HTGR高溫氣冷反應(yīng)堆的高溫氦氣取樣研究

張超

摘要：高溫氣冷堆（HTGR）因其產(chǎn)生高溫氦氣的能力及其固有的安全特性而特別具有吸引力。確認(rèn)了反應(yīng)堆特性和反應(yīng)堆性能，描述了HTTR高溫試驗(yàn)運(yùn)行的結(jié)果，并對(duì)反應(yīng)堆運(yùn)行進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，以證明運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。同時(shí)，研究了HTGR高溫氦取樣回路（HTHSL）在蒸汽發(fā)生器（SG）中的輸運(yùn)（沉積）行為和固體裂變產(chǎn)物總量分別設(shè)計(jì)。通過(guò)基于熱工水力學(xué)分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真，沉積取樣裝置（DSD）的3套管結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的全程溫度控制。在相應(yīng)模擬的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了HTGR高溫氣冷反應(yīng)堆的高溫氦氣取樣回路，可用于SG高溫氦中重要核的取樣。這些方案為獲得高溫氦源項(xiàng)提供了有效的解決方法，為高溫氣冷堆源項(xiàng)的分析提供了更深入的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：高溫氣冷反應(yīng)堆（HTGR）;高溫氦取樣回路（HTHSL）;溫度控制;仿真

中圖分類號(hào)：TL375 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）07-0085-04

Study on high temperature helium sampling of HTGR

high temperature gas cooled reactor

ZHANG Chao

（Huaneng Shandong Shidaowan Nuclear Power Co.， Ltd.，Weihai 264200，Shandong China）

Abstract：High Temperature Gas-cooled Reactor （HTGR） is particularly attractive because of its ability to produce high temperature helium and its inherent safety characteristics. The reactor characteristics and reactor performance were confirmed， the results of HTTR high temperature test operation were described， and the reactor operation was monitored to prove the safety and stability of operation. At the same time， the transport （deposition） behavior of HTGR High Temperature Helium Sampling Loop （HTHSL） in Steam Generator （SG） and the total amount of solid fission products are designed respectively. Through the optimization design and simulation based on thermal hydraulic analysis， the 3 casing structure of Deposition Sampling Device （DSD） can realize uniform whole process temperature control. Based on the corresponding simulation， the high temperature helium sampling circuit of HTGR high temperature gas cooled reactor is improved， which can be used to sample important nuclei in SG high temperature helium. These schemes provide effective solutions for obtaining the source term of high-temperature helium and provide a deeper understanding for the analysis of the source term of high-temperature gas-cooled stack.

Key words：High Temperature Gas-cooled Reactor （HTGR）; High Temperature Helium Sampling Loop （HTHSL）; temperature control; simulation

高溫氣冷堆（HTGR）是一種石墨慢化、氦氣冷卻的反應(yīng)堆，因其生產(chǎn)高溫氦氣的能力及其固有的安全特性而特別具有吸引力。高溫氣冷堆作為一種高效燃燒武器級(jí)钚用于能源生產(chǎn)的選擇，極具吸引力。高溫氣冷堆一回路中釋放的裂變產(chǎn)物的遷移和沉積行為[1]引起了人們極大的關(guān)注，因?yàn)樗兄谖覀兩钊肓私釮TGR的源項(xiàng)，包括運(yùn)行過(guò)程中的人員輻射暴露事故條件下放射性釋放的維護(hù)、凈化和預(yù)防[2]。高溫氣冷堆中的冷卻氣體和石墨粉塵將放射性物質(zhì)從堆芯釋放并輸送到一次系統(tǒng)。從先前對(duì)AVR反應(yīng)堆的研究中可以看出，活性可以以粉塵結(jié)合形式或自由形式存在，并且可以沉積在一回路中的元件表面[3]。同時(shí)，放射性粉塵的輸送、沉積或再活化取決于粒度、局部和暫時(shí)的流動(dòng)力[4-6]。在Dragon反應(yīng)堆和TRAFIC計(jì)劃中[7-8]，設(shè)計(jì)了一些旨在研究裂變產(chǎn)物沉積模式的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并完成了相應(yīng)取樣裝置的研發(fā)，這些努力為實(shí)現(xiàn)高溫氣冷堆源項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)意義提供了重要途徑。

