CEFR堆本體泄漏測量優化研究

戴浩

摘要：CEFR主容器泄漏率技術規格書中的一個硬性要求，對安全運行有著重要的意義。目前使用氦氣作為示漏氣體進行查漏。由于主容器本體結構復雜，連接系統多，以往的測量方案存在效率低、成本高的問題。在本次檢漏中，從測量手法、范圍等方面對以往方案進行優化，并且實踐結果符合預期，主容器泄漏也得到有效抑制，為后續主容器維護查漏和CFER600大堆運行提供了一套可以借鑒的主容器檢漏經驗。

關鍵詞：池式快堆密封邊界??主容器泄漏率??正壓檢漏測量優化??檢漏經驗反饋

1任務背景

CEFR為國內首座池式鈉冷快堆。反應堆主容器內充有110m?的高純氬氣和約250t液態金屬鈉。在反應堆運行期間，主容器內的氬氣活化產生⁴¹Ar是放射性源項的重要組成部分，因此嚴格限制了氬氣的泄漏率，CEFR對主容器泄漏率的限定值為100L/d。在每次重新啟動反應堆前，都需要對主容器泄漏率進行測量。

首次大修后，因一回路壓力邊界比發生維修，對堆本體主容器泄漏率進行了計算：主容器氣腔泄漏率為273L/d（遠超限值，因此不考慮不確定度）。根據后續運行計劃，需要盡快完成主容器檢漏工作并將泄漏率恢復至運行限值以下，否則不能啟動反應堆。

2 探測方法

氦質譜儀檢漏是近幾年發展起來并在航天、化工、核電等領域應用廣泛的檢漏手段，特點是靈敏度高、測量范圍廣、無殘留等優點，其檢測方式又大致分為真空氦檢漏和正壓氦檢漏，特點如下表1所示^[1]。

CEFR主容器在鈉溫250℃下的氣腔體積為104.3m?。這個體積包括了超壓保護系統、換料機、主泵、中間熱交換器的空間。系統氬氣空間較大、結構較為復雜、接口多，難以適用真空檢漏法，因此采用氦質譜儀正壓檢漏方法。

2.1探測原理

正壓檢漏主要原理如圖1所示。

正壓氦氣檢漏需向檢漏容器充入不低于10%濃度的示蹤氣體^[2]，在經過一定時間的擴散后，使用檢漏儀對可能泄漏的地方進行探查，從而對泄漏位置進行定位。

2.2泄漏位置定位

CEFR堆本體下部為堆容器，上部為旋轉屏蔽塞，旋轉屏蔽塞上安裝換料機構和控制棒驅動機構等設備。鈉泵及熱交換器均布置在周圍，多個氬氣系統通過管線與主容器相連。其結構示意圖見圖2。

1. 大/小旋塞：錫鉍合金凝固密封。
2. 一回路鈉泵：安裝位置焊接、轉動部位的動靜石墨環接觸密封。
3. 動導管驅動機構：法蘭密封。
4. 堆本體測量儀表：法蘭+閥門密封。
5. 人孔和實驗孔道：法蘭密封。
6. 主容器密封塞：壓緊密封。
7. 7個氬氣系統通過管道和邊界閥門與主容器內部直接相連。

2.3檢漏方案

2.3.1堆本體部分

CEFR主容器的泄漏探測困難：（1）設備多數法蘭均隱藏在設備內部，如需直接測量需要進行設備的拆卸;（2）多數系統和設備位置不易接近，如堆頂防護罩內、轉運室等均屬于三級控制區;（3）系統結構內部體積過大、結構復雜，檢漏條件較常見的容器類嚴苛。需要制定檢漏策略既保證不遺漏高價值的泄漏位置，又具備一定的可操作性、經濟性和時效性。

2.3.2泄漏模式分析

導致主容器泄漏增加的形式有以下4種。

1. 系統的界閥門或邊界閥門前的儀表外漏導致一回路氬氣異常進入該閥門所在工藝間。如果在測量過程中發現有氦氣指示，那么針對性地檢查工藝間內的邊界閥門或者邊界閥門之前的測量儀表，是有可能獲得有價值的測量結果。
2. 主容器邊界閥門的內漏導致一回路氬氣異常進入相連系統。如果只是邊界閥門內漏，而相連系統不存在外漏的話，那么這種情況泄漏率的貢獻不會很大。因為實質是增大了堆本體氣腔，并且這種情況下的外部測量是得不到結果的。
3. 邊界閥門內漏合并相連系統的儀表或設備外漏導致一回路氬氣進入工藝間。從測量現象上預計會和情況1的測量現象一致。
4. 系統閥門內漏同時該系統與其他系統相連系統也存在內漏，導致一回路氬氣進入更多的系統。但多道串聯的閥門同時內漏可能性不高，這種情況概率較低;同時，泄漏擴散太遠、稀釋嚴重，測量價值較低。

