中國示范快堆高性能冷阱凈化能力試驗研究

惠媛媛，謝 淳，王景春，李 煦，李文龍，禹春利，趙 展

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413)

在鈉冷快堆中，由于作為冷卻劑的金屬鈉與其他冷卻劑如Hg、NaK、K、Pb-Bi、Pb、Li、He等相比具有明顯的優越性[1]。因此除了一些早期的實驗堆外，世界上建造的實驗快堆、原型快堆和示范快堆均選用鈉作為冷卻劑[2]。目前中國在建的商用示范快堆電站(CFR600)同樣也選用鈉作為冷卻劑。

冷卻劑鈉中存在的金屬和非金屬雜質對傳熱性能、材料性能、核性能等有害，甚至可影響到反應堆的安全運行[3]。如雜質氧加速鈉對快堆包殼和結構材料的腐蝕，造成它們機械性能的改變；雜質氧的化合物和鈣的化合物在鈉中沉淀，將會引起流道堵塞，影響燃料組件和熱交換器的傳熱性能[4]；雜質鉀會在輻照條件下，發生中子活化反應，產生放射性同位素41Ar，增加覆蓋氣的放射性。因此，研究快堆的各國家根據實際情況制定了入堆核級鈉標準、一回路和二回路中鈉雜質的質量控制標準。同時，為滿足鈉純度的要求，開展了沉降、過濾、熱阱和真空蒸餾等多種鈉凈化方法和工藝研究[5-6]。

強迫對流型冷阱是一種廣泛應用于凈化鈉中雜質的設備，該結構形式的冷阱內填有金屬絲網，當鈉流過絲網的冷區時，鈉中雜質便在絲網上以非均相結晶的形式成核、長大、結晶和析出[7-8]。同時，雜質還會以均相結晶的形式結晶析出和沉降，反應堆或鈉回路上通常采用這種形式的冷阱。

中國實驗快堆(CEFR)采用了徑向降溫過濾型-分區強迫對流型冷阱，CEFR一回路冷阱外面用鈉鉀合金作冷卻劑的夾層，夾層內有充滿液體有機冷卻劑(高溫導熱油)的蛇形管。當冷阱工作時，冷阱內鈉的熱量通過冷阱容器壁傳給鈉鉀合金，進而傳給有機冷卻劑，有機冷卻劑的熱量再由空冷器散到大氣中去。該結構形式冷阱的缺陷如下：1) 抗堵性差，鈉鉀合金導熱能力極強，很容易造成鈉中雜質在剛進入冷阱環形絲網區外層即被快速冷卻發生結晶，從而造成冷阱過早阻塞失效，進而導致冷阱雜質收集量較小；2) 鈉鉀合金冷卻系統運行復雜不易控制；3) 由鈉鉀合金成本高所帶來的經濟性較差；4) 可靠性較低，鈉鉀合金的化學活性遠大于金屬鈉，用鈉鉀合金作為冷卻介質，會給鈉鉀合金的灌裝、冷阱安裝和更換過程帶來操作的危險性。

由于上述問題的存在，目前CEFR一回路冷阱已更換了4臺。另外CEFR一回路冷阱的捕集能力為86.21 kg/m3，CEFR二回路冷阱的捕集能力為105.26 kg/m3(本文所提及的捕集能力，均指收集Na2O的質量)，其遠不能滿足CFR600各回路中雜質的凈化需求。

根據所設計同型冷阱的國際運行經驗數據可知，冷阱失效前雜質捕集能力為200 kg/m3；另外，根據CEFR一回路冷阱的運行數據，并查閱有關資料[3]，經初步計算，得到CFR600冷阱的凈化速率為0.2 kg/h，故自主研發的高性能冷阱預期的性能指標如下：凈化速率≥0.2 kg/h(阻塞溫度≥220 ℃)；捕集能力≥200 kg/m3；雜質容量為1 000 kg Na2O。

本文通過開展高性能冷阱凈化能力試驗，以期獲得所選試劑Na2O2在鈉中的溶解速率以及冷阱的凈化速率、捕集能力和雜質容量，為CFR600工程冷阱的設計提供依據。

1 試驗回路及凈化理論

1.1 冷阱試驗回路及冷阱樣機

1)高性能冷阱試驗回路

高性能冷阱鈉試驗回路主要由儲鈉罐、加料器、蒸汽阱、電磁泵、主加熱器、擴散型氫計、阻塞計、冷阱樣機、風機、空氣過濾器、消音器、輔助加熱器、輔助鈉罐、省熱器、鈉流量計、鈉壓力計、鈉液位計、鈉閥、氣閥、儀表閥、管道、電氣和控制系統等組成，回路原理圖如圖1所示。該回路具有向鈉中定量加含氧雜質、離線取樣、在線監測雜質氧及凈化鈉中金屬雜質和非金屬雜質的功能，以期獲得冷阱的性能指標。

圖1 高性能冷阱鈉試驗回路原理圖Fig.1 Theory figure of sodium experimental loop of high performance cold trap

