液態鈉熱工水力實驗裝置的退役處理

□劉績偉

一、液態納熱工水力實驗裝置退役拆除背景

液態鈉熱工水力實驗裝置建于20世紀90年代，主要用于燃料組件流道堵塞實驗，再生區組件交混實驗和其他有關堆芯傳熱等實驗研究工作(見圖1)。它由主回路、進排鈉支路、凈化支路、流量調節支路、流量計校驗支路、覆蓋氣體供給系統、油—水冷卻回路、空氣冷卻系統等組成，包括貯鈉罐、冷阱、過濾器、混合器、電磁泵、蒸汽阱、起泡器、電磁流量計和回熱器等設備，裝置中總的鈉量約為300公斤。由于其實驗任務已經完成，回路已經停運多年，決定退役并拆除回路。

圖1 液態鈉熱工水力實驗裝置

二、液態鈉熱工水力實驗裝置的退役拆除

鈉回路的退役特殊性在于回路的主要介質鈉，由于鈉的化學性質極為活潑，在空氣中極易氧化和燃燒，與水會發生強烈反應，在退役中必須將鈉轉化為穩定的化學物質。因此在考量退役方案時，為了保證安全以及簡化鈉回路退役的后續工作，必須將鈉盡可能多地從回路內排出；同時采用一種安全有效的方法，除去拆卸下來的管道、設備等上的殘留鈉。

(一)鈉的導出與回收。液態鈉熱工水力實驗裝置停運時，將回路中絕大部分鈉排入到貯鈉罐中，這些鈉保存狀態比較好，雜質含量少。綜合考慮后，采用將貯鈉罐中的鈉導出，并排入到現役的中規模鈉除鈣凈化裝置的鈉接收罐中，將這部分鈉回收再利用，節約了資源的同時也保證了安全。貯鈉罐中鈉排出裝置的流程圖如圖2所示。

將貯鈉罐從液態鈉熱工水力實驗裝置上移除并做好在惰性氣氛下的密封，將其運輸并接入至中規模鈉除鈣凈化裝置，對貯鈉罐抽真空并置換為氬氣氣氛，加熱貯鈉罐至160℃，鈉接收罐至120℃，將貯鈉罐中加壓至0.2MPa，使鈉流入到鈉接收罐中，最終導出的鈉約有250kg。

圖2 貯鈉罐鈉導出流程圖

(二)液態鈉熱工水力實驗裝置的拆除。裝置的主要拆除過程包括一是拆除鈉管道和設備的保溫層和不銹鋼薄鐵皮；二是拆除非鈉部分管道和設備；三是利用鈉管道切割器對實驗裝置進行切割和拆卸；四是對于鈉量少的設備，如：電磁泵和電磁流量計等和儀表及管道，優先考慮重復利用，若不能重復使用，則用切割器將它們切割成小部件，利用水蒸汽-氮氣清洗回路清洗；五是對于鈉量多的設備采取熔鈉排鈉和水清洗相結合的方法除鈉。

熔化排鈉方法是將設備放置于具有惰性氣氛的容器中，加熱使鈉排出；也可將粘鈉設備浸沒于石蠟油槽中，加熱石蠟油使鈉熔化后排至石蠟油槽底部。化學除鈉方法主要采用水蒸汽——氮氣清洗方法除去部分粘鈉設備和管道中的鈉。

液態鈉熱工水力實驗裝置共切割了不銹鋼管道約120米，其中粘鈉管道約65米，拆除的主要設備包括鈉閥、貯鈉罐、過濾器、混合器、電磁泵、蒸汽阱、起泡器、電磁流量計和回熱器等。拆除的管道、設備等都經過密封處理后存放，等待后續除鈉處理。

三、粘鈉設備及管道的清洗

水蒸汽——氮氣清洗方法已經被證明是一種安全、有效的清洗除鈉方法，應用于粘鈉設備的清洗。所以液態鈉熱工水力實驗裝置拆除的管道、小型的粘鈉設備均采用了水蒸汽——氮氣清洗方法清洗除鈉[1～3]。

水蒸汽氮氣清洗工藝的主要原理是在氮氣氣氛下金屬鈉與水蒸汽反應生成氫氧化鈉和氫氣，以達到除鈉的目的。其反應式為：

液態鈉熱工水力實驗裝置上拆除的粘鈉設備和管道，會放入水蒸汽——氮氣清洗回路的清洗阱中進行清洗。清洗過程始終在氮氣氣氛中進行，首先進行水蒸汽清洗，然后水清洗，最終經過漂洗后，所有鈉都轉化為氫氧化鈉后，清洗結束。清洗過程中，通過反應釋放的氫氣的濃度來控制反應的速率，氫氣的濃度要求不能超過1%。反應產物氫氧化鈉溶液通過加入硝酸全部轉化成硝酸鈉溶液后排放。

圖3為待清洗前一臺被拆開的閥門，圖4為清洗完后一臺被拆開的閥門，對比觀察，閥芯表面附著的鈉已經被完全清洗，清洗效果良好。圖5和6為清洗前后的電磁泵。

圖3 待清洗的閥門 圖4 清洗后的閥門

圖5 待清洗的電磁泵 圖6 清洗后的電磁泵

最終退役裝置的大部分粘鈉設備和全部的粘鈉管道都采用了水蒸汽——氮氣清洗法清洗。剩余少部分粘鈉量大、結構復雜的設備如冷阱，考慮到對其進行機械切割并清洗存在的危險性，需要制定更周全、更穩妥的處理方案，所以先考慮將其暫存于安全場所待后續處理。

四、結語

液態鈉熱工水力實驗裝置的退役拆除和清洗工作已基本順利完成，本回路充裝鈉量達到300kg以上，回路中大部分鈉的回收利用以及拆除的粘鈉設備清洗安全有效的完成，都為未來鈉回路的退役提供了寶貴的經驗，指導未來鈉回路設備的維修更換、粘鈉設備清洗，也為快堆粘鈉設備清洗技術研究提供了寶貴的經驗。