真空系统在钠冷快堆中的应用

2021-04-15朱桓君杜丽岩牛志新

科技视界 2021年7期

朱桓君杜丽岩牛志新

（1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.中核战略规划研究总院，北京 100048）

0 引言

目前，快堆中气体系统分为氩气接收系统、氩气分配系统和真空系统，通过三个系统之间的补气、抽气和置换满足进钠气体品质需要。真空系统主要是在启动调试期间，设备和系统充填惰性气体之前，对设备和系统进行真空处理，使系统达到中等深度的真空。在设备和系统检修后，设备和系统充填惰性气体之前，对设备和系统进行真空处理。真空系统的优劣，直接影响到充钠的质量。因此，合理和优化的真空系统设计是确保钠回路正常工作和安全运行的必备条件。

1 钠冷快堆中的真空系统

钠冷快堆中共有四个真空系统：堆本体真空系统、一回路辅助系统的真空系统、二回路辅助系统的真空系统、氩气系统的移动式真空系统。本文以二回路辅助系统的真空系统为例，简要介绍真空技术在快堆中的应用。

1.1 系统组成

二回路辅助系统的真空系统是由油封式机械真空泵、电磁真空放气阀、高真空不锈钢压力球阀、蒸汽捕集器、油分离器、管道测量组件—精密压力表、快速接头以及用户（被抽容器）等组成。

真空泵是真空系统重要设备之一，是确保系统正常工作和安全工作的必备条件，也是获得真空和满足用户工艺条件要求的关键设备。

蒸汽捕集器捕集油封机械在真空泵抽气时返回到被抽容器的油蒸汽和系统中其他的可凝性气体，它置于机械真空的抽气与被抽容器之间，以防止和极大减少油封机械真空泵油的蒸汽进入被抽容器，同时也将冷凝捕集水蒸汽等可凝性气体，提高真空系统的真空度。

油分离器用于真空系统的油封机械真空泵排气口、真空泵排出的气体经油分离器后大部分油蒸汽被阻挡在容器中，空气则排入大气，用以防止或减少被排气体通过真空泵时将油滴和油蒸汽带入大气中，从而减少真空系统对环境的污染。

真空管道设计时尽量做到短、粗、少拐弯、流导大、导管与机械真空泵入口管径一致。

1.2 上游系统

根据钠冷快堆中涉钠系统的划分，考虑放射性、安全级和上游系统需求，确定二回路辅助系统的真空系统的用户为：二回路钠充排系统、二回路主冷却系统、蒸汽发生器事故保护系统、二回路氩气分配系统、二回路钠净化系统、设备预热系统。由于设备的接管只有一个气体接管，因此真空系统与氩气系统共用一个接管给被抽用户充排气。考虑实际使用情况，通常真空系统与设备无实体接口，通过氩气管道给被抽用户抽真空。总体而言，快堆工程的真空系统的上游用户多、上游用户内的设备大、管道长，因此在设计真空系统时，应充分考虑上述特点。

1.3 系统描述

本系统机械真空泵工作时，由供水系统供应冷却水，对泵进行冷却，由供电系统提供所需的电力。

当用户(被抽容器)需要排气时，合电源，送冷却水，开机械真空泵、通过管道、阀门、蒸汽捕集器、油分离器把气体从被抽容器中抽出，排到特排系统，经过较长时间的抽气(依工艺条件要求而定)最终达到被抽容器对真空度的要求。

本系统抽真空时，逐个给上游系统抽，根据上游系统需求，共分为15 个支路。

1.4 真空系统调试

真空系统在投入运行前需进行系统调试，使系统在最佳状态下最有效地把特定被抽容器中的气体压强在要求的时间内降至所需程度，保证系统运行安全可靠并具有高效的性能。

在调试前真空系统处在清洁、干燥、密封、常温、常压状态，系统内各处压强相等没有气体流动，系统应和被抽容器（用户）隔离，自成封闭独立系统，系统安装的质量应符合设计及工艺要求，装配完整，所有系统设备经单体调试性能合格，同时排气系统畅通。还需要进行以下步骤。

1.4.1 系统密封性试验——检漏

检漏其目的是检验整个真空系统的密封性，包括管道、阀门、法兰连接处、焊缝处、测量元件接口处、快速接头连接处等。

为了检验系统整体的密封性能，采用测量在预定抽成真空的系统中泄漏气体的方法，这个方法广泛地应用于反应堆工程中，因为它测量真空简单、时间短暂。将被检系统抽真空后，关闭阀门使系统与泵隔离，然后用真空规测量系统的压强变化，从而可以算出总漏率，为了使静态检漏迅速可靠在抽真空前对系统管道内表面应进行吹扫清洗、干燥及真空卫生工作，有条件的话，可以对系统管道加热去气。

在调试中检漏，为了便于找到漏孔位置，通常采用分段检漏的方法，即通过真空阀门把系统分成几段，逐段进行检漏，发现漏孔及时消除，如果系统的总漏率超过允许漏率时，用静态升压法和真空计法，氦质谱检漏仪法等方法找出漏孔确切位置及时修补，直到真空度、漏气率达到设计指标，完全合格为止。

1.4.2 系统极限压强的调试——抽极限真空度

极限真空度是真空系统和设备所能达到的最高真空度，它是检验真空应用设备中真空机组的抽气能力、设备的虚漏和最大漏率的一项重要指标。为了检测系统的极限真空度，真空泵经过长时间对系统进行抽气，用真空计测量的方法，将真空计规管装在真空系统上，尽可能位于远离泵口处的测量点上，按操作规程开动真空泵及有关阀门，当机械真空系统运行几十分钟后，启动真空计进行压强及极限压强测量。真空系统必须为被抽容器（用户）提供高于所需真空度半个到一个数量级的真空度。

1.5 真空系统排气工艺

首先应将回路进行干燥，在干燥的过程中除去湿气和易挥发的物质（油、溶剂等），以便保证测量结果的正确性，然后进行容器抽真空，达到真空度。

充氩置换排气和充氩加热排气是缩短排气时间有效的方法，可以大大缩短高压强下排气时间，利用氩气的置换作用使材料表面吸附的大量水蒸汽分子脱附骤增，水汽与空气一起被泵抽除，当重新充入一个大气压的氩气分子部分地吸附在表面上，占据了水分子的位置，从而降低了水分子吸附概率，增加了空间中的分子数，氩气分子置换了水分子，从而加速被抽除，充入的氩气必须是干燥氩气，充入后等待一定时间以充满容器空间，然后再抽空，为了缩短抽空时间采用下述几种方法都是有效的：（1）抽空置换；（2）氩气冲洗吹扫除去水蒸汽和其他气体；（3）压力吹除置换；（4）加温清洗吹除置换。

同时，快堆工程真空系统管道长、分支多、被抽容积大、用户多，因此真空系统需要较长时间的工作才能达到理想的真空度。