中国实验快堆涉钠设备冷阱在线更换全景扫描
崔国生+董康乐+杨建伟+吴宏岩+张媛媛
【摘 要】中国实验快堆以钠作为冷却剂，钠是活泼金属，与空气易发生猛烈的化学反应，能够及早发现钠泄漏是控制漏钠事故的前提条件。中国实验快堆主要采用接触式钠泄漏探测技术和氢含量探测技术来探测钠泄漏，同时通过钠的液位、流量及工艺间环境参数等手段间接判断是否存在钠泄漏，这些探测技术对后续建设的钠冷快堆和钠回路钠泄漏探测设计有具有一定的指导意义。
【关键词】快堆； 钠； 泄漏探测器
【Abstract】The coolant of China experimental fast reactor （CEFR） is sodium. Due to the highly chemically active nature of sodium and its reaction with air， the detection of sodium leakage in time plays an important role in guaranting against the accident. Based on the electrical conductivity of sodium and the principle of sodium water reaction， two methods of leakage detection are adopted in CEFR. Besides， the monitorings of sodium level ， flow and environmental parameters are applied to fulfill the sodium leakage detection indirectly. The technologies presented have a certain guiding significance for practical engineering design of sodium leakage detection in sodium cooled fast reactor and sodium loops in future.
【Key words】Fast reactor； Sodium； Leak detector
0 引言
中国实验快堆（CEFR）以液态金属钠作为冷却剂，但钠是活泼金属，会与水发生猛烈地化学反应，高温液态钠在空气中能够燃烧。在构成反应堆冷却剂边界的机械设备和管道中，需要设置钠泄漏探测器，以便尽早发现钠泄漏的部位，并采取相应措施以控制漏钠事故的影响。
1 接触式钠泄漏探测技术
CEFR 设有一回路和二回路冷却剂系统，一、二回路管道和设备采用接触式钠泄漏探测器来探测钠泄漏。接触式钠泄漏探测器是基于钠的导电性设计的，根据使用场合的不同，可分为单点接触式钠泄漏探测器和分布接触式钠泄漏探测器两种，单点接触式钠泄漏探测器依靠其探头头部被钠短路的原理来探测钠泄漏，分布接触式钠泄漏探测器依靠其由陶瓷绝缘子间隔的2根不锈钢丝被钠短路来探测钠泄漏。这两种型式的钠泄漏探测器探测灵敏度为0.1cm3 的液态钠，无惯性响应。这两种钠泄漏探测器已在国外及其他快堆和钠回路中广泛使用。
1.1 分布接触式钠泄漏探测器
探测单层钠管道、钠泵、容器、钠阀阀体等设备的钠泄漏采用分布接触式钠探测器。其特点是安装灵活，不管设备是什么样的形状，不管大小，不管位置，不管长短，分布接触式钠泄漏探测器都可以牢固的附在设备的表面上；检查方便，因该探测器一端通过接线端子与监控系统相连，另一端也有一个接线端子，这个接线端子是专供检查用的，在正常情况下，两根不锈钢丝之间的阻值>1 MΩ。其结构组成如图1所示
对于水平钠管道，探测器顺着钠管道下沿安装。对于竖直管道，可采用螺旋方式布置探测器。当遇到电加热元件时，把1型绝缘子反扣在电加热元件上。现场安装时需注意防止不锈钢丝受到油污，绝缘子之间应紧密安装。安装时探测器两端的接线端子应露在保温层外面，一端用于连接信号电缆，另一端用于现场定期检验。用热缩塑料管保护接线端子。
1.2 单点接触式钠泄漏探测器
探测带夹层的钠设备及双层管道的钠泄漏，采用单点接触式钠泄漏探测器，图2为双层管道钠泄漏探测器安装图。该探测器具有结构简单，可靠性高，维修性好的特点，探测器安装在带有接头的接管内，该接管插入到外管内，其接管头部离外层管内壁还有约1mm的距离，以便钠能漏到接管里。探测器须安装在在管道的最低处。
2 氢含量监测钠泄漏
在蒸汽发生器中，一次侧流过的介质为高温液态钠，二次侧流过的介质为水，水的压力要高于钠，若换热管发生泄漏，高压侧的水会泄漏到钠中，钠与水发生的反应为[1]
