鈉冷快堆蒸汽發生器受控鈉水反應試驗研究

侯 斌，杜麗巖，牛志新

（1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.中核戰略規劃研究總院，北京 100048）

1.鈉冷快堆蒸汽發生器受控鈉水反應試驗研究背景

快中子反應堆（簡稱：快堆）是以快中子（約0.1MeV以上）維持鏈式裂變反應的核能裝置總稱。發展快堆及其閉合燃料循環能夠有效利用核資源，嬗變長壽命放射性核素，更有利于保障核安全。新世紀以來，能源的快速發展和環境壓力使得核能再次成為國際熱點，國際上快堆的發展已被納入先進核能系統體系。2000年，美國、法國、日本、英國等國家組建了第四代核能系統國際論壇，提出“推動世界核能可持續發展，實現當前乏燃料中高放廢物最小化，促進核不擴散”的第四代核能系統目標。在建議的六種第四代先進核能系統中，有三種是快中子反應堆，即鈉冷快堆（SFR）、鉛冷快堆（LFR）和氣冷快堆（GFR），其中技術最成熟、最接近工業化的是鈉冷快堆。

2000年，國際原子能機構（IAEA）發起下一代先進核能系統的國際研發項目“創新型反應堆和燃料循環國際計劃”（INPRO）。目前已有二十幾個成員國，我國也是成員國之一。該計劃在目前階段主要開展基于快堆及其閉式燃料循環的聯合評價研究，主要是評價快堆及基于快堆的燃料循環對核能可持續發展的作用，并擬在下一階段開展以快堆技術為主的合作研發。

早在20世紀60年代中期，前二機部北京194所（中國原子能科學研究院反應堆工程研究設計所的前身）組織了約50人的科研隊伍開始進行快堆技術基礎研究。1987年起，快堆技術發展納入國家863高技術計劃，成為該計劃能源領域的一個重大項目。從1992年中國實驗快堆項目得到國家批準開始，我國快堆技術的研發進入了以中國實驗快堆工程為直接牽引的CEFR工程研究、試驗鑒定、設計和建造階段。2010年7月21日9時50分，中國實驗快堆成功達到首次臨界，樹立了我國快堆發展的一座里程碑。2014年CEFR實現滿功率運行72h，標志著我國全面掌握了快堆設計、建造、調試、運行的核心技術，為后續快堆技術的發展、快堆產業應用以及基于快堆及核燃料循環技術發展打下了堅實的基礎。我國快堆實施“實驗快堆-示范快堆-商用快堆”三步走的發展戰略。

鈉冷快堆是推薦的6種第Ⅳ代先進核能系統堆型中的一種，在全世界范圍內建設過18座，電功率從200 kW的實驗快堆到1200 MW大型商業示范快堆，總共積累了約400堆年的運行經驗。液態金屬鈉一直被認為是快中子增殖反應堆的理想冷卻劑。液鈉有熔點低、沸點高、熱導率高、比重小、黏性小以及阻力小等優點，但液鈉的化學性質非常活潑，在運行溫度下易與空氣、水等物質發生反應。

中國快堆采用的是鈉-鈉-水三個回路。堆芯產生的熱量由一回路通過中間熱交換器傳遞給二回路，再由蒸汽發生器把熱量傳遞給三回路。蒸汽發生器（圖1）位于二回路與三回路的交接處，高溫高壓的水/蒸汽在蒸汽發生器傳熱管內側流動，高溫液態鈉在傳熱管外側流動。傳熱管的數目比較龐大，實際的制造、加工及材料等各個方面微小缺陷都可能導致泄漏的產生，從而引發生鈉水反應事故。當小泄漏鈉水反應得不到有效的監測和控制時，便擴展為大泄漏鈉水反應。大泄漏鈉水反應是一種瞬時反應，反應所產生的氫氣會嚴重影響鈉的流動，導致蒸汽發生器內的壓力急劇上升。壓力可以通過二回路波及到中間熱交換器導致其結構失效，這樣，一回路中帶放射性的鈉就會與二回路的鈉相混合，使二回路各部分遭到放射性污染。確保鈉和水/蒸汽之間邊界的完整性、可靠性是蒸汽發生器設計工作的重要組成部分和蒸汽發生器安全分析的重要內容。因此，需要在建設的快堆綜合性的鈉水反應試驗臺架上開展蒸汽發生器事故保護系統設計驗證試驗。并在此基礎上，對系統的探測方案、保護控制邏輯及模塊隔離方案進行優化改進，最終完成快堆多模塊蒸汽發生器事故保護系統的設計。

圖1 鈉冷快堆蒸汽發生器鈉水反應示意圖

2.鈉冷快堆蒸汽發生器受控鈉水反應試驗研究方法

本研究利用理論分析與實驗相結合的研究方法開展鈉冷快堆蒸汽發生器受控鈉水反應試驗研究。前期，通過理論計算預先分析多模塊蒸汽發生器事故保護系統氫氣及壓力波分布情況。后期，在實驗臺架上分別開展了小鈉水反應和大鈉水反應，利用獲得的實驗數據和理論計算結果進行分析驗證，從而優化多模塊蒸汽發生器鈉水反應事故保護系統設計，完善多模塊蒸汽發生器鈉水反應事故保護系統試驗技術和試驗方法，為完成多模塊蒸汽發生器鈉水反應事故保護系統的設計奠定必要的基礎。

