钠冷快堆蒸汽发生器受控钠水反应试验研究

2021-04-22杜丽岩牛志新

科技经济导刊 2021年10期

侯斌，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）

1.钠冷快堆蒸汽发生器受控钠水反应试验研究背景

快中子反应堆（简称：快堆）是以快中子（约0.1MeV以上）维持链式裂变反应的核能装置总称。发展快堆及其闭合燃料循环能够有效利用核资源，嬗变长寿命放射性核素，更有利于保障核安全。新世纪以来，能源的快速发展和环境压力使得核能再次成为国际热点，国际上快堆的发展已被纳入先进核能系统体系。2000年，美国、法国、日本、英国等国家组建了第四代核能系统国际论坛，提出“推动世界核能可持续发展，实现当前乏燃料中高放废物最小化，促进核不扩散”的第四代核能系统目标。在建议的六种第四代先进核能系统中，有三种是快中子反应堆，即钠冷快堆（SFR）、铅冷快堆（LFR）和气冷快堆（GFR），其中技术最成熟、最接近工业化的是钠冷快堆。

2000年，国际原子能机构（IAEA）发起下一代先进核能系统的国际研发项目“创新型反应堆和燃料循环国际计划”（INPRO）。目前已有二十几个成员国，我国也是成员国之一。该计划在目前阶段主要开展基于快堆及其闭式燃料循环的联合评价研究，主要是评价快堆及基于快堆的燃料循环对核能可持续发展的作用，并拟在下一阶段开展以快堆技术为主的合作研发。

早在20世纪60年代中期，前二机部北京194所（中国原子能科学研究院反应堆工程研究设计所的前身）组织了约50人的科研队伍开始进行快堆技术基础研究。1987年起，快堆技术发展纳入国家863高技术计划，成为该计划能源领域的一个重大项目。从1992年中国实验快堆项目得到国家批准开始，我国快堆技术的研发进入了以中国实验快堆工程为直接牵引的CEFR工程研究、试验鉴定、设计和建造阶段。2010年7月21日9时50分，中国实验快堆成功达到首次临界，树立了我国快堆发展的一座里程碑。2014年CEFR实现满功率运行72h，标志着我国全面掌握了快堆设计、建造、调试、运行的核心技术，为后续快堆技术的发展、快堆产业应用以及基于快堆及核燃料循环技术发展打下了坚实的基础。我国快堆实施“实验快堆-示范快堆-商用快堆”三步走的发展战略。

钠冷快堆是推荐的6种第Ⅳ代先进核能系统堆型中的一种，在全世界范围内建设过18座，电功率从200 kW的实验快堆到1200 MW大型商业示范快堆，总共积累了约400堆年的运行经验。液态金属钠一直被认为是快中子增殖反应堆的理想冷却剂。液钠有熔点低、沸点高、热导率高、比重小、黏性小以及阻力小等优点，但液钠的化学性质非常活泼，在运行温度下易与空气、水等物质发生反应。

中国快堆采用的是钠-钠-水三个回路。堆芯产生的热量由一回路通过中间热交换器传递给二回路，再由蒸汽发生器把热量传递给三回路。蒸汽发生器（图1）位于二回路与三回路的交接处，高温高压的水/蒸汽在蒸汽发生器传热管内侧流动，高温液态钠在传热管外侧流动。传热管的数目比较庞大，实际的制造、加工及材料等各个方面微小缺陷都可能导致泄漏的产生，从而引发生钠水反应事故。当小泄漏钠水反应得不到有效的监测和控制时，便扩展为大泄漏钠水反应。大泄漏钠水反应是一种瞬时反应，反应所产生的氢气会严重影响钠的流动，导致蒸汽发生器内的压力急剧上升。压力可以通过二回路波及到中间热交换器导致其结构失效，这样，一回路中带放射性的钠就会与二回路的钠相混合，使二回路各部分遭到放射性污染。确保钠和水/蒸汽之间边界的完整性、可靠性是蒸汽发生器设计工作的重要组成部分和蒸汽发生器安全分析的重要内容。因此，需要在建设的快堆综合性的钠水反应试验台架上开展蒸汽发生器事故保护系统设计验证试验。并在此基础上，对系统的探测方案、保护控制逻辑及模块隔离方案进行优化改进，最终完成快堆多模块蒸汽发生器事故保护系统的设计。

图1 钠冷快堆蒸汽发生器钠水反应示意图

2.钠冷快堆蒸汽发生器受控钠水反应试验研究方法

本研究利用理论分析与实验相结合的研究方法开展钠冷快堆蒸汽发生器受控钠水反应试验研究。前期，通过理论计算预先分析多模块蒸汽发生器事故保护系统氢气及压力波分布情况。后期，在实验台架上分别开展了小钠水反应和大钠水反应，利用获得的实验数据和理论计算结果进行分析验证，从而优化多模块蒸汽发生器钠水反应事故保护系统设计，完善多模块蒸汽发生器钠水反应事故保护系统试验技术和试验方法，为完成多模块蒸汽发生器钠水反应事故保护系统的设计奠定必要的基础。