2) 冷阱樣機

根據CFR600鈉凈化系統的需求，設計和制造了1∶1的冷阱樣機，用于冷阱性能指標的試驗驗證。其工作原理為：冷阱采用冷卻結晶法，使熱鈉溶液冷卻降溫，成為過飽和溶液，鈉中雜質的溶解度隨鈉溫的降低而呈指數規律下降，在過飽和鈉中成核、結晶、長大和沉積。熱鈉從進鈉管流入冷阱結晶沉積區，遇到結晶冷卻管外壁后進行初步降溫，鈉中雜質在過飽和鈉溶液中均相成核，在過飽和濃度的推動力之下，雜質不斷向晶核聚集使其長大成晶體，隨著結晶時間的延長，晶體顆粒連續長大，當顆粒的重力大于其在鈉溶液中所受的浮力時，雜質晶體顆粒便會向下運動沉積在冷阱的底部，同時，也可非均相成核形成晶體而在結晶冷卻管的壁面結晶。來自結晶沉積區的鈉在最終冷卻區進一步降溫，雜質以非均相成核的方式形成晶體而吸附在最終冷卻區結晶冷卻管壁面和容器內壁面上。返回的過飽和鈉溶液中的雜質在流過絲網區時以非均相成核的方式形成晶核、長大和沉積在絲網上。該冷阱結構簡圖如圖2所示。

當冷阱的進鈉管1與進鈉管2均發生堵塞，即兩種運行方式下，冷阱進出口壓差均達到100 kPa以上，視為冷阱被雜質完全堵塞(該冷阱預期收集雜質量超過1 000 kg Na2O)，即需拆除冷阱進行更換。

圖2 高性能冷阱簡圖Fig.2 Figure of high performance cold trap

1.2 試劑選擇

試驗選擇過氧化鈉(Na2O2)作為加氧試劑，其為白色至淡黃色粉末狀固體，熔點為460 ℃，熱穩定性好，可加熱到熔融狀態不分解，但其可與鈉反應生成Na2O。

1.3 冷阱凈化理論

鈉冷快堆采用核級鈉[9]作為冷卻劑，其中的金屬雜質和非金屬雜質僅氧含量高于一、二回路中質量控制標準，因此試驗中以氧為研究雜質。鈉-氧的二元體系可看作鈉為溶劑、氧為溶質的溶液，氧在鈉中的溶解度隨著溫度的降低而下降，以Na2O形式結晶析出。冷阱就是利用該原理，冷阱內的鈉降溫至氧的飽和溫度以下，Na2O將會析出留在冷阱內的絲網、壁面上或沉降下來。氧的溶解度遵循Noden公式[10-11]：

T∈[383,823]

(1)

式中：C為氧在鈉中的飽和濃度，ppm；T為鈉的溫度，K。

冷阱效率為：

ε=(C0-Cout)/(C0-Ce)

(2)

式中：C0為在某特定時刻冷阱進口鈉中雜質氧飽和濃度，μg/g；Cout為在某特定時刻冷阱出口鈉中雜質氧飽和濃度，μg/g；Ce為冷阱冷點溫度下雜質氧的濃度，通過溶解度公式計算，μg/g。

冷阱凈化速率為：

Vp=ε(C0-Ce)Q×10-6

(3)

式中：Vp為冷阱凈化雜質氧的速率，kg/h；Q為冷阱流量，kg/h。

捕集能力為：

Rc=m/V

(4)

式中：Rc為捕集能力，kg/m3；m為雜質容量，即冷阱能收集的Na2O總質量，kg；V為有效容積，m3。

1.4 氧的在線監測

阻塞計是鈉回路中鈉質量監測的重要在線測量儀表[12-14]，由過濾器、回熱器、阻塞計本體、鈉穩壓器、風門、冷卻風機、鈉流量計、加熱系統、控制系統等組成。當鈉流經阻塞計本體時，鈉被省熱器和空氣冷卻器不斷地冷卻，當鈉溫降至鈉中雜質飽和溫度以下時，雜質便在阻塞孔內析出，同時流經阻塞孔的鈉流量開始下降。鈉流量開始下降時的阻塞孔處鈉的溫度定義為阻塞溫度。不同的阻塞溫度對應不同的氧化物的含量，根據阻塞溫度和Noden公式求得鈉中氧的濃度。

1.5 試驗數據誤差分析

本文在線監測工具阻塞計的測量誤差為±2 ℃，其測量誤差的主要來源可能為：1) 測溫元件導熱引起的誤差；2) 熱電偶的測量誤差；3) 補償導線引起的誤差；4) 溫度補償電阻引起的誤差；5) 微機數字測溫儀示值分辨率引起的誤差。