Na（固）+H2O（液）→NaOH（固）+1/2H2 ΔH=-33.67 kcal/mole
Na（液）+H2O（液）→NaOH（固）+1/2H2 ΔH=-35.2 kcal/mole
Na（液）+H2O（汽）→NaOH（固）+1/2H2 ΔH=-45.7 kcal/mole
2Na（固）+H2O（液）→Na2OH（固）+1/2H2 ΔH=-31.05 kcal/mole
1983海牙快堆蒸汽发生器会议把泄漏范围分为4级：微泄漏、小泄漏、中泄漏和大泄漏[2]，这种划分方法已被广泛采用，CEFR泄漏率等级划分如表1所示
2.1微、小泄漏探測
CEFR采用电化学氢计和扩散型氢计两种氢计来探测微泄漏，用钠中气泡噪声探测器探测小泄漏。为保证测量的可靠性和有效性，根据重要程度不同，蒸发器出口钠流中、蒸发器上部溢流管钠流中、钠缓冲罐气体中都分别安装了电化学和扩散型两种氢计，一级事故排放罐气体中安装了电化学氢计，过热器上部溢流管中只安装了扩散型氢计。在蒸汽发生器上部溢流管和过热器的上部溢流管安装了钠中气泡噪声探测器。
图3为扩散型氢计原理图[3]，扩散型氢计是根据氢通过镍的扩散渗透原理工作的。它以薄壁镍管作为传感器，镍管既能够渗透氢，又能够与液态钠相容，传感器的一侧与蒸汽发生器或过热器的钠与氩气相连，另一侧与真空系统相接。当水/水蒸气泄漏时，钠水反应生成氢气和氢离子，钠和氩气中的氢浓度增加，氢便通过镍管扩散至真空系统，这样真空系统中的氢分压升高，与高真空系统相连的离子泵可以探测到氢分压的变化，从而得知泄漏及泄漏率的大小，该扩散型氢计灵敏度达到0.05ppm。
图4为钠中气泡噪声探测器传感器结构图，钠中气泡噪声探测器主要由一次传感器、二次仪表两部分组成，液态金属钠流经紊流发生器4后形成涡流，当流体在垂直于磁场的钠管道中流动时切割磁力线，在与钠运动方向和磁力线方向相垂直的两电极3上产生感应电动势，当钠中有氢气气泡时，流经紊流发生器后形成的涡流感应产生信号的频率和振幅不同；二次仪表一次传感器的输出信号进行频谱的处理分析，将噪声信号从本底信号中提取出来，得到本底信号和噪声信号的功率谱密度比值，通过与设定的阈值进行比较，判断是否给出蒸汽發生器泄漏的报警信号。
2.2 中大泄漏探测
随着可能的钠水反应事故扩大，发生传热管断裂那样的大量中、大水泄漏时，短时间内会产生大量的氢气，蒸汽发生器内压急剧上升，主要采用缓冲罐覆盖气体压力变送器、缓冲罐液位计及二回路流量计来判断该泄漏。
3 钠液位监测钠泄漏
在CEFR的贮钠容器中，全部装有钠液位计。通过这些液位计，能够确定容器内的钠容量，并以此判断是否存在钠泄漏。
在主容器中安装有3 支电感式钠液位计，能够确定主容器内的钠容量，并以此判断主容器的钠泄漏量或二回路钠由中间热交换器泄漏入主容器的量。
在事故余热排放系统的两台空气热交换器膨胀罐中各安装有1 支电感式钠液位计，能够确定事故余热排放通道二次侧的钠容量，并以此判断二次侧是否存在钠泄漏。
在二回路的钠缓冲罐中各安装有2 支电感式钠液位计和6 台压力变送器，这些过程量的变化，能确定蒸汽发生器系统的钠容量，同时作为判断蒸汽发生器发生大泄漏或小泄漏的依据。
4 钠火产物监测钠泄漏
钠在空气中会燃烧，着火点依赖于空气的湿度，一般在140-340℃之间，如果是喷雾，可能在120℃时起燃。钠火是放热反应[1]；
2Na（液）+1/2O2→Na2O（固） ΔH=-99.4 kcal/mole
2Na（液）+O2→Na2O2（固） ΔH=-122.1 kcal/mole
因此，在钠工艺间内可通过测量环境的温度、压力来辅助判断工艺间内是否存在钠泄漏。CEFR在重要的钠工艺间设置了温度变送器和压力变送器。
5 结束语
作为快堆冷却剂边界的设备和管道均遵循核安全的纵深防御的原则来设计，且容器、管道都采用符合标准、经过验证的材料，制造也遵循核级标准，但作为监测钠泄漏的泄漏探测仍是必须的，对于绝大多数的场合，接触式钠泄漏探测器是最简单有效的，并可通过液位及环境的温度和压力等参数判断是否有钠泄漏。对于蒸汽发生器泄漏探测，针对微小泄漏主要采用扩散型氢计和气泡噪声探测器来探测；针对中大泄漏，则通过压力、液位、流量等参数的变化进行综合判断。
【参考文献】
[1]三木良平.高速增值炉[R].日刊工业新闻社，昭和47年：21-22.
[2]proceeding of the topical meeting on LMFBR STEAM GENERATORS[C]，//Hague Netherlands，1983.
[3]罗锐.中国试验快堆用小型氢计设计说明书[R].清华大学.2008.3.
[责任编辑：朱丽娜]