3.钠冷快堆蒸汽发生器受控钠水反应试验研究主要成果

3.1 建立了钠水反应试验研究方法

考虑到建造并开展与快堆钠水反应事故保护系统完全相同的模型台架在经济性、工程实施性等方面的限制，模拟试验一般选择在合理的比例模化试验容器上进行。由于结构和流体物性的差异，实际上很难在原型样机中完全复制快堆蒸汽发生器原型的特征时间比集合，也就是说，原型样机是不可能全部精确地模化所有输运过程。因此，该项目采用模化分析的方法，建立了快堆钠水反应事故保护系统的比例分析模型，经过模化分析论证，获得了钠水反应事故保护系统的模化参数，在此基础上展开钠水反应试验装置的系统设计，并为后期数据分析提供理论支撑，建立了一套完善的钠水反应试验研究方法。

3.2 建立了涉钠定量注水系统

在试验装置的系统设计中，根据原型堆的特点需设置模拟三回路的注水系统、模拟蒸汽发生器的钠水反应容器以及模拟换热管泄漏的爆破组件。为了实现受控的钠水反应试验，在试验装置的设计中，既要提供三回路水侧的高温高压水，又要实现定量注水和精准爆破，为此该项目攻克了以下关键技术：一是涉钠高温高压注水系统设计。注水系统是用于加热水介质的温度以及控制高温、高压水/蒸汽注入钠水反应容器的速率。在注水系统的工艺流程设计过程中，通过设计注水罐和储水罐分离实现了注水总量可控。此外，设置了氩气环路辅助电加热器，使注水罐内水达到预设温度和压力，设置双道电磁隔离阀实现了多重隔离。二是微孔爆破组件结构设计，实现精准爆破。在换热管上设置了孔板模拟泄漏口以模拟换热管破裂，在孔板前设置爆破片实现了钠水隔离，在爆破片与孔板之间设置了引压管以检测爆破起始点，最后将爆破片组件通过三通焊接在换热管预设爆破位置。为了实现微小泄漏，孔板的加工制造精度达到0.1mm以下，采用了国内先进的激光打孔技术；为了保证爆破片在设定温度和压力下爆破，对组装后的爆破片组件进行有限元分析和爆破试验，确保爆破片在预设温度和压力下爆破，同时实现微孔级泄漏模拟实验。三是微孔泄漏率标定，实现定量注水。针对不同泄漏率下的钠水反应，需要匹配不同大小的限流孔板。由于蒸汽发生器水侧为高温高压水/蒸汽，当水泄漏进钠侧会发生两相临界流，需结合两相流计算不同泄漏率下的孔板孔径。完成高精度激光打孔之后，通过临界流泄漏率试验对孔径进行了标定，从而实现了注水试验的定量注水。

3.3 综合性钠水反应试验台架的设计、建造、调试及运行

钠水反应试验装置主要包括钠水反应实验大厅、钠水反应控制间、钠水反应监测间、钠水反应设备维修间等。钠设备及钠回路等试验台架都布置在钠水反应实验大厅，仪表、电气控制等设备布置在钠水反应控制间，而氢计等远传信号布置在钠水反应监测间，用来监测钠水反应信号数据。该台架现已完成设计、建造、调试及运行，为后期进一步开展更大规模的钠水反应研究积累了宝贵的经验。

3.4 开展了蒸汽发生器受控钠水反应试验，获得了氢在钠回路的迁移曲线

项目进行的钠水反应试验实现了国内蒸汽发生器钠水反应试验零的突破，获得了钠水反应后氢气在高温钠回路中迁移特性曲线，数据完全符合设计预期。

3.5 验证了氢计的综合性能、微小泄漏氢计布置方案及报警阈值的合理性

钠冷快堆蒸汽发生器发生微小泄漏时尽早探测到微小泄漏，在微小泄漏发展成中大泄漏之前采取必要的安全措施，是保证蒸汽发生器安全运行的关键。氢计作为钠冷快堆微小泄漏的重要探测手段，其综合性能的高低，直接影响到蒸汽发生器的安全运行。该项目在钠回路的不同位置分别布置钠中氢计和气中氢计，当发生钠水反应时，沿着氢气的扩散轨迹，不同位置的氢计探测到的氢浓度不同，响应时间也不同。此次小钠水反应试验一方面验证了氢计的综合性能，另一方面验证了氢计的布置方案和报警阈值设计的合理性。在实现我国氢计研发自主化的同时，为快堆微小泄漏下氢计的布置方案、报警阈值及事故信号提供了可靠方案。