CEFR堆本体泄漏测量优化研究

戴浩

摘要：CEFR主容器泄漏率技术规格书中的一个硬性要求，对安全运行有着重要的意义。目前使用氦气作为示漏气体进行查漏。由于主容器本体结构复杂，连接系统多，以往的测量方案存在效率低、成本高的问题。在本次检漏中，从测量手法、范围等方面对以往方案进行优化，并且实践结果符合预期，主容器泄漏也得到有效抑制，为后续主容器维护查漏和CFER600大堆运行提供了一套可以借鉴的主容器检漏经验。

关键词：池式快堆密封边界  主容器泄漏率  正压检漏测量优化  检漏经验反馈

1任务背景

CEFR为国内首座池式钠冷快堆。反应堆主容器内充有110m?的高纯氩气和约250t液态金属钠。在反应堆运行期间，主容器内的氩气活化产生⁴¹Ar是放射性源项的重要组成部分，因此严格限制了氩气的泄漏率，CEFR对主容器泄漏率的限定值为100L/d。在每次重新启动反应堆前，都需要对主容器泄漏率进行测量。

首次大修后，因一回路压力边界比发生维修，对堆本体主容器泄漏率进行了计算：主容器气腔泄漏率为273L/d（远超限值，因此不考虑不确定度）。根据后续运行计划，需要尽快完成主容器检漏工作并将泄漏率恢复至运行限值以下，否则不能启动反应堆。

2 探测方法

氦质谱仪检漏是近几年发展起来并在航天、化工、核电等领域应用广泛的检漏手段，特点是灵敏度高、测量范围广、无残留等优点，其检测方式又大致分为真空氦检漏和正压氦检漏，特点如下表1所示^[1]。

CEFR主容器在钠温250℃下的气腔体积为104.3m?。这个体积包括了超压保护系统、换料机、主泵、中间热交换器的空间。系统氩气空间较大、结构较为复杂、接口多，难以适用真空检漏法，因此采用氦质谱仪正压检漏方法。

2.1探测原理

正压检漏主要原理如图1所示。

正压氦气检漏需向检漏容器充入不低于10%浓度的示踪气体^[2]，在经过一定时间的扩散后，使用检漏仪对可能泄漏的地方进行探查，从而对泄漏位置进行定位。

2.2泄漏位置定位

CEFR堆本体下部为堆容器，上部为旋转屏蔽塞，旋转屏蔽塞上安装换料机构和控制棒驱动机构等设备。钠泵及热交换器均布置在周围，多个氩气系统通过管线与主容器相连。其结构示意图见图2。

1. 大/小旋塞：锡铋合金凝固密封。
2. 一回路钠泵：安装位置焊接、转动部位的动静石墨环接触密封。
3. 动导管驱动机构：法兰密封。
4. 堆本体测量仪表：法兰+阀门密封。
5. 人孔和实验孔道：法兰密封。
6. 主容器密封塞：压紧密封。
7. 7个氩气系统通过管道和边界阀门与主容器内部直接相连。

2.3检漏方案

2.3.1堆本体部分

CEFR主容器的泄漏探测困难：（1）设备多数法兰均隐藏在设备内部，如需直接测量需要进行设备的拆卸;（2）多数系统和设备位置不易接近，如堆顶防护罩内、转运室等均属于三级控制区;（3）系统结构内部体积过大、结构复杂，检漏条件较常见的容器类严苛。需要制定检漏策略既保证不遗漏高价值的泄漏位置，又具备一定的可操作性、经济性和时效性。

2.3.2泄漏模式分析

导致主容器泄漏增加的形式有以下4种。

1. 系统的界阀门或边界阀门前的仪表外漏导致一回路氩气异常进入该阀门所在工艺间。如果在测量过程中发现有氦气指示，那么针对性地检查工艺间内的边界阀门或者边界阀门之前的测量仪表，是有可能获得有价值的测量结果。
2. 主容器边界阀门的内漏导致一回路氩气异常进入相连系统。如果只是边界阀门内漏，而相连系统不存在外漏的话，那么这种情况泄漏率的贡献不会很大。因为实质是增大了堆本体气腔，并且这种情况下的外部测量是得不到结果的。
3. 边界阀门内漏合并相连系统的仪表或设备外漏导致一回路氩气进入工艺间。从测量现象上预计会和情况1的测量现象一致。
4. 系统阀门内漏同时该系统与其他系统相连系统也存在内漏，导致一回路氩气进入更多的系统。但多道串聯的阀门同时内漏可能性不高，这种情况概率较低;同时，泄漏扩散太远、稀释严重，测量价值较低。

