粘鈉設備水蒸氣氮氣清洗工藝研究

李君瑜，李 煦，謝 淳，李凌霄，劉績偉

(中國原子能科學研究院，北京102413)

粘鈉設備水蒸氣氮氣清洗工藝研究

李君瑜，李 煦，謝 淳，李凌霄，劉績偉

(中國原子能科學研究院，北京102413)

快堆電站一、二回路的設備因為粘有冷卻劑—鈉，在維修和退役前必須進行除鈉處理。水蒸氣氮氣清洗是快堆電站設備清洗系統所采用的清洗除鈉工藝。本文首先對該工藝的清洗原理進行了分析，然后對工藝研究的試驗裝置進行了論述，最后通過兩種特征的粘鈉設備的清洗，深入分析清洗過程中所出現的各種現象，為后續的快堆電站粘鈉設備清洗技術的研究提供了保證，同時獲得了可直接用于中國實驗快堆(CEFR)設備清洗系統的運行經驗。

鈉；粘鈉設備；水蒸氣氮氣清洗

Kaywords: Sodium; Device with residual sodium; Water vapor-nitrogen cleaning

中國實驗快堆采用鈉作為一、二回路冷卻劑，由于鈉的存在給設備檢修、退役帶來諸多不便，因此在檢修、退役前需要對粘鈉設備進行除鈉處理。本文從清洗原理入手分析采用水蒸氣氮氣清洗工藝的必要性，以兩個不同特征粘鈉設備的清洗為基礎，深入分析清洗過程中所出現的各種現象，該分析結果及相關數據可用于指導后續快堆核電站涉鈉設備清洗系統的設計和CEFR設備清洗系統的運行。

1 清洗原理

水蒸氣氮氣清洗工藝的主要原理是在氮氣氣氛下的鈉水反應。

(1)

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(3)

反應過程中相關數據見表1所示。

表1 反應相關焓值數據

ΔH0=-425.6-(-241.8)=

-183.8(kJ/mol)

ΔG0=-379.5-(-228.6)=

-150.9(kJ/mol)

由ΔG0=-RTlnK可得，K=1.75×1025。

從反應焓ΔH0看，鈉水反應是一個劇烈放熱的化學反應，反應發生時溫度會很快上升，而且很難控制。此反應平衡常數K非常大，意味著反應正向劇烈的進行。為了控制反應的進程，通入一定量的氮氣來降低反應物中水蒸氣的濃度，減緩反應向正向進行的速度。同時，氮氣能稀釋氫氣，降低排放管道中氫氣的體積百分數，防止氫氣爆炸事故的發生。此外，氮氣可帶走反應產生的熱量和鈉水反應過程中產生的廢氣。

2 回路簡介

水蒸氣—氮氣清洗回路用于粘鈉設備清洗，該回路設計溫度200℃，設計壓力0.6MPa，主要包括清洗罐、水蒸氣冷凝器、電熱蒸汽發生器、液氮低溫儲罐、廢液收集罐等設備和氫分析儀、電導儀、流量計、壓力變送器、熱電阻等儀表(見圖1)。

圖1 水蒸氣—氮氣清洗回路流程圖Fig.1 Flow chart of the water vapor-nitrogen cleaning loop

3 粘鈉設備及清洗工藝參數選擇

3.1 粘鈉設備選擇

本次工藝研究我們選擇了兩種有特征的設備，設備A是裝鈉的細長不銹鋼筒，一面封閉一面敞口。設備B是一段內部充滿了鈉的不銹鋼管，兩端均敞口，由于沒有很好的隔絕空氣，兩端有較厚的碳酸鈉層。選擇這兩種粘鈉設備是因為兩種粘鈉設備結構簡單但又有各自結構特征，與反應堆設備有類似的特點。設備A液相反應產物會在反應過程中一直留在設備里，設備B液相反應產物會隨著反應進行而逐漸排放，而且設備B表面覆蓋較厚的碳酸鈉層，可通過試驗驗證設備B表面的碳酸鈉是否會影響清洗效果。具體樣品結構尺寸見圖2，圖3及表2所示。

圖2 設備A結構簡圖Fig.2 Structure diagram of equipment A

圖3 設備B結構簡圖Fig.3 Structure diagram of equipment B

表2 設備尺寸和鈉量

3.2 關鍵工藝參數選擇

1) 清洗壓力：兩種設備清洗過程中清洗壓力都選擇0.3MPa，因為在此之前的冷凝效率驗證試驗中可知清洗壓力在約0.3MPa時，水蒸氣的冷凝效率最高。如果冷凝效率低，氣體排放管線水蒸氣過多，濕度太大會影響氫測量儀表表的測量精度和使用壽命。

2) 水蒸氣流量：水蒸氣初始流量選擇約40m3/h，當氫含量為0，則需加大水蒸氣供應量，一旦氫含量超過2%，則通過連鎖自動關閉水蒸氣供應。

3) 氮氣流量：氮氣初始流量選擇約50m3/h，隨著反應的進行隨時調整，如果反應進行平穩，則相對降低氮氣流量，一旦氫含量超過2%，則迅速加大氮氣含量，將氫氣帶走。

4 結果分析討論

4.1 設備A清洗結果分析討論

設備A清洗時清洗介質流量和氫氣含量隨時間變化的曲線見圖4。

圖4 設備A清洗時介質流量和氫氣含量隨時間變化的曲線Fig.4 Curve of the medium flow rate and the hydrogen content changed with time during cleaning equipment A