對(duì)于HTGR的高溫氦氣取樣一次回路的實(shí)驗(yàn)研究，以獲得裂變產(chǎn)物和石墨粉塵的真實(shí)可信的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證已經(jīng)存在的理論計(jì)算。于是，為HGTR設(shè)計(jì)了高溫氦取樣回路（HTHSL）。HTHSL的重點(diǎn)是研究固體裂變產(chǎn)物在高溫氦（>600 ℃）中的遷移和沉積規(guī)律，高溫氦是從燃料元件中釋放出來(lái)的，或是從蒸汽發(fā)生器（SG）中解吸出來(lái)的。沉積取樣裝置（DSD）是HTHSL的主要部件之一，專門用于收集裂變產(chǎn)物和石墨粉塵的顆粒。由于DSD中的裂變產(chǎn)物是在高溫氦中收集的，因此沉積對(duì)反應(yīng)堆部件的影響可以忽略不計(jì)，源項(xiàng)可以被認(rèn)為是具有代表性的，與一回路中冷氦（<250 ℃）的源項(xiàng)相比更具原創(chuàng)性。

基于上述原因，本文研究設(shè)計(jì)了用于研究高溫氣冷堆反應(yīng)堆（HTGR）中SG在高溫氦氣中的輸運(yùn)（沉積）行為和固體裂變產(chǎn)物總量的HTHSL。首先，通過(guò)基于熱工水力學(xué)分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真，DSD的3套結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的全程溫度控制，可用于HTGR一回路裂變產(chǎn)物的研究。其次，在相應(yīng)模擬的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的高溫氣冷堆DSD，可用于從蒸汽發(fā)生器中提取高溫氦中的重要原子核。這些方案為獲得高溫氦源項(xiàng)提供了良好的方法，為高溫氣冷堆源項(xiàng)的分析提供了更深入的認(rèn)識(shí)。

1HTGR中高溫氦取樣回路和沉積取樣裝置的研制

HTGR的HTHSL的示意圖如圖1所示。

通過(guò)修改SG的溫度熱電偶通道，提取高溫氦（>600 ℃），并首先通過(guò)熱電偶CT001進(jìn)行測(cè)試，以確保其溫度超過(guò)600 ℃。通過(guò)約20 m長(zhǎng)的管道（DN10），氦氣從蒸汽發(fā)生器室流向操作氣體閥室，大多數(shù)設(shè)備放置在該閥室。在進(jìn)入DSD之前，氦氣流經(jīng)3個(gè)電動(dòng)隔離閥（AA001、AA002、AA003），實(shí)現(xiàn)隔離安全相關(guān)系統(tǒng)的功能。在進(jìn)入隔離閥AA001之前，溫度傳感器CT002記錄溫度和壓力數(shù)據(jù)，以確保進(jìn)入3個(gè)閥門（AA001、AA002和AA003）時(shí)的氦氣溫度不會(huì)超過(guò)閥門溫度限制（370 ℃）。閥門AA003后面有1個(gè)電加熱器。氦氣將在電加熱器中加熱到600 ℃以上。因此，可以采取措施，如增加氦通量或提高管的熱功率（見(jiàn)下文），以確保進(jìn)入DSD的氦滿足實(shí)驗(yàn)要求。氦氣從SG流向閥門AA001的管道被隔熱層覆蓋[1]。這樣，管內(nèi)氦的溫度可以保持相對(duì)較高，以減少氣溶膠和核素沉積在管內(nèi)壁上。