2.3.3探测范围改进

由于现场情况复杂，各个系统之间相连，潜在泄漏点分布广，需制定一个测量的策略：简化探测面积同时尽可能不遗漏潜在泄漏点，才能使得此项工作在合理的耗时内取得良好的进展，这个范围的划定遵循以下原则。（1）探测的范围能够尽可能不遗漏潜在的泄漏点。（2）超过这个范围进入其他系统的泄漏点对应系统阀门内漏同时该系统与其他系统相连系统也存在内漏的情况，探测价值不高且泄漏的可能性不大。（3）泄漏在这个范围内并不会造成主容器的压力持续下降：对应主容器边界阀门的内漏导致一回路氩气异常进入相连系统的情况，等同于增大主容器气腔体积。（4）这个范围外探测到的泄漏对应了系统的界阀门或边界阀门前的仪表外漏及边界阀门内漏合并相连系统的仪表或设备外漏的情况，能够粗定位，提高探测效率，并且通过对探测处的简单维修将泄漏情况变为主容器边界阀门的内漏导致一回路氩气异常进入相连系统的情况，以进行后续处理。

2.3.4氦气正压检漏方法现场探测改进

（1）主要困难。

第一，氦气正压检漏时，吸枪在大气环境下工作的。不同于真空检漏时真空环境，此时谱仪其实探测的是探测位置大气中的氦气。示踪气体被吸入到测量仪器内部这个过程中会被稀释。如上文所述，氦质谱仪的灵敏度为1×10^-7Pa·m?/s^[3]。而在氦气正压检漏时，由于泄漏扩散出来的氦气被稀释1×10⁵左右，因此气体浓度达到1×10^-3～1×10^-2Pa·m?/s时才有较好的结果^[4]。厂房控制区内氦气本底约为3.3×10^-7～4.1×10^-7Pa·m³/s。根据经验^[5]，如果不是某一处严重泄漏，而是多个点平均泄漏的话，现场探测结果预计在1×10^-4～1×10^-6Pa·m?/s数量级。因此需要设法提高探测位置的氦气分压，实现泄漏氦气的积累，才能达到较好的测量结果。

第二，由于正压检漏实际上是吸取检漏位置外部的环境气体。氦气从法兰或密封面中泄漏处扩散进大气，再通过吸枪进入测量空间，测量空间气体浓度提升需要一个候检时间^[6]，使得仪器测量部位的氦气分压逐渐从大气水平升高到泄漏处的实际水平。如果在探测位置停留候检时间不足，或吸枪在候检时移动，会导致无法取到平衡浓度的示踪气体，导致测量失效。

第三，对于人员进入风险较大、要进行大规模的拆卸的区域，暂不进行测量。

第四，对空间大、设置有环境通风的区域，需要根据工艺特点间接判断泄漏，无法采用氦气正压检漏。

（2）测量改进措施。

第一，由于测量范围内存在大量仪表和仪表阀，它们有的位于工艺间，有的位于走廊。根据经验^[5]，仪表的泄漏往往非常小（探测到过的仪表泄漏数值量级约10^-5-10^-6Pa·m?/s），采取外包塑料的方式对仪表和仪表阀进行包裹以提高泄漏位置的气体浓度。包裹的位置有仪表的入口仪表阀、仪表出口仪表阀和仪表本体，在经过扩散后对塑料袋内部包裹范围进行测量。

第二，测量时扩散空间体积为V，大气分压为，测量位置泄漏率为。那么扩散时间内，通过泄漏进测量空间内的氦气为，这部分氦气一部分会留在测量空间中使其中氦气分压升高，量为;一部分会随着被挤出测量空间的空气一起逃出，量为因此我们可以得到：

得到：

达到10^-6Pa·m³/s即可判定为泄漏点^[5];

=10⁵Pa，可探测的最小泄漏量对应的分压=10^-6;

测量处泄漏率，假设271L/D的泄漏量全部集中在一处，并且被稀释10⁵倍左右，因此3.15×10^-5Pa·m³/s;

为测量空间体积。吸枪软管长度为30m，内径为φ4;

最终的得到：

3.72s。

此参数主要受、和的影响。本次测量中，前两项参数均为经验参数，因此V的不同导致待检时间不同，理论上不同位置的待检时间如表2所示.

对于包裹部位测量是本次测量的主要目标。测量时停留时间至少需要2min，并且不能移动^[7];而对于大空间环境，该测量方式不具备可实施性。因此，对于有泄漏风险但氦气正压测量实时困难的区域，根据区域气氛维持的特性，采取单独的测量方式：（1）对于有维持压力需求的区域，采取测量充气的量进行泄漏查找;（2）对于采用液态金属凝固密封的位置，采取融化的方式检查在融化状态下泄漏情况，反推凝固时是否存在泄漏。

3现场实施

3.1测量准备

测量前对测量范围内手动阀进行人工关紧确认。而对电动阀门，内漏情况下的手动关紧只会掩盖它的问题。因此没有对电动阀门进行手动关紧操作，希望能够暴露问题以便进行维修。

3.2查漏实施

为了确保测量的有效性，示踪氦气的注入浓度从10%提高至15%，并且充气完成后，系统静置4h后开始测量。最终测量得到的泄漏数据见表3。

除上表中的内容外，其他之前列出的位置读数均为本底水平（10^-7Pa·m?/s）。因此，优先处理已测到的泄漏位置并计算泄漏情况后，根据结果决定是否对未测出区域进行二次檢漏。

