1.2 氣泡噪聲探測器

氣泡噪聲探測器通過監(jiān)測蒸汽發(fā)生器內(nèi)氣體（氫氣）體積份額的變化，判斷蒸汽發(fā)生器內(nèi)部是否有泄漏發(fā)生，其一次儀表結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

氣泡噪聲探測器一次儀表采用永磁鈉流量計原理獲取信號，永磁鐵的磁系統(tǒng)與置于垂直磁系統(tǒng)縫隙間磁通平面上的電極對形成電信號；采用紊流發(fā)生器產(chǎn)生渦流。鈉管道中有鈉流過時，在每對電極中產(chǎn)生準諧波的輸出信號，其頻率和振幅與鈉流速有關(guān)，而且頻率是速度的線性函數(shù)。除紊流發(fā)生器給出的主諧波之外，傳感器的輸出信號中還有由鈉在管道中的自然紊流、鈉流的局部和整個管道的波動而產(chǎn)生的噪聲信號。二次儀表的功能在于對經(jīng)前置放大器放大后的輸出信號進行頻譜處理分析，將噪聲信號從本底信號中提取出來，通過與設(shè)定的閾值進行比較，判斷是否給出蒸汽發(fā)生器泄漏的報警信號。氣泡噪聲探測器的有效監(jiān)測泄漏率下限可達到0.1g/s。

圖3 氣泡噪聲探測器一次儀表結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch of primary instrument of bubble noise detector in sodium

1.3 聲學探測

聲學泄漏探測技術(shù)利用聲頻信號的傳播，在蒸汽發(fā)生器外殼上設(shè)置傳感器，傳感器將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，并傳送到檢測系統(tǒng)進行信號處理以確定泄漏的發(fā)生，其原理示意圖如圖4 所示。聲學探測方法可以分為無源泄漏探測和有源泄漏探測。

1.3.1 無源泄漏探測法[3]

在無源泄漏探測方法中，探測器與焊在反應器壁上的波導桿相連，探測器與電荷放大器相連接，電荷放大器又連接到磁帶記錄儀或數(shù)據(jù)采集器上，可將信號記錄在磁帶上或被采集于數(shù)據(jù)采集器中；然后，再由信號分析儀或計算機進行處理。這種方法是利用安裝在蒸汽發(fā)生器上的接收傳感器直接檢測出發(fā)生“鈉水反應”時產(chǎn)生的聲音。

這種方法響應時間短、設(shè)備簡單，但泄漏信號往往被淹沒在背景噪聲之中，造成該方法的靈敏度不高。因此，需研究各種噪聲的機理，分析注水信號的特性和各種因素對注水信號的影響，對背景噪聲的時域和頻域特性采用有效的信號處理方法提取泄漏信號，從而提高探測系統(tǒng)的靈敏度。目前，無源泄漏探測法對于微小泄漏可靠的探測范圍信噪比可以達到-20dB。

1.3.2 有源泄漏探測方法[4]

圖4 聲學探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch of acoustic detection system

在有源泄漏探測方法中，預先給蒸汽發(fā)生器裝上信息收發(fā)傳感器，傳給蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的聲波將隨“鈉水反應”產(chǎn)生的氫氣氣泡的增加而衰減，根據(jù)這種原理來檢測水泄漏。這種方法是法國提出的，日本電力中央研究所進行了基礎(chǔ)實驗，并開展信號處理法實用化的開發(fā)工作。實驗中，根據(jù)模型內(nèi)部聲波的傳播方式、所測氣泡的接收和發(fā)出的聲波及接收聲波的變化，開發(fā)出了能極其敏感地測出氣泡的信號處理法。而且為了進一步對蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生的“鈉水反應”以外的各種聲音對接收聲波帶來的影響進行研究，還為模型制造了各種模擬雜音。

有源泄漏探測法的優(yōu)勢在于背景噪聲對于探測的影響很小，但此方法不能分辨覆蓋氣體氣泡與氫氣氣泡，這降低了泄漏探測的可靠性。

1.4 壓力、流量、液位監(jiān)測

發(fā)生蒸汽發(fā)生器管道大泄漏的主要原因是換熱管雙端斷裂，換熱管內(nèi)的水與殼側(cè)的鈉會發(fā)生劇烈的化學反應，產(chǎn)生大量的氫氣，使蒸汽發(fā)生器內(nèi)的壓力迅速升高，從而引起鈉緩沖罐內(nèi)的壓力升高、液位變化，蒸汽發(fā)生器進出口鈉流量差變化顯著。因此，可以通過對鈉緩沖罐的壓力、液位，以及蒸汽發(fā)生器進出口流量差設(shè)定閾值，當超過設(shè)定閾值時斷定發(fā)生大泄漏。其中，對于流量的監(jiān)測通常采用永磁流量計。

1.4.1 鈉流量計[5]

在蒸汽發(fā)生器鈉側(cè)進出口設(shè)置有鈉流量計，一般為永磁式流量計，發(fā)生較大鈉水反應時，會產(chǎn)生大量的、大小不同的氫氣泡，這將導致蒸汽發(fā)生器進出口流量計輸出信號偏差增大，當偏差超出預定范圍時，即可判斷發(fā)生了鈉水反應。這種方法的優(yōu)點是不需要增加硬件設(shè)備，但對小泄漏鈉水反應其靈敏度不高，主要用于監(jiān)測大泄漏鈉水反應。

1.4.2 爆破片

蒸汽發(fā)生器內(nèi)壓力持續(xù)增加，有可能導致蒸汽發(fā)生器殼體的破壞，爆破片是發(fā)生大泄漏時的一個安全保護裝置，當爆破片兩側(cè)由于鈉水反應壓差升高到一定值時，爆破片破裂，緊急排鈉，以保護蒸汽發(fā)生器。爆破片爆破壓力低于系統(tǒng)設(shè)計壓力，能夠保證蒸汽發(fā)生器發(fā)生大鈉水反應時，不超過承受能力的極限，是蒸汽發(fā)生器發(fā)生鈉水反應的最后一道保護屏障。

表1 鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器泄漏探測方法比較Table 1 Comparison of methods of leakage detection in steam generator of the sodium-cooled fast reactor

1.5 信號處理及分析方法[2]

選擇適當?shù)男盘柗治龇椒梢杂行У貜奶綔y信號中提取泄漏信息，提高噪聲探測系統(tǒng)的靈敏度。信號處理方法主要有傅里葉變換和小波變換，信號分析方法主要有功率譜密度（PSD）法、振幅概率密度（APD）法、均方根（RMS）分析法、二次平方法、自適應性信號處理方法、行列式和根軌跡法以及自回歸模型等。

在已知的泄漏探測技術(shù)研究中，信號處理多采用傳統(tǒng)的傅立葉變換，信號分析方法多采用功率譜密度法、均方根法和二次平方法。

2 結(jié)論

適用于鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器泄漏探測的方法及各種方法的適用范圍、特點見表1。目前，比較成熟的鈉冷快堆探測鈉水反應的方法主要有兩種：氫計和壓力液位流量監(jiān)測。聲學探測仍處于研究中，有效提取分辨泄漏信號是此方法的瓶頸。國內(nèi)目前正在研制高性能的擴散型氫計和氣泡噪聲探測器，可應用于后續(xù)示范快堆工程中。