钠水反应事故扩展研究

裴志勇，许业强 ，武志广

中国原子能科学研究院，北京 102413

钠水反应事故扩展研究

裴志勇，许业强 ，武志广

中国原子能科学研究院，北京 102413

钠水反应是一个复杂的反应过程，在钠水蒸汽发生器系统中引起的压力、温度等变化难以用数学模型准确的计算，国际上通过实验和理论计算结合的方法来进行钠水反应的研究。本文通过设计钠水反应事故氢离扩散及浓度分布确定试验来进行钠水反应事故扩展试验研究。氢离子扩散输运过程直接关系到氢探测器的布置方式，对氢计能否及时准确的发出钠泄漏警报有着重要的意义。

钠水；反应事故；扩展

1 试验设备设计及组成

1.1氢探测器

探测装置氢探测器采用新研制的一体化技术，取样支路、镍管传感器、加热器和电磁泵采用集成的方式组合成一个一体化的模块，直接焊接到钠回路上。镍管传感器后接高真空系统，真空系统及控制系统仍采用原扩散型氢计的原理进行设计制造。

1.2注氢设备

注氢是由模型蒸汽发生器顶部插入的注氢毛细管在蒸汽发生器的上部注入口注入的，由毛细管前小型球阀控制的，注入量是由质量流量控制器设定和控制的。

1.3钠回路

钠回路主要由主回路、净化回路、氩气回路和注射装置组成。主回路上有模型蒸汽发生器、膨胀罐、电磁泵、电加热器等，氢气由其顶部通过一注氢装置注入蒸汽发生器的中部或底部，试验装置流程原理图见图1。

图1　试验装置流程原理图

在试验开始前要对试验回路进行预热、充钠、钠净化等工作。在由储钠罐向主回路充钠前，整个回路、储钠罐和电磁泵先进行预热。在钠回路灌钠后，系统开始加热，并同时启动冷阱对钠进行净化。在一定的冷阱底部温度（此处为冷阱钠流出冷阱的地方，氢浓度也最低）下的钠温及经过一体化氢计的钠温稳定后，净化钠至氢计读数在半小时内不再变化的条件下，记录各个读数，此时钠中氢含量即钠流本底氢含量，即为相应冷阱底部温度下的饱和氢浓度。相应的探测系统读数则是该已知钠氢浓度下的氢计读数。在钠流经氢计时，同时记录钠回路参数和氢计探测系统读数。

2 钠水反应事故扩展过程试验方案

钠水反应是一个快速剧烈的化学反应，且与系统工况有着密切的联系，即根据钠温、压力、流量和泄漏率等参数的不同，钠水反应事故发展也不同。根据目前的工程经验，探测钠水反应事故必须采用探测反应产物氢离子作为事故报警手段，因此，必须研究事故扩展过程中氢离子的扩散及传输路线，以及氢离子浓度的空间分布，从而有目的的进行系统设计和探测装置的布置，保证探测系统的灵敏度、响应时间和有效性。完成SG事故保护系统钠水反应事故扩展过程研究，需要开展以下试验。

2.1氢离子扩散轨迹及其传输路线测量试验

系统预热结束后，在关闭冷阱的条件下，对系统回路进行注氢。此时，回路中的钠在冷阱净化效应下，氢浓度最低。

注氢通过前述质量流量控制器进行，先设定注氢流量，基本设定在0.1SL/min～0.3SL/min，注氢前先用高纯氩吹扫，确保注氢毛细管通畅；注氢时，打开质量流量控制器流量控制阀，当瞬时流量显示有流量时，打开注氢毛细管入口球阀，向模型蒸汽发生器注入氢，直至质量流量计显示累积流量达到设置值，关闭质量流量器流量控制阀，结束注氢；然后再用氩气吹扫，将注氢管路中的剩余氢吹扫进模型蒸汽发生器。与注氢球阀开启同时，开始计时，记录氢计在随后十几分钟的输出。