3.3泄漏测量结果分析

经计算，上述泄漏位置的测量数据对应的泄漏量为：泄漏点1（压差表仪表阀）0.045L/d、泄漏点2（压力表仪表阀）0.016L/d、泄漏点4（压力表仪表阀）0.4L/d，合计0.416L/d。

计算出值远远低于实际泄漏率，主要有以下几个原因。

1. 由于上述位置为现象上的泄漏点，它来自探测范围内部的内漏。因此上述位置的泄漏量偏低。
2. 由于泄漏位置的累积空间是使用胶带和塑料袋临时包裹，因此密封性不好，导致积累程度较低，测得数据偏小。
3. 实际泄漏形状和面积难以估计，因此实际泄漏值是需要进行以下修正的^[8]：

（4）检漏设备的参数修正是按照标准真空漏孔校准的。标准真空漏孔的泄漏率为Q₀（Pa·m?/s），对其进行测量得到的电压参数净增值U₀（mV）。在实际测量中，测量得到的电压参数净增值△U（mV），实际漏率Q（Pa·m?/s）要进行如下校准：

但是在正压检漏情况下，需要通过正压检漏孔进行校准^[9]。正压检漏孔不同于真空检漏孔，它的漏率和漏孔两侧的压力差有关。通过测量指定压差下的标准容器内气体压力的变化量W（Pa·m?）、变化时间t（s）和电压参数净增值U₀（mV）。因此使用正压检漏时，需要在实际测量中得到的电压参数净增值△U（mV）进行如下修正：

3.4查漏后的泄漏情况

维修后重新计算泄漏率：主容器泄漏率为74L/d（A类不确定度为±0.0505%/d）。在考虑不确定度^[10]情况下满足技术规格书的运行限值与条件。

4结论

本次检漏后，主容器泄漏率显著降低，说明探测出的泄漏位置是高价值泄漏点。同时根据泄漏探测和处理，得到以下结论。

（1）在进行氦气正压检漏时，需要根据测量空间大小估算测量停留时间，保证不会因测量时间过短导致的遗漏。

（2）工艺间作为累积空间体积过大。因此采用包裹积累，是目前CEFR泄漏测量必须进行且十分重要的步骤，包裹质量将直接决定测量的结果。

（3）该方案中划定的测量范围取舍能够满足CEFR技术规格书泄漏率限值的要求。

（4）对于液态金属凝固密封，需要定期进行重新加热凝固，保证密封性，其周期以此次情况来看，不要超过2a为宜。

（5）本次测量得到的结果，测量范围内氩气外漏途径均为仪表，并且存在内漏叠加外漏的情况。因此仪表阀的维护和检修对于主容器泄漏率的影响很大。

（6）目前堆上应用氦气正压检漏的使用更多提供定位功能、而非定量。后续应从测量原理和泄漏位置结构特征角度进行研究，量化测量数据与实际贡献的修正参数。

综上所述，此次工作在较短的时间（3个月）、几乎没有进行设备拆卸的情况下，有效查明并减少了CEFR主容器泄漏情况。此套检漏思路和改进的测量方法可以作为CFR600后续运行中的参考方案。

参考文献

• 窦威，杨定魁，崔寓淏，等.包装箱正压环境下航天器总漏率检测技术[J].航天器环境工程，2018，35（5）：483-487.
• 江翠翠，王佐勋.氦气示踪检测法在气密性检测系统中的应用[J].齐鲁工业大学学报，2020，34（3）：74-80.
• 郗运富.氦质谱吸枪积累检漏法在压力容器中的应用[J].化工设计通讯，2021，47（11）：96-97.
• 郭君强，梁进忠，李树德.氦质谱正压检漏[J].航天工艺，1995（2）：34-37.
• 高继宁，王学新.解决堆本体泄漏率过高方法研究[J].中国原子能科学研究院年报，2012，15-16.
• 赵敏，毛立政.核电厂常规岛氦气泄漏检测的反应时间[J].无损检测，2020，42（1）：75-77.
• 李博，侯德峰，王晓冬，等.多口分子泵中检口位置对氦质谱检漏仪性能的影响研究[J].真空，2021，58（6）：1-7.
• 李明蓬.正压氦检漏的几个技术问题[J].导弹与航天运载技術，1993（4）：9-10，66-70.
• 刘波，丁立莉，张蕾.正压漏孔校准装置性能研究[J].真空与低温，2018，24（3）：162-166.
• 李宏宇，张静，彭光东，等.航天器推进系统漏率测试不确定度评定[J].真空科学与技术学报，2020，40（7）：625-629.