小泄漏鈉水反應(yīng)靶管損耗試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

呂明宇，梁勝瑩，王　沖

小泄漏鈉水反應(yīng)靶管損耗試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

呂明宇，梁勝瑩，王沖

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

在快堆蒸汽發(fā)生器中，由于運(yùn)行條件和腐蝕等原因常導(dǎo)致傳熱管泄漏。高壓水/水蒸氣向鈉側(cè)噴射，劇烈的鈉水反應(yīng)可能會(huì)對(duì)蒸汽發(fā)生器造成嚴(yán)重破壞。為了能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)、核算發(fā)生小泄漏時(shí)鈉水反應(yīng)事故對(duì)鄰管（靶管）的影響，設(shè)計(jì)小泄漏鈉水反應(yīng)靶管損耗試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)泄漏率測(cè)量、水系統(tǒng)控制與注射等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并與韓國(guó)、印度等鈉水反應(yīng)裝置進(jìn)行對(duì)比分析，表明：針型閥啟停和高精度注射泵相結(jié)合的方式保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性；針型閥與氣體定壓相結(jié)合的方法可靈活控制注水啟停及反應(yīng)的發(fā)生。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置了氬氣加壓系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的安全性提供了雙重保障。

快堆；蒸汽發(fā)生器；鈉水反應(yīng)；泄漏率；針型閥

鈉冷快堆是提高核燃料利用率、增強(qiáng)核電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與清潔性的關(guān)鍵技術(shù)。鈉冷快堆采用鈉—鈉—水三個(gè)回路，蒸汽發(fā)生器位于二回路與三回路的交界處，蒸汽發(fā)生器管內(nèi)介質(zhì)是水/水蒸氣，管外介質(zhì)是液態(tài)鈉。由于水/水蒸氣側(cè)壓力比鈉側(cè)高，如果管壁出現(xiàn)裂紋，水會(huì)沖入鈉中發(fā)生鈉水反應(yīng)。目前，法國(guó)鳳凰堆、英國(guó)PFR蒸汽發(fā)生器已發(fā)生多次泄漏事故。蒸汽發(fā)生器水泄漏導(dǎo)致的鈉水反應(yīng)使快堆安全運(yùn)行面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)[1,2]。因此，設(shè)計(jì)鈉水反應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)，研究小泄漏鈉水反應(yīng)對(duì)靶管的影響規(guī)律，為蒸汽發(fā)生器安全運(yùn)行及事故分析提供參考。

國(guó)內(nèi)外都搭建了相應(yīng)試驗(yàn)裝置對(duì)鈉水反應(yīng)進(jìn)行了研究。1991年，中國(guó)原子能科學(xué)院搭建了小鈉水反應(yīng)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了鈉水反應(yīng)噪聲探測(cè)研究及氫計(jì)診斷等研究，但裝置冗雜，一些設(shè)備老化導(dǎo)致控制不夠精確[3-5]。韓國(guó)的鈉水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在不同溫度下噴射水蒸氣到鈉液中，對(duì)噴嘴的自損耗進(jìn)行了研究，但噴射不同溫度的水蒸氣容易發(fā)生燙傷危險(xiǎn)，試驗(yàn)裝置不夠安全[6]。日本鈉水反應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)主要研究少量水泄漏到鈉中，對(duì)于靶管損耗和自損耗的影響規(guī)律，將水直接噴射入鈉側(cè)與實(shí)際蒸發(fā)器的汽工況存在偏差[7,8]。印度[9]在試驗(yàn)管段的出口增加了爆破片，用于釋放過(guò)高的壓力。將傳熱管的局部地方減薄制作漏孔，但開口處產(chǎn)生的氫氣導(dǎo)致的壓力累積會(huì)對(duì)試驗(yàn)裝置的安全性造成影響。因此本文基于上述研究，設(shè)計(jì)了一種安全、可控的鈉水反應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)，闡述了水泄漏率測(cè)量、水系統(tǒng)控制與注射等關(guān)鍵技術(shù)，并與韓國(guó)、印度等鈉水反應(yīng)裝置進(jìn)行對(duì)比分析。