2.3.3探測范圍改進

由于現場情況復雜，各個系統之間相連，潛在泄漏點分布廣，需制定一個測量的策略：簡化探測面積同時盡可能不遺漏潛在泄漏點，才能使得此項工作在合理的耗時內取得良好的進展，這個范圍的劃定遵循以下原則。（1）探測的范圍能夠盡可能不遺漏潛在的泄漏點。（2）超過這個范圍進入其他系統的泄漏點對應系統閥門內漏同時該系統與其他系統相連系統也存在內漏的情況，探測價值不高且泄漏的可能性不大。（3）泄漏在這個范圍內并不會造成主容器的壓力持續下降：對應主容器邊界閥門的內漏導致一回路氬氣異常進入相連系統的情況，等同于增大主容器氣腔體積。（4）這個范圍外探測到的泄漏對應了系統的界閥門或邊界閥門前的儀表外漏及邊界閥門內漏合并相連系統的儀表或設備外漏的情況，能夠粗定位，提高探測效率，并且通過對探測處的簡單維修將泄漏情況變為主容器邊界閥門的內漏導致一回路氬氣異常進入相連系統的情況，以進行后續處理。

2.3.4氦氣正壓檢漏方法現場探測改進

（1）主要困難。

第一，氦氣正壓檢漏時，吸槍在大氣環境下工作的。不同于真空檢漏時真空環境，此時譜儀其實探測的是探測位置大氣中的氦氣。示蹤氣體被吸入到測量儀器內部這個過程中會被稀釋。如上文所述，氦質譜儀的靈敏度為1×10^-7Pa·m?/s^[3]。而在氦氣正壓檢漏時，由于泄漏擴散出來的氦氣被稀釋1×10⁵左右，因此氣體濃度達到1×10^-3～1×10^-2Pa·m?/s時才有較好的結果^[4]。廠房控制區內氦氣本底約為3.3×10^-7～4.1×10^-7Pa·m³/s。根據經驗^[5]，如果不是某一處嚴重泄漏，而是多個點平均泄漏的話，現場探測結果預計在1×10^-4～1×10^-6Pa·m?/s數量級。因此需要設法提高探測位置的氦氣分壓，實現泄漏氦氣的積累，才能達到較好的測量結果。

第二，由于正壓檢漏實際上是吸取檢漏位置外部的環境氣體。氦氣從法蘭或密封面中泄漏處擴散進大氣，再通過吸槍進入測量空間，測量空間氣體濃度提升需要一個候檢時間^[6]，使得儀器測量部位的氦氣分壓逐漸從大氣水平升高到泄漏處的實際水平。如果在探測位置停留候檢時間不足，或吸槍在候檢時移動，會導致無法取到平衡濃度的示蹤氣體，導致測量失效。

第三，對于人員進入風險較大、要進行大規模的拆卸的區域，暫不進行測量。

第四，對空間大、設置有環境通風的區域，需要根據工藝特點間接判斷泄漏，無法采用氦氣正壓檢漏。

（2）測量改進措施。

第一，由于測量范圍內存在大量儀表和儀表閥，它們有的位于工藝間，有的位于走廊。根據經驗^[5]，儀表的泄漏往往非常小（探測到過的儀表泄漏數值量級約10^-5-10^-6Pa·m?/s），采取外包塑料的方式對儀表和儀表閥進行包裹以提高泄漏位置的氣體濃度。包裹的位置有儀表的入口儀表閥、儀表出口儀表閥和儀表本體，在經過擴散后對塑料袋內部包裹范圍進行測量。

第二，測量時擴散空間體積為V，大氣分壓為，測量位置泄漏率為。那么擴散時間內，通過泄漏進測量空間內的氦氣為，這部分氦氣一部分會留在測量空間中使其中氦氣分壓升高，量為;一部分會隨著被擠出測量空間的空氣一起逃出，量為因此我們可以得到：

得到：

達到10^-6Pa·m³/s即可判定為泄漏點^[5];

=10⁵Pa，可探測的最小泄漏量對應的分壓=10^-6;

測量處泄漏率，假設271L/D的泄漏量全部集中在一處，并且被稀釋10⁵倍左右，因此3.15×10^-5Pa·m³/s;

為測量空間體積。吸槍軟管長度為30m，內徑為φ4;

最終的得到：

3.72s。

此參數主要受、和的影響。本次測量中，前兩項參數均為經驗參數，因此V的不同導致待檢時間不同，理論上不同位置的待檢時間如表2所示.