從圖4中可以看出，清洗初段，水蒸氣流量穩定在40m3/h，清洗30min后，氫含量未有讀數，因此將水蒸氣流量提高到90m3/h，清洗約15min后，清洗罐內發出較大聲響，而后陸續發出幾次較小聲響，氫含量在5min內，從無讀數直接上升至17%。讀數到1%時，系統自動切斷水蒸氣供應，并迅速加大氮氣流量至200m3/h，10 min后氫含量讀數歸0，再次開啟水蒸氣流量至50m3/h，降低氮氣流量至50m3/h，氫含量一直為0直至20min后清洗結束。試驗結束后，打開清洗容器上蓋觀察，長不銹鋼筒沒有傾倒，依然是豎直放置狀態，筒內充滿了水。取出不銹鋼筒，倒掉充滿的水后，發現底部有大約3mm厚的黏稠物質，灌入自來水并搖晃后，發現有一些氣泡冒出，并且看到了有一粒金屬小球浮到水面上，然后在放出氣泡的同時迅速消失，同時黏稠物質部分溶解。

分析整個清洗過程：(1) 豎直放置的長筒內的鈉和水蒸氣反應，鈉表面上會先形成飽和氫氧化鈉薄膜，水擴散通過薄膜后才能和鈉接觸起反應，飽和NaOH薄膜破裂時，會產生較大聲響，而后水和金屬鈉直接接觸，反應瞬間加速，生成了更多氫氣，因此氫氣含量很難控制；(2) 殘余物中加入水后有金屬小球浮到水面上并且放出氫氣，說明該容器內的鈉在水蒸氣清洗時沒有完全反應完畢；(3)粘鈉設備的放置方式對清洗效果有相當大的影響。

4.2 設備B清洗結果分析討論

設備B清洗時介質流量和氫氣含量隨時間變化的曲線見圖5。

圖5 設備B清洗時介質流量和氫氣含量隨時間變化的曲線Fig.5 Curve of the medium flow rate and he hydrogen content changed with time during cleaning equipment B

從圖5中可以看出，清洗初段，水蒸氣流量穩定在40m3/h，12min后，清洗罐內即有輕微聲響，氫含量迅速上升，上升至1%時，系統自動切斷水蒸氣供應，同時加大氮氣流量至200m3/h，最終氫含量最高上升到3%左右，期間仍有輕微聲響。10min后，重啟水蒸氣供應至40m3/h，期間一直未檢測到氫，直至30min后清洗結束。清洗結束后打開清洗罐，取出設備B，觀察到設備所粘鈉已全部清洗干凈。

分析整個清洗過程：(1)在氫氣含量達到1%時切斷了水蒸氣供應，整個過程中氫氣的含量沒有超過4%，氫含量控制較好；(2)設備B兩端敞口，且更容易使鈉和氫氧化鈉流出，鈉不會在積聚后突然爆發，因此其反應過程相對溫和；(3)雖然該樣品表面覆蓋了一層碳酸鈉，但是從清洗效果來看，碳酸鈉未對清洗效果產生影響。綜合來看，設備B清洗過程快速、安全、平穩，且氫含量控制較好，因此水蒸氣氮氣法清洗兩端敞口、氫氧化鈉溶液和熔化的鈉更易流出的管狀粘鈉設備效果很好。

從圖4和圖5可知，設備A和設備B的氮氣流量峰值與氫含量峰值吻合度高，表明在氫含量快速上升的時候，氮氣可以迅速帶走氫氣，確保系統安全。將兩個樣品清洗參數、氫氣最高含量和清洗效果匯總如表3所示。

表3 粘鈉設備清洗試驗結果

5 結論

1.粘鈉設備清洗采用水蒸氣氮氣清洗法是可行的，氮氣在清洗過程中營造惰性氣氛和帶走氫氣的效果非常明顯。

2.鈉和水蒸氣反應，先在鈉的表面生成飽和氫氧化鈉薄膜，薄膜會阻止鈉和水蒸氣接觸反應，當薄膜吸收水蒸氣至不飽和狀態時，鈉和薄膜的接觸面會生成氫氣漲破薄膜，造成清洗時清洗罐內的響聲。薄膜漲破后，鈉和不飽和水蒸氣或冷凝的水直接接觸，反應劇烈發生，反應很難控制。

3.粘鈉設備的放置應遵循生成的氫氧化鈉溶液和熔化的鈉更易流出的原則，避免反應失控。

4.金屬鈉表面的碳酸鈉層對清洗不產生影響。

5.氫含量與水蒸氣供應自動連鎖，可有效降低清洗過程中的氫含量超標風險。該連鎖設計可用于以后快堆電站的設計。

[1] 徐銤, 洪順章. 鈉工藝基礎[M]. 北京: 中國原子能出版傳媒有限公司,2011.

[2] Peter Atkins, Julio de Paula. 物理化學[M].7版. 北京：高等教育出版社, 2006.

StudyontheWaterVapor-NitrogenCleaningProcessofSodium-wettedEquipment

LIJun-yu,LIXu,XIEChun,LILing-xiao,LIUJi-wei

(China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)

Because the equipment in the primary and secondary loops of fast reactor plant had adhered sodium, they must be cleaned before maintenance and decommissioning. The water vapor-nitrogen cleaning scheme was used in the equipment cleaning system of fast reactor plant as sodium cleaning process. In this paper, the cleaning principle of this process was analyzed and the test equipment of this study was discussed. At last, the phenomena that appeared in the cleaning process was deeply analyzed by cleaning two kinds of sodium-wetted equipment, which provides a guarantee for the subsequent research on the cleaning technology of fast reactor sodium-wetted equipment, and obtains the operation experience for the equipment cleaning system of China Experimental Fast Reactor (CEFR).

2017-03-11

李君瑜(1981—)，男，陜西寶雞人，工程師，碩士，現從事涉鈉清洗工藝的研究工作

TL42

：A

：0258-0918(2017)04-0679-05