1　系統(tǒng)工藝流程及組成

小鈉水試驗(yàn)系統(tǒng)的總體工藝流程如圖1所示。來(lái)自鈉熔化加熱系統(tǒng)的高溫液態(tài)鈉與來(lái)自水系統(tǒng)的高壓過(guò)熱射流水在反應(yīng)器里發(fā)生劇烈的鈉水反應(yīng)，生成的氣態(tài)產(chǎn)物經(jīng)分離與冷卻處理后送至廢氣排放系統(tǒng)，反應(yīng)后的固態(tài)產(chǎn)物與殘鈉經(jīng)廢鈉排放罐送至鈉生產(chǎn)廠進(jìn)行回收處理。采用氬氣對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，防止發(fā)生鈉火反應(yīng)引起危險(xiǎn)。工作過(guò)程包括：（1）靶管充氬及注水管充水；（2）試驗(yàn)前系統(tǒng)吹掃及小鈉水反應(yīng)器充鈉；（3）鈉水反應(yīng)及產(chǎn)物處理；（4）試驗(yàn)后系統(tǒng)吹掃與清洗。

小泄漏鈉水反應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)包括水系統(tǒng)、氬氣及蒸氣系統(tǒng)、鈉熔化加熱系統(tǒng)及小鈉水反應(yīng)與分離系統(tǒng)。水系統(tǒng)主要由注射水泵、水路電加熱器、供水泵、供水箱、真空泵等設(shè)備組成。水系統(tǒng)一是提供反應(yīng)所需的高壓過(guò)熱射流水（水蒸氣），二是為試驗(yàn)系統(tǒng)提供事后沖洗水。氬氣及蒸汽系統(tǒng)利用氬氣鋼瓶組在試驗(yàn)前、后對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行吹掃和置換并對(duì)靶管充氬，進(jìn)行鈉充裝操作并作為存鈉容器的保護(hù)氣。鈉熔化加熱系統(tǒng)利用氬氣將鈉充裝入鈉加熱熔化裝置后，鈉被加熱熔化至試驗(yàn)所需溫度后充入反應(yīng)器中。鈉水反應(yīng)與分離系統(tǒng)進(jìn)行高壓過(guò)熱射流水（水蒸氣）與高溫液態(tài)鈉的鈉水反應(yīng)，并處理反應(yīng)生成的產(chǎn)物，是本試驗(yàn)的核心系統(tǒng)，主要由鈉排放罐、廢水排放罐、小鈉水反應(yīng)器（內(nèi)含注水管、泄漏管及靶管）、電加熱爐、鈉蒸氣阱等設(shè)備組成[10]。

2　關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)

在小泄漏鈉水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，由于泄漏量很小（0.1～10 g/s），水泄漏率控制是技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)水泄漏率的控制包括：對(duì)實(shí)驗(yàn)工況（水/水蒸氣的溫度、壓力）的保證；實(shí)現(xiàn)鈉—水通道快速開啟/關(guān)閉控制；泄漏率的測(cè)量與控制等。

圖1　試驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程圖

1——一級(jí)事故排放罐；2——二級(jí)級(jí)事故排放罐；3——電磁泵；4——主加熱器；5——外加熱器；6——高壓水泵；7——貯水罐；8——高壓釜；9——鈉水反應(yīng)器；10——緩沖罐；11——阻火器

2.1　溫度、壓力控制

在溫度控制方面，通過(guò)溫控及加熱裝置對(duì)進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)的水/水蒸氣溫度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，水/水蒸氣在流向射流出口過(guò)程中，會(huì)被鈉液加熱，導(dǎo)致射流處的溫度與控制溫度存在差別，通過(guò)熱電偶對(duì)實(shí)際射流出去的水/水蒸氣溫度進(jìn)行測(cè)量。

使用封閉可靠的容器及性能穩(wěn)定的泵控制水側(cè)的壓力。但鈉水實(shí)驗(yàn)需對(duì)水側(cè)介質(zhì)的微量泄漏進(jìn)行精確計(jì)量，此二者的配合會(huì)形成較大的技術(shù)難度，因此針對(duì)系統(tǒng)特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了水/水蒸氣系統(tǒng)啟停控制、水泄漏率測(cè)量與控制方案。

2.2　水/水蒸氣系統(tǒng)控制與注射方案

水/水蒸氣與鈉一旦接觸，即刻發(fā)生劇烈反應(yīng)，能夠精準(zhǔn)地控制水側(cè)的開啟/關(guān)閉，對(duì)實(shí)驗(yàn)的精確性以及系統(tǒng)的安全有重要的意義[11-13]。微流體控制閥門要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，密封可靠，需要具備瞬時(shí)開關(guān)功能。通過(guò)針型閥控制水/水蒸氣通道的啟停，不僅有利于注水量的計(jì)量，而且有利于靈活控制反應(yīng)的進(jìn)行，提高安全可靠性，針型閥結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2　水系統(tǒng)控制與注射方案示意圖

