鉛基反應堆系統雜質來源概述

婁芮凡 李娜 郭靚 岳倪娜

摘要：在鉛基裝置回路的運行過程中，冷卻劑會與回路滲入或結構材料遷移進來的氧元素結合生成多種氧化物，這些氧化物有的會覆蓋在結構鋼表面，有的會漂浮在冷卻劑表面也有的會堵塞在回路的細小通道和縫隙中，會對回路的運行安全帶來不利影響。本文將從雜質在正常運行工況的輸入開始，進而依次對鉛基冷卻劑表面雜質的收集方法思路和收集器構造和基本原理、雜質過濾裝置的特點、鉛基冷卻劑氣相除雜裝置系統的性能以及氣相除雜擴散裝置的性能特點等目前關于鉛基裝置系統冷卻劑凈化設備和手段進行探討和說明。最終提供一種鉛基冷卻劑回路系統的除雜的優化策略。

關鍵詞：鉛基反應堆、冷卻劑成分控制、雜質

1.引言

眾所周知，鉛基液態重金屬冷卻劑快中子反應堆具有高固有安全性、高功率密度、裝置尺寸小分部緊湊、長壽期、用途廣且其與能量裝換系統匹配性廣等特點，是第四代反應堆的主要方向之一。

但是還有很多與鉛基冷卻劑反應堆相關的一些關鍵科學問題亟待解決，比如冷卻劑與結構材料的相容性、冷卻劑的流動特性、傳熱特性、測量工藝技術、關鍵設備制造和關鍵輔助系統的研制等問題。其中有一個與上述幾乎所有問題都相關的問題，即鉛基冷卻劑成分控制與凈化問題。

由于運行中冷卻劑氧化腐蝕產生的雜質會以各種形態存在在回路中，有些漂浮在冷卻劑表面、有些堵塞在傳熱管管道中、有些覆蓋在鋼結構表面上，它們會影響冷卻劑的流動，惡化裝置傳熱性能、影響測控儀器儀表的精度、降低結構材料的性能，進而影響回路鋼結構的完整性，降低裝置服役壽命，嚴重威脅回路運行的安全。

國際上蘇聯從1951年就開始了對鉛鉍核動力裝置的研究，見圖1，其獲得的研究成果也最全面、最深入的，二十世紀六十年代他們啟動“645項目”和“705項目”共制造了十余艘鉛鉍冷卻劑核潛艇，并一直服役到八十年代初期。

本文主要討論現有的鉛基冷卻劑雜質的成分、來源于分布進行梳理。

2.回路正常工況下的雜質來源

在回路第一次填充鉛基合金冷卻劑后的運行中（非事故狀態）雜質大致來源分為：與回路內的氧結合產生氧化物雜質、外部引入雜質和輻照產物三大類。

系統回路內氧的來源與可能生成的氧化物

（1）回路氣體系統泄漏出來的水蒸氣;

（2）回路中氣溶膠上吸附的氣體;

（3）回路內結構材料表面吸附的氣體;

（4）回路結構材料表面腐蝕產物氧化物中的氧，即在回路安裝過程中傳熱管、主管道等各種部件會與空氣、水蒸氣長時間接觸，生成赤鐵礦、針鐵礦、纖鐵礦等腐蝕產物，其中主要生成的赤鐵礦在高溫加熱后會生成磁性鐵礦;

（5）回路真空處理后回路中殘存的氧氣，有俄羅斯研究機構研究發現，回路真空處理時在壓力（真空度）為5×10-5mm（Hg）時填充惰性氣體后，回路內每立方米任有0.02克的氧;

（6）為維護回路運行氧活性值而加入的輔助控氧系統中的氧（PbO2等）。

這些氧會與鉛基冷卻劑和結構鋼發生反應生成氧化物雜質，如：

a.密度為9.4g/cm3、熔點為884℃的PbO，其顏色在（400-500）℃時會由黃色轉為紅色;

b.密度為（8.8-9.2）g/cm3、降解溫度為550℃、亮朱紅色的Pb3O4混合物;

c.密度為（8.9-9.2）g/cm3、降解溫度為290℃-320℃的棕色PbO2;

d.密度為8.3g/cm3，黑色非結晶低價氧化鉛Pb2O，它屬于部分氧化鉛的還原產物;

e.密度為8.76g/cm3、熔點為820℃的黃色粉末狀物質Bi2O3，它與鉛的氧化物還可以結合生成2PbO·Bi2O、2Pb·2 Bi2O3、PbO·BiO3。另外BiO其實是Bi2O3和Bi的混合物，可以看成是還原三價鉍的中間產物;

f.密度為2.013 g/cm3、熔點為（1973±15）℃的白色晶體Li2O，此外還有Li2O2，但它的熱穩定性很差。

g.冷卻劑與鋼結構材料反應會生成黑色磁鐵Fe3O4，密度5.2 g/cm3，熔點1597℃、密度4.88g/cm3的棕色γFe2O3，它在溫度高于250℃時會轉化為赤鐵礦、密度為5.25 g/cm3，顏色分布為磚紅色到黑色的順磁性赤鐵礦αFe2O3，其在1437℃的條件下會分解為Fe3O4;

h.從結構鋼的元素中，還有Gr、Ni、Al、C、Ag、Cu、In、Zn、Mg、Ti、Si、Ga、As、Sb、Sn、Cd、Mn、Co、Te、Au等元素會與氧結合生成相應的氧化物，其中與氧結合最穩定的氧化物是Gr2O3，這些的氧化物的形態、含量和沉積方式的特點因回路運行工況的變化而無法確定。

3.系統回路安裝和運行時從外部引入的雜質

a.回路建造和維修時焊接所產生的焊渣、焊接毛刺。俄羅斯的研究統計經驗表明，回路中沒1m?的流通空間上平均有100條焊縫，焊接面積約為1×10-2㎡，且在高溫段（>500℃）中的氧的擴散率為10-11g/cm2s;

b.回路中因安裝和修理所掉落的金屬屑、零件等;

c.石棉纖維;

d.回路中的溶解鹽;

e.回路中泵的軸承、軸封中的密封油物質。這些油將被泵運行時有兩種途徑進入回路：一種是直接以小液滴的形式被氣流帶入回路，另一種是以飽和油蒸汽的形式進入回路。油脂性物質進入回路后在高溫的冷卻劑作用下分解成為碳和二氧化碳氣體。

4.總結

以上的內容大致概括了鉛基核動力裝置在正常工況下的雜質來源和雜質種類。它們會影響冷卻劑的流動，惡化裝置傳熱性能、影響測控儀器儀表的精度、降低結構材料的性能，進而影響回路鋼結構的完整性，降低裝置服役壽命，嚴重威脅回路運行的安全。

例如前蘇聯第一批K-27艇在運行五年后發現其管道，主泵和換熱管等部件有嚴重的雜質堆積，如圖2所示，雜質的主要成分為溶解的金屬元素、氧化物和油渣，造成功率損失和堆芯熔化。

為更好的控制冷卻劑的組分以確保回路的安全與高效，需要針對冷卻劑的不同類型和性質設計和開發凈化裝置，比如現有的絲網過濾裝置、表面雜質捕集裝置、磁力捕集裝置和還原氣體捕集裝置等。

作者簡介：婁芮凡（1992.08）男，四川成都人，碩士研究生，助理工程師，熱工水力研究方向