DSD（AT003）由3個(gè)套管組成。最里面的套管有1個(gè)金屬棒，其材料與內(nèi)壁不同，以便在必要時(shí)分析裂變產(chǎn)物在不同金屬表面同時(shí)沉積的規(guī)律（例如，HTR-PM的SG由兩種不同的金屬組成）。通過(guò)最外層套管內(nèi)的冷卻水將氦氣從600 ℃均勻地冷卻到200 ℃，氦氣中的裂變產(chǎn)物逐漸沉積在裝置的表面，5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的位置不均勻，實(shí)現(xiàn)了不同部位包括L=0.400 m、L=0.463 m、L=0.549 m的等溫下降，L=0.673 m的等溫下降，具體如圖2所示。DSD前有一個(gè)濾塵器（AT002），用于最初過(guò)濾大顆粒和氣溶膠，以避免它們堵塞沉積裝置;閥門AA003和濾塵器的連接方式相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可以取下濾塵器和DSD進(jìn)行沉積測(cè)量;DSD的結(jié)構(gòu)如圖2所示?？刂崎y（AA007）可以調(diào)節(jié)回路的氦氣流量，以測(cè)量不同流量下的裂變產(chǎn)物沉積，模擬HTR-10的不同運(yùn)行條件。兩個(gè)常閉閥（AA008和AA009）放置在真空支管中，以嚴(yán)格防止主回路中的氣體通過(guò)真空支管泄漏。從DSD流出的氦氣將通過(guò)高效微粒氣體過(guò)濾器（AT004），最后通過(guò)隔膜壓縮機(jī)（AN301）從氦氣凈化系統(tǒng)的末端返回反應(yīng)堆[1]。

簡(jiǎn)要的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）實(shí)驗(yàn)前，關(guān)閉閥門AA001和AA010，打開(kāi)真空支管中的閥門AA008和AA009，通過(guò)真空泵系統(tǒng)排空HTHSL中的氣體;

（2）打開(kāi)閥門A001和A010，將回路連接至反應(yīng)器，調(diào)節(jié)流量至設(shè)定值后，回路將正常運(yùn)行。該實(shí)驗(yàn)計(jì)劃在6～10 kg/h的通量下進(jìn)行，這代表了SG中的通量。采用DSD的溫度模擬如圖2所示，正常運(yùn)行期間，閥門AA001、AA002、AA003、AA010保持常開(kāi);而閥門AA008和AA009保持常閉;

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先關(guān)閉入口閥AA001、AA002和出口閥AA010，然后打開(kāi)閥門AA008和AA009，用真空泵系統(tǒng)將回路壓力降至大氣壓。當(dāng)HTHSL壓力穩(wěn)定時(shí)，可將取樣裝置從回路中取出，進(jìn)行拆卸和測(cè)量。

2HTGR中HTHSL和DSD的研發(fā)

2.1HTGR用HTHSL及DSD的設(shè)計(jì)

在此基礎(chǔ)上，還可以設(shè)計(jì)出一種類似的HTGR用HTHSL和DSD。HTR-PM是一種商業(yè)化的高溫氣冷堆，因此對(duì)其產(chǎn)品的運(yùn)輸和沉積的學(xué)術(shù)研究意義不大。然而，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同工況下SG高溫氦氣中裂變產(chǎn)物總量的意義更大，因?yàn)樗兄诜囱荻研救剂系恼鎸?shí)狀態(tài)，甚至有助于事故后的監(jiān)測(cè)。按照這種思路，簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）實(shí)驗(yàn)前，保持所有閥門關(guān)閉，裝置關(guān)閉。將DSD AT001放入運(yùn)輸箱BB001中，并用推桿連接至電機(jī)AE001。打開(kāi)閥門AA005和AA009，打開(kāi)真空泵AP301，將輸送箱BB001中的空氣吹入通風(fēng)系統(tǒng)。當(dāng)壓力傳感器CP004的測(cè)量數(shù)據(jù)達(dá)到50 Pa以下壓力時(shí)，關(guān)閉閥門AA005和AA009，關(guān)閉真空泵AP301;

（2）打開(kāi)閥門AA005、AA006、AA007，讓高壓潔凈氦氣罐（10 MPa）高壓氦流向輸送箱BB001，壓力傳感器CT003測(cè)量數(shù)據(jù)達(dá)到7 MPa時(shí)，打開(kāi)球閥AA001、AA002，向前啟動(dòng)電機(jī)AE001。在電動(dòng)機(jī)和氣壓的推動(dòng)下，DSD AT001通過(guò)球閥AA001和AA002進(jìn)入取樣位置，700 ℃以上的高溫氦從SG流出，可直接流入DSD。然后，關(guān)閉電機(jī)AE001;

（3）打開(kāi)閥AA011，啟用氦驅(qū)動(dòng)棘爪AW001，將DSD AT001固定到采樣位置;