圖3　泄漏管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

該技術(shù)的特點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）閥頭采用針型閥結(jié)構(gòu)，錐體密封面對(duì)氣流通道進(jìn)行開啟和密封。閥頭使用一個(gè)絲杠和連桿連接到實(shí)驗(yàn)殼體之外的一個(gè)伺服電機(jī)上，用伺服電機(jī)控制閥頭的提起和下降。閥頭連桿通過(guò)絲杠和閥體連接，絲杠采取較為緊密的配合方式，并且圈數(shù)可以較多，配上高溫潤(rùn)滑油，可以實(shí)現(xiàn)較高壓力下的密封。針型閥距離泄漏孔很近，小于模擬泄漏管的直徑，可較靈敏地實(shí)現(xiàn)水/水蒸氣的開啟/關(guān)閉，針型閥套件剖視圖如圖4所示。

同時(shí)，設(shè)置氬氣加壓系統(tǒng)，為切斷水蒸氣管路的操作提供了雙重保障：如果針型閥正常工作，則仍然使用針型閥系統(tǒng)進(jìn)行控制；如果針型閥失效，則關(guān)閉蒸汽閥門，用加壓氬氣將水蒸氣切斷和推出。

（2）液態(tài)水進(jìn)入電加熱/保溫系統(tǒng)，生成對(duì)應(yīng)溫度的水/蒸氣，并通過(guò)內(nèi)徑1 mm細(xì)不銹鋼管導(dǎo)入到泄漏管中，通過(guò)針型閥后，連接到泄漏孔的位置。

（3）水管接有壓力測(cè)量裝置，用于記錄實(shí)驗(yàn)時(shí)水側(cè)的壓力。在閥體出口位置，安裝熱電偶，記錄水側(cè)在泄漏之前的溫度值。

（4）泄漏管試驗(yàn)段（端頭）的連接：與供汽母管之間使用螺紋連接。在每次試驗(yàn)中，泄漏管會(huì)發(fā)生自損耗，不能重復(fù)使用，但供汽母管加工成本較高，需要重復(fù)使用。所以，不能重復(fù)使用的試驗(yàn)段和需要重復(fù)使用的母管之間采用螺紋連接，泄漏管尾部端頭剖視圖如圖5所示。

圖5　泄漏管尾部端頭剖視圖

（5）當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，鈉水反應(yīng)失控，壓力瞬間急劇升高。當(dāng)壓力超過(guò)反應(yīng)分離器管道上爆破片的爆破壓力時(shí)，爆破片將自動(dòng)爆破打開，泄放小鈉水反應(yīng)器內(nèi)的氣態(tài)產(chǎn)物至反應(yīng)物分離器中進(jìn)行處理，同時(shí)立即停止注水，從而保證小泄漏鈉水反應(yīng)系統(tǒng)的整體安全。

2.3　水泄漏率的測(cè)量與控制

（1）水供應(yīng)及測(cè)量系統(tǒng)

水供應(yīng)與測(cè)量系統(tǒng)主要由高壓活塞式注射水泵、水路電加熱器、供水箱以及管道等組成。供水箱中的蒸餾水由注射水泵送入水路電加熱器加熱形成高壓過(guò)熱射流水，充裝進(jìn)入小鈉水反應(yīng)器的射流管。在注射水泵出口設(shè)定有高壓電磁閥切斷閥，在緊急情況下可以快速地關(guān)斷供水系統(tǒng)。

在小泄漏鈉水反應(yīng)靶管損耗試驗(yàn)中，水/蒸氣泄漏率需控制在0.1～10 g/s，水注射控制系統(tǒng)，壓力設(shè)定為15 MPa，泄漏率（注水速率）設(shè)計(jì)值為0.05～20 g/s，注射時(shí)間為3～300 s。注射水泵采用高性能微量泵（流量誤差＜1%），通過(guò)活塞的位移可實(shí)現(xiàn)0.05～20 g/s范圍內(nèi)泄漏率的精確控制。同時(shí)通過(guò)控制器可均勻連續(xù)調(diào)節(jié)注水速率（泄漏率），使其不受反應(yīng)器內(nèi)溫度、壓力波動(dòng)的影響，實(shí)現(xiàn)了泄漏率的穩(wěn)定控制。針型閥與氣體定壓兩種方式相結(jié)合可靈活控制注水啟停，進(jìn)而提高了泄漏率的控制精度，保障試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)泄漏率的控制目標(biāo)。