3.鈉冷快堆蒸汽發生器受控鈉水反應試驗研究主要成果

3.1 建立了鈉水反應試驗研究方法

考慮到建造并開展與快堆鈉水反應事故保護系統完全相同的模型臺架在經濟性、工程實施性等方面的限制，模擬試驗一般選擇在合理的比例模化試驗容器上進行。由于結構和流體物性的差異，實際上很難在原型樣機中完全復制快堆蒸汽發生器原型的特征時間比集合，也就是說，原型樣機是不可能全部精確地模化所有輸運過程。因此，該項目采用模化分析的方法，建立了快堆鈉水反應事故保護系統的比例分析模型，經過模化分析論證，獲得了鈉水反應事故保護系統的模化參數，在此基礎上展開鈉水反應試驗裝置的系統設計，并為后期數據分析提供理論支撐，建立了一套完善的鈉水反應試驗研究方法。

3.2 建立了涉鈉定量注水系統

在試驗裝置的系統設計中，根據原型堆的特點需設置模擬三回路的注水系統、模擬蒸汽發生器的鈉水反應容器以及模擬換熱管泄漏的爆破組件。為了實現受控的鈉水反應試驗，在試驗裝置的設計中，既要提供三回路水側的高溫高壓水，又要實現定量注水和精準爆破，為此該項目攻克了以下關鍵技術：一是涉鈉高溫高壓注水系統設計。注水系統是用于加熱水介質的溫度以及控制高溫、高壓水/蒸汽注入鈉水反應容器的速率。在注水系統的工藝流程設計過程中，通過設計注水罐和儲水罐分離實現了注水總量可控。此外，設置了氬氣環路輔助電加熱器，使注水罐內水達到預設溫度和壓力，設置雙道電磁隔離閥實現了多重隔離。二是微孔爆破組件結構設計，實現精準爆破。在換熱管上設置了孔板模擬泄漏口以模擬換熱管破裂，在孔板前設置爆破片實現了鈉水隔離，在爆破片與孔板之間設置了引壓管以檢測爆破起始點，最后將爆破片組件通過三通焊接在換熱管預設爆破位置。為了實現微小泄漏，孔板的加工制造精度達到0.1mm以下，采用了國內先進的激光打孔技術；為了保證爆破片在設定溫度和壓力下爆破，對組裝后的爆破片組件進行有限元分析和爆破試驗，確保爆破片在預設溫度和壓力下爆破，同時實現微孔級泄漏模擬實驗。三是微孔泄漏率標定，實現定量注水。針對不同泄漏率下的鈉水反應，需要匹配不同大小的限流孔板。由于蒸汽發生器水側為高溫高壓水/蒸汽，當水泄漏進鈉側會發生兩相臨界流，需結合兩相流計算不同泄漏率下的孔板孔徑。完成高精度激光打孔之后，通過臨界流泄漏率試驗對孔徑進行了標定，從而實現了注水試驗的定量注水。

3.3 綜合性鈉水反應試驗臺架的設計、建造、調試及運行

鈉水反應試驗裝置主要包括鈉水反應實驗大廳、鈉水反應控制間、鈉水反應監測間、鈉水反應設備維修間等。鈉設備及鈉回路等試驗臺架都布置在鈉水反應實驗大廳，儀表、電氣控制等設備布置在鈉水反應控制間，而氫計等遠傳信號布置在鈉水反應監測間，用來監測鈉水反應信號數據。該臺架現已完成設計、建造、調試及運行，為后期進一步開展更大規模的鈉水反應研究積累了寶貴的經驗。

3.4 開展了蒸汽發生器受控鈉水反應試驗，獲得了氫在鈉回路的遷移曲線

項目進行的鈉水反應試驗實現了國內蒸汽發生器鈉水反應試驗零的突破，獲得了鈉水反應后氫氣在高溫鈉回路中遷移特性曲線，數據完全符合設計預期。

3.5 驗證了氫計的綜合性能、微小泄漏氫計布置方案及報警閾值的合理性

鈉冷快堆蒸汽發生器發生微小泄漏時盡早探測到微小泄漏，在微小泄漏發展成中大泄漏之前采取必要的安全措施，是保證蒸汽發生器安全運行的關鍵。氫計作為鈉冷快堆微小泄漏的重要探測手段，其綜合性能的高低，直接影響到蒸汽發生器的安全運行。該項目在鈉回路的不同位置分別布置鈉中氫計和氣中氫計，當發生鈉水反應時，沿著氫氣的擴散軌跡，不同位置的氫計探測到的氫濃度不同，響應時間也不同。此次小鈉水反應試驗一方面驗證了氫計的綜合性能，另一方面驗證了氫計的布置方案和報警閾值設計的合理性。在實現我國氫計研發自主化的同時，為快堆微小泄漏下氫計的布置方案、報警閾值及事故信號提供了可靠方案。

3.6 驗證了快堆多模塊蒸汽發生器事故保護系統小鈉水反應下的隔離和控制邏輯的可行性

此次鈉水反應試驗在試驗過程中產生事故報警信號，通過報警信號觸發隔離和控制邏輯，驗證了快堆多模塊蒸汽發生器事故保護系統小鈉水反應下的隔離和控制邏輯的可行性。

4.結語

本研究通過對鈉水反應的相關反應機理分析和傳播分析，對鈉水反應事故保護方案和邏輯控制等進行設計驗證，為快堆蒸汽發生器事故保護系統的設計和建造提供了技術支持和數據支撐。本研究的順利開展，不僅推動了國內鈉水反應研究工作，更為快堆技術的發展奠定了基礎。