（4）關(guān)閉閥門AA006和AA007，打開(kāi)閥門AA008。斷開(kāi)推桿和DSD AT001，向后啟動(dòng)電機(jī)AE001，拔出推桿。關(guān)閉如圖3所示的HTR-PM的DSD結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)使得氦參數(shù)值通量10 kg/h，氦氣溫度650 ℃，冷卻水流量（DSD外水套管）265 kg/h，冷卻水溫度20 ℃，電動(dòng)機(jī)AE001。關(guān)閉球閥AA001和AA002，關(guān)閉閥門AA005、AA008和AA011;

（5）打開(kāi)閥門AA003和AA004，啟動(dòng)隔膜壓縮機(jī)AN301;

（6）取樣結(jié)束后，關(guān)閉閥門AA003和AA004，停止隔膜壓縮機(jī)AN301。打開(kāi)球閥AA001和AA002，向前啟動(dòng)電機(jī)AE001，將推桿推至DSD AT001后端。然后，停止電機(jī)AE001，并將推桿連接到DSD AT001;

（7）將棘爪AW001抽出，打開(kāi)閥門AA005和AA008，然后向后啟動(dòng)電機(jī)AE001，將DSD AT001拖回運(yùn)輸箱BB001。關(guān)閉球閥AA001和AA002，關(guān)閉閥門AA001和AA008，停止電機(jī)AE001;

（8）打開(kāi)閥門ESA005、AA009和A010，將變速器端口罐BB001中的空氣推到通風(fēng)系統(tǒng);然后打開(kāi)運(yùn)輸箱取出DSD。

高溫氣冷堆用高溫超導(dǎo)帶材的主要部件是DSD和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);DSD的示意圖如圖3所示。

由圖3可知，DSD由3部分組成：燒結(jié)金屬過(guò)濾器組件①、分子篩②和套筒③。燒結(jié)金屬過(guò)濾器由上隔膜④、燒結(jié)金屬管⑤和下隔膜⑥組成。高溫氦氣從上隔膜④上的孔流入燒結(jié)金屬管⑤，并從管壁間隙通過(guò)上隔膜⑥上的開(kāi)口流出到分子篩。在此過(guò)程中，高溫氦氣中的粉塵和金屬裂變產(chǎn)物將被過(guò)濾并附著在燒結(jié)金屬管和分子篩上。

2.2HTGR用DSD的溫度和流量分布計(jì)算

氦氣溫度分布及其在DSD中的分布如圖4所示。

從圖4結(jié)果可知，DSD中氦的溫度從650 ℃下降到100 ℃左右，說(shuō)明大部分放射性粉塵都可以在DSD中收集。這是因?yàn)镈SD前由于溫度較高，沒(méi)有預(yù)沉積，DSD內(nèi)的溫度下降很快，保證了大多數(shù)放射性粉塵在DSD內(nèi)流動(dòng)時(shí)能夠沉積。

氦的流體運(yùn)動(dòng)如圖5所示。

由圖5可知，在DSD的不同部位，氦在DSD中的流場(chǎng)是不同的。結(jié)果表明：氦氣在入口和出口處的流速最高，均在0.2 m/s以上。當(dāng)氦氣進(jìn)入分子篩后，由于流動(dòng)方向的改變，流速逐漸減小（0.015 m/s以下），流速增加到0.06 m/s左右。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)基于熱工水力學(xué)分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)，HTGR的高溫回路氦氣取樣可以在實(shí)際反應(yīng)器中使用，并取得預(yù)期的效果。此外，還應(yīng)考慮用于測(cè)量裂變產(chǎn)物種類和數(shù)量的DSD拆卸方案。通過(guò)基于熱工水力學(xué)分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真，沉積取樣裝置（DSD）的3套管結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的全程溫度控制，可用于HTGR——回路裂變產(chǎn)物的研究。在相應(yīng)模擬的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了改進(jìn)的DSD用于HTGR，可用于SG高溫氦中重要核的取樣。這些方案為獲得高溫氦源項(xiàng)提供了2種不同的方法，為高溫氣冷堆源項(xiàng)的分析提供了更深入的認(rèn)識(shí)。

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