（2）泄漏率測(cè)量技術(shù)

鈉水泄漏反應(yīng)中，由于鈉是過(guò)量的，對(duì)水側(cè)介質(zhì)的泄漏率更敏感。水蒸氣是氣體，若需要其壓力穩(wěn)定，氣空間的容積越大越好。氣空間較大的時(shí)候，微量的質(zhì)量變化會(huì)被氣體的壓縮性吸收，當(dāng)泄漏孔當(dāng)?shù)責(zé)o法安裝流量計(jì)量裝置的時(shí)候，將使得泄漏率無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，由此形成了蒸汽壓力的穩(wěn)定性和泄漏量的精確計(jì)量之間的技術(shù)矛盾。相對(duì)而言，水側(cè)的壓力和溫度對(duì)靶管損耗過(guò)程的影響程度，比水介質(zhì)泄漏量本身要小，必須優(yōu)先保證泄漏率的計(jì)量精確性，因此本方案的設(shè)計(jì)思路是盡可能減少水側(cè)空間的體積。

實(shí)驗(yàn)中利用14 MPa氬氣推動(dòng)水的注入，以保證泄漏始終在定壓條件下發(fā)生，在泄漏出口管壁外布置爆破片，在封堵的泄漏孔被預(yù)設(shè)壓力的氬氣沖開后，汽側(cè)停止氬氣供應(yīng)，開啟針型閥注入預(yù)定壓力的水/水蒸氣。由于泄漏處的條件限制，不能在泄漏位置安裝流量計(jì)量裝置實(shí)時(shí)測(cè)量泄漏率。通過(guò)控制針型閥啟停，記錄實(shí)驗(yàn)始末時(shí)間、注水量、壓力和溫度，算出此時(shí)間段的平均泄漏率。文獻(xiàn)［5］表明，鈉水反應(yīng)時(shí)間短，泄漏水量較小，可采用短時(shí)間內(nèi)平均泄漏率進(jìn)行試驗(yàn)研究。同時(shí)系統(tǒng)采用控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)，維持泄漏率穩(wěn)定，以減小泄漏率變化引起的試驗(yàn)誤差。將小泄漏鈉水反應(yīng)靶管損耗試驗(yàn)系統(tǒng)，并與韓國(guó)、印度等試驗(yàn)裝置進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。

表1　試驗(yàn)系統(tǒng)性能對(duì)比表

3　實(shí)驗(yàn)工況及參數(shù)選定

3.1　實(shí)驗(yàn)工況

——鈉溫度；

——漏孔與靶距離。

基于小泄漏鈉水反應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)，研究不同泄漏率、不同鈉溫，及不同管間距工況下靶管損耗率，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算靶管損耗率的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正。根據(jù)試驗(yàn)條件及蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)要求，基本工況鈉溫為500 ℃，管間距選擇與蒸汽發(fā)生器實(shí)際尺寸接近的28 mm，泄漏孔徑選擇0.5 mm。在試驗(yàn)中固定兩個(gè)因素，驗(yàn)證單個(gè)因素對(duì)損耗率的影響，其中溫度設(shè)定250 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃及500 ℃共6 個(gè)溫度工況試驗(yàn)，管間距設(shè)定為：15 mm、18 mm、22 mm、25 mm、28 mm、30 mm。水壓力設(shè)定為15 MPa，水/水蒸氣溫度290 ℃，根據(jù)伯努利方程建立孔徑與泄漏率計(jì)算公式（2），計(jì)算得到的泄漏孔直徑與泄漏率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示，在小泄漏情況下，水/水蒸氣泄漏率在0.1～10 g/s，因此選擇0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm的孔徑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，保證泄漏率在驗(yàn)證范圍之內(nèi)，小泄漏鈉水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)工況如表3所示。

式中：——泄漏率；

——泄漏口面積；

、0——內(nèi)、外側(cè)介質(zhì)壓力；

——泄漏口上液位高度。

當(dāng)汽/水管束發(fā)生泄漏時(shí)，射流方向與鈉液流動(dòng)方向交叉或垂直，鈉側(cè)流場(chǎng)將削弱射流水對(duì)鄰管的沖擊。因此鈉液靜止，射流管噴射孔垂直噴射靶管，工況最為惡劣，并以此作為系統(tǒng)試驗(yàn)工況[13,14]。