2 冷阱試驗和結果分析

2.1 Na2O2在鈉中的溶解速率

在冷阱試驗回路總鈉量固定的情況下，Na2O2在鈉中的溶解速率主要由儲鈉罐鈉溫、系統鈉流量、溶解時間和Na2O2的加入量決定。每次向系統回路中加入定量Na2O2(1 500 g)，鈉溫、鈉流量、溶解時間對溶解速率的影響如圖3所示。由圖3可知，鈉流量相同的情況下，Na2O2溶解一定時間后，鈉溫對其溶解速率影響不大，由于CFR600鈉凈化系統中冷阱的工作溫度為110～250 ℃，經計算，約1 500 g Na2O2加入到冷阱試驗回路(共36 t鈉)中，鈉中氧的濃度為24.5 μg/g，對應的飽和溫度為230 ℃，因此儲鈉罐中的鈉溫設置為250 ℃。在250 ℃鈉溫下，鈉流量為17 m3/h，Na2O2在鈉中的溶解速率遠大于鈉流量為8 m3/h的溶解速率，故Na2O2在鈉中溶解期間，回路運行的鈉流量定為17 m3/h。

圖3 鈉溫、鈉流量、溶解時間對溶解速率的影響Fig.3 Impact of sodium temperature,sodium flow,and dissolved time on dissolved rate

圖3中曲線(250 ℃，8 m3/h)在溶解時間后期出現下降趨勢，其原因可能是250 ℃時，8 m3/h的攪拌速率太小，無法使加入的Na2O2充分溶解，鈉源中溶解的雜質不均勻。

2.2 冷阱絲網溫度控制

分別控制冷阱絲網溫度為170、150、140、130 ℃，回路流量控制在8 m3/h(CFR600回路運行流量)左右，利用阻塞計測量得到回路鈉中氧的濃度隨時間的變化如圖4所示。由圖4可知，當加入一定量Na2O2后，冷阱在開始一段時間內凈化速率快，凈化到一定程度后，將維持穩定；控制冷阱絲網溫度越低，達到穩定狀態下，回路中雜質濃度越低，一定時間內冷阱收集雜質的量也越大，分布越集中，且對冷阱的冷卻系統耗能越大，故在冷阱運行過程中，可將冷阱絲網的控溫點逐漸降低，收集雜質速率平緩，雜質分布越均勻，也可降低冷阱冷卻系統的能耗。

圖4 回路鈉中氧的濃度隨時間的變化Fig.4 Oxygen concentration in sodium vs. time

圖4中170 ℃的曲線在10 h后出現較大的上升趨勢，其原因可能是阻塞計在測量過程中的誤差造成的。

2.3 冷阱凈化速率

在鈉流量為8 m3/h時，冷阱凈化Na2O的速率計算結果列于表1。從表1可知，隨著冷阱運行時間的增長，回路中氧的飽和濃度不斷降低(即氧含量不斷減少)，冷阱的凈化速率隨著回路中氧的飽和濃度降低而降低，當回路中氧飽和溫度大于194.2 ℃，冷阱凈化Na2O的速率大于0.24。根據冷阱運行經驗[15]，阻塞溫度一般較飽和溫度低20 ℃左右，因此，當阻塞溫度大于174.2 ℃時，冷阱凈化Na2O的速率大于0.24。因此，該冷阱滿足凈化速率不小于0.2 kg/h(阻塞溫度≥220 ℃)的性能指標。

表1 冷阱凈化Na2O速率計算結果Table 1 Calculation result of purifying Na2O in cold trap

2.4 冷阱雜質容量

冷阱在整個加氧過程中的進出口壓差變化如圖5所示。由圖5可知，在整個加氧過程中，冷阱進出口壓差逐漸增加，在加入雜質(Na2O)量為972 kg時，進鈉管1發生堵塞，壓差為105 kPa。隨后改至進鈉管2，試驗結束時，進鈉管2運行正常，冷阱進出口壓差在60 kPa左右。

圖5 冷阱運行過程中進出口壓差變化曲線Fig.5 Differential pressure curve of import and export during cold trap operation

冷阱樣機在高性能冷阱鈉試驗回路中進行試驗考驗期間，未出現堵塞，共加入Na2O2總量為774.20 kg，即1 207.9 kg Na2O，因此，冷阱的雜質容量大于1 207.9 kg。

2.5 冷阱捕集能力

根據冷阱樣機的結構計算出該冷阱的有效容積為6 m3，因此冷阱的捕集Na2O的能力大于201.3 kg/m3。

3 結論

1) 冷阱凈化一定量雜質時，其凈化速率逐漸降低，凈化到一定程度后，將維持穩定；控制冷阱絲網溫度越低，達到穩定狀態下，回路中雜質濃度越低。

2) 高性能冷阱樣機的凈化速率(0.2 kg/h(阻塞溫度≥220 ℃))、捕集能力(>201.3 kg/m3)和雜質容量(>1 207.9 kg Na2O)均滿足了預期的性能指標要求，為冷阱性能分析軟件的設計開發提供了依據，CFR600工程冷阱的設計可為此樣機基礎定型。

3) 高性能冷阱的捕集能力是CEFR一回路冷阱的2.33倍，是二回路冷阱的1.91倍。