對于包裹部位測量是本次測量的主要目標。測量時停留時間至少需要2min，并且不能移動^[7];而對于大空間環境，該測量方式不具備可實施性。因此，對于有泄漏風險但氦氣正壓測量實時困難的區域，根據區域氣氛維持的特性，采取單獨的測量方式：（1）對于有維持壓力需求的區域，采取測量充氣的量進行泄漏查找;（2）對于采用液態金屬凝固密封的位置，采取融化的方式檢查在融化狀態下泄漏情況，反推凝固時是否存在泄漏。

3現場實施

3.1測量準備

測量前對測量范圍內手動閥進行人工關緊確認。而對電動閥門，內漏情況下的手動關緊只會掩蓋它的問題。因此沒有對電動閥門進行手動關緊操作，希望能夠暴露問題以便進行維修。

3.2查漏實施

為了確保測量的有效性，示蹤氦氣的注入濃度從10%提高至15%，并且充氣完成后，系統靜置4h后開始測量。最終測量得到的泄漏數據見表3。

除上表中的內容外，其他之前列出的位置讀數均為本底水平（10^-7Pa·m?/s）。因此，優先處理已測到的泄漏位置并計算泄漏情況后，根據結果決定是否對未測出區域進行二次檢漏。

3.3泄漏測量結果分析

經計算，上述泄漏位置的測量數據對應的泄漏量為：泄漏點1（壓差表儀表閥）0.045L/d、泄漏點2（壓力表儀表閥）0.016L/d、泄漏點4（壓力表儀表閥）0.4L/d，合計0.416L/d。

計算出值遠遠低于實際泄漏率，主要有以下幾個原因。

1. 由于上述位置為現象上的泄漏點，它來自探測范圍內部的內漏。因此上述位置的泄漏量偏低。
2. 由于泄漏位置的累積空間是使用膠帶和塑料袋臨時包裹，因此密封性不好，導致積累程度較低，測得數據偏小。
3. 實際泄漏形狀和面積難以估計，因此實際泄漏值是需要進行以下修正的^[8]：

（4）檢漏設備的參數修正是按照標準真空漏孔校準的。標準真空漏孔的泄漏率為Q₀（Pa·m?/s），對其進行測量得到的電壓參數凈增值U₀（mV）。在實際測量中，測量得到的電壓參數凈增值△U（mV），實際漏率Q（Pa·m?/s）要進行如下校準：

但是在正壓檢漏情況下，需要通過正壓檢漏孔進行校準^[9]。正壓檢漏孔不同于真空檢漏孔，它的漏率和漏孔兩側的壓力差有關。通過測量指定壓差下的標準容器內氣體壓力的變化量W（Pa·m?）、變化時間t（s）和電壓參數凈增值U₀（mV）。因此使用正壓檢漏時，需要在實際測量中得到的電壓參數凈增值△U（mV）進行如下修正：

3.4查漏后的泄漏情況

維修后重新計算泄漏率：主容器泄漏率為74L/d（A類不確定度為±0.0505%/d）。在考慮不確定度^[10]情況下滿足技術規格書的運行限值與條件。

4結論

本次檢漏后，主容器泄漏率顯著降低，說明探測出的泄漏位置是高價值泄漏點。同時根據泄漏探測和處理，得到以下結論。

（1）在進行氦氣正壓檢漏時，需要根據測量空間大小估算測量停留時間，保證不會因測量時間過短導致的遺漏。

（2）工藝間作為累積空間體積過大。因此采用包裹積累，是目前CEFR泄漏測量必須進行且十分重要的步驟，包裹質量將直接決定測量的結果。

（3）該方案中劃定的測量范圍取舍能夠滿足CEFR技術規格書泄漏率限值的要求。

（4）對于液態金屬凝固密封，需要定期進行重新加熱凝固，保證密封性，其周期以此次情況來看，不要超過2a為宜。

（5）本次測量得到的結果，測量范圍內氬氣外漏途徑均為儀表，并且存在內漏疊加外漏的情況。因此儀表閥的維護和檢修對于主容器泄漏率的影響很大。

（6）目前堆上應用氦氣正壓檢漏的使用更多提供定位功能、而非定量。后續應從測量原理和泄漏位置結構特征角度進行研究，量化測量數據與實際貢獻的修正參數。

綜上所述，此次工作在較短的時間（3個月）、幾乎沒有進行設備拆卸的情況下，有效查明并減少了CEFR主容器泄漏情況。此套檢漏思路和改進的測量方法可以作為CFR600后續運行中的參考方案。

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