通过氢离子探测设备在不同位置测量钠水反应时氢离子的传输过程，确定钠水反应位置与监测点氢浓度关系。根据数值模拟结果调整测点位置，得出最佳测点布置方案。

2.2氢离子浓度的空间分布测量试验

重复上述注氢操作，改变注氢量，通过不同位置的探测装置监测氢离子浓度，同时记录钠温及钠流量参数，确定该工况下的氢离子浓度的空间分布。

根据注氢量的不同重复该试验，确定不同工况下的氢离子浓度的空间分布，兼顾氢离子扩散传输路线，优化探测装置布置方式，分析试验结果，从而得出蒸汽发生器事故保护系统钠水反应探测可靠性的实验依据。通过实验确定不同工况下金属钠中的氢饱和浓度，最终设定合理的报警阈值。

3 钠水反应探测稳定性试验

3.1探测系统测量结果不稳定性影响因素及其敏感性确定试验

根据上述试验数据，对不同工况下的小泄漏钠水反应的监测数据及系统结构进行分析，大致确定其测量结果不稳定性影响因素；再次通过小泄漏模拟试验，对钠水反应探测系统影响因素的敏感性进行确认，根据试验结果分别对探测装置的系统结构、仪表测量系统、信息采集及数据处理系统进行优化设计。根据试验结果对各影响因素进行权重分析，得到相应影响因素的修正数学模型，改变影响因素参数通过小泄漏实验对数据结果进行验证，以削弱或消除不稳定性影响。

3.2报警阈值确定试验

在一定钠温下，净化钠至氢计读数在半小时内不再变化的条件下，记录各个读数，此时钠中氢含量为钠流本底氢含量。改变钠温模拟二回路工艺系统工况，重新净化钠至氢计读数在半小时内不再变化的条件下，记录各个读数，此时钠中氢含量为该温度下钠流本底氢含量。多次重复测量本底氢含量，计算统计值及波动范围，确定探测装置报警理论值，结合注氢/注水试验及影响因素，确定不同工况下的报警值，根据钠水反应事故扩展过程试验结论布置监测装置，设定报警值，通过注氢/注水试验验证该报警值的合理性及探测系统的稳定性。

4 预期技术指标

通过小泄漏探测装置报警阈值确定试验，给出小泄漏探测装置探测信号处理结果误差及其修正系数，将小泄漏探测装置报警氢浓度阈值，与实际泄漏发生时的最小氢浓度值误差控制在±20%以内；通过探测系统测量结果不稳定性影响因素及其敏感性确定试验，使改进后的小泄漏探测装置，测量数据误差波动控制在±20%以内，小泄漏探测装置无故障连续运行时间不低于5 000h，小泄漏探测装置，从透氢镍管到信号的处理反馈输出时间不超过60s；通过钠水反应时氢离子扩散轨迹及其运输路线测量试验，和钠水反应时氢离子浓度的空间分布测量试验，将泄漏探测装置可靠度控制在90%以上。

5 结论

本文主要对钠水反应事故扩展研究试验方案进行初步分析和设计，阐述试验验证的必要性，在微小泄漏钠水反应发生时，氢计探测器的可靠性直接关系到氢计能否及时准确的发出钠泄漏警报，对于及时发现和联动事故保护系统具有很重要的意义。因此，要提高探测系统的可靠性，避免误报的发生，必须对探测装置进行可靠性验证，根据实验结果对探测系统进行校正改进。可靠性主要关注钠水反应探测的灵敏度和响应时间两方面，试验主要通过改变实验回路中氢离子浓度，并与装置探测获得的数值进行比较分析，从而确定探测装置探测结果的准确性以及设定合理的报警阈值。通过试验对比之前的理论分析，可以对设计进行更完善的验证，支持总体的设计方案。

O6-3

A

1674-6708（2016）171-0158-02

裴志勇，中国原子能科学研究院。许业强，中国原子能科学研究院。武志广，中国原子能科学研究院。