表2　泄漏孔直徑與泄漏率的計(jì)算結(jié)果

3.2　爆破片爆破壓力計(jì)算

水泄漏率與泄漏孔尺寸及爆破片的爆破壓力等有關(guān)，為準(zhǔn)確控制泄漏率，需對(duì)爆破片的爆破壓力及反應(yīng)器壓力進(jìn)行核算。反應(yīng)器內(nèi)壓力有兩個(gè)波動(dòng)峰值，一是試驗(yàn)開始的瞬間，二是靶管被擊穿的瞬間，最高工作壓力取二者中的較大值。試驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表3　小泄漏鈉水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)工況表

表4　試驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

（1）試驗(yàn)開始的瞬間

射流水單位時(shí)間物質(zhì)的量為：

極端情況下，假設(shè)生成產(chǎn)物全部為Na2O和H2，無(wú)NaOH生成，此時(shí)氫氣的生成速率達(dá)到最大，氫氣體積為：

參加反應(yīng)的射流水量少，可認(rèn)為小鈉水反應(yīng)器的溫度基本維持在490 ℃。此時(shí)小鈉水反應(yīng)器的壓力為：

（2）靶管被擊穿的瞬間

假定靶管充氬壓力為15.0 MPa，防止靶管被擊穿時(shí)鈉液倒流入靶管中。靶管被擊穿時(shí)小鈉水反應(yīng)器的壓力為：

因此小鈉水反應(yīng)器最高工作壓力為：

擬選擇正拱形普通爆破片，若最高工作壓力與最小標(biāo)定爆破壓力之比為70%。故爆破片的最小標(biāo)定爆破壓力為：

因此，小鈉水反應(yīng)器最高工作壓力為：0.902 5 MPa，爆破片爆破壓力：1.289 3 MPa，選取反應(yīng)器的設(shè)計(jì)壓力為2.5 MPa，有充分的安全余量。

4　結(jié)論

鈉水反應(yīng)會(huì)對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管造成嚴(yán)重?fù)p壞，威脅蒸汽發(fā)生器的安全運(yùn)行。為進(jìn)行鈉水反應(yīng)及靶管損耗等研究，設(shè)計(jì)了小泄漏鈉水反應(yīng)靶管損耗試驗(yàn)系統(tǒng)，并與韓國(guó)、印度等試驗(yàn)裝置進(jìn)行對(duì)比分析，表明本試驗(yàn)系統(tǒng)采用針型閥啟停和高精度注射泵相結(jié)合的方式可精確測(cè)量、控制泄漏率。針型閥與氣體定壓兩種方式相結(jié)合的方法可靈活控制注水啟停。同時(shí)，還增加了氬氣加壓系統(tǒng)，可為試驗(yàn)系統(tǒng)的安全操作提供雙重保障。試驗(yàn)系統(tǒng)在壓力、溫度控制，啟停控制，泄漏率精確測(cè)量及事故保護(hù)等方面均有可靠保證，在精確性、靈活性、安全性等方面都有了一定改進(jìn)，可為小泄漏鈉水反應(yīng)及靶管損耗研究提供可靠的試驗(yàn)平臺(tái)。今后研究中，可考慮增加反應(yīng)產(chǎn)物檢測(cè)分析裝置，為蒸汽發(fā)生器事故分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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Design and Research on the Target Tube Loss Test System in Small Leakage Sodium Water Reaction

LYV Mingyu，LIANG Shengying，WANG Chong

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

In the steam generator of fast reactor power plant，it is difficult to avoid the leakage of heat transfer tube due to the operation conditions and corrosion．When high pressure water/steam is injected to the sodium side，severe exothermic reaction of sodium water may cause serious damage to the heat transfer tube of steam generator．In order to more accurately predict and account for the impact of sodium water reaction accident on adjacent pipes（arget pipe）in case of small leakage，the loss test system and working condition of sodium water reaction target pipe with small leakage are designed，and the key technologies such as water leakage rate measurement，water system control and injection are described in detail．The test system is compared with South Korea，India and other sodium water reaction devices，and the results show that：in this test system，the leakage is controlled and measured by the combination of needle valve and high-precision injection pump to ensure the accuracy of measurement；the combination of needle valve and gas constant pressure can flexibly control the start and stop of water injection and the occurrence of reaction．At the same time，the system is equipped with argon pressure system，which provides double guarantee for the safety of the system．

Fast reactor；Steam generator；Sodium water reaction；Leakage rate；Needle valve

TL36

A

0258-0918（2021）03-0452-08

2021-02-11

呂明宇（1982—），男，河北景縣人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)主要從事核安全技術(shù)及工程方面研究