HTR-10放射性石墨粉尘取样回路中过滤元件的效率研究

皮 月，谢 锋，曹建主，C.Chadwick

（1.清华大学 核能与新能源技术研究院 先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084；2.中国核电工程有限公司，北京 100840；3.Porvair Filtration Group，Hampshire PO15 5RT United Kingdom）

10 MW 高温气冷实验堆（HTR-10）采用包覆颗粒球形燃料元件，并采用多次通过堆芯的燃料循环方式，燃料球相互之间以及与其他石墨构件发生摩擦磨损，也会与燃料装卸系统管道壁发生摩擦，产生石墨粉尘。石墨粉尘可吸附固体裂变核素，形成放射性气溶胶，给设备的维护和检修等带来困难，并可能影响反应堆安全正常运行。HTR-10中石墨粉尘基于体积和体积平方模型的计算结果［1-2］表明，氦气流中石墨粉尘的体积绝大部分小于1μm3，且石墨粉尘在氦气流中的滞留时间较短，凝并现象并不严重。当石墨粉尘的产生速率与其沉积速率达到动态平衡时，氦气中的石墨颗粒浓度将基本保持不变。这时氦气中携带的石墨粉尘量估算为1.84～7.35μg／m3（标准状态），与德国球床式石墨反应堆AVR 的5μg／m3（标准状态）接近［3］。

为对一回路氦气中放射性石墨粉尘进行取样分析，在HTR-10 中建造了一条实验回路［4-5］，核心部件为一可拆卸的取样过滤器，在其内部连续放置了一系列能承受高温以及辐照环境的圆盘式高性能烧结金属粉末过滤元件。本文研究分析所采用过滤元件的压降特征、表面结构以及基本过滤机理，对过滤元件的过滤效率随粉尘粒径变化的规律进行数值模拟计算。设计并搭建实验平台对过滤元件的过滤效率随粉尘粒径的变化情况进行测量，并与数值计算结果进行对比。研究结论将对即将进行的HTR-10一回路放射性石墨粉尘取样测量的实验研究分析提供重要基础。

1 圆盘式烧结金属粉末过滤元件

烧结金属粉末多孔材料一般是由球状或不规则形状的金属或合金粉末经成形与烧结制成的［6］。烧结多孔金属过滤材料具有良好均匀的透气性，保证了可靠的过滤性能、有效的反吹清洁能力和较长的使用寿命，可有效经济地应用于对压力、高温和外界环境敏感的工作状况。选择适当的孔径尺寸、强度和耐腐蚀能力的过滤材料能使过滤器长期运转且能高效去除微粒。HTR-10一回路放射性石墨粉尘取样回路所采用的不锈钢烧结金属粉末过滤元件性能参数列于表1。

型号 气泡点压力／Pa 最大孔径／μm 相对透气系数／（m3·h-1·kPa-1·m-2） 耐压破坏强度／MPa FSD01 14 600～17 500 5.3～6.3 8.47～10.0 3.20 FSD03 8 130～9 470 9.7～11 22.3～25.6 3.20 FSD05 5 680～6 310 15～16 39.9～44.4 3.20 FSD10 3 820～4 010 23～24 95.8～101 3.20 FSD20 2 550～2 660 35～37 157～169 3.20 FSD50 2 010～2 090 44～46 183～208 2.52 FSD80 1 300～1 510 61～71 386～402 2.52

烧结金属粉末过滤元件的直径均为70mm，厚度2.5～3.0 mm。其中过滤元件型号是根据液体中过滤效率为98%时所阻挡的颗粒尺寸命名的。如FSD01，即为对于尺寸为1μm的颗粒其过滤效率达98%。如表1所列，随着型号的增加，透气性、最大气孔均增大，而耐压破坏强度有所减小。

过滤器的压力损失Δp（Pa）一般表示为空气黏性系数η（Pa·s）、过滤器厚度t（m）、迎面风速v（m／s）、纤维直径df（m）及无因次压力损失f（α）的函数［7］：

式中，f（α）为孔隙率α的函数，且不同理论模型中有不同的表达形式。

通过计算过滤器过滤元件的压力损失［8-9］，并利用实验得出了有关压力损失的实验关联式，该关联式证明对于α在0.006～0.3范围内是准确的。f（α）可表示为：

在HTR-10一回路氦气压力为3 MPa、温度为250 ℃、流量为10.5kg／h的工作环境下，直径为70mm 的过滤元件的初始压降列于表2。

型号 初始压降／kPa FSD01 34 FSD03 9.42 FSD05 3.77 FSD10 1.69 FSD20 0.19 FSD50 0.10 FSD80 0.06

利用扫描电子显微镜对过滤元件的全貌及微观结构进行观察，得到其表面特征如图1所示。由图1可知，烧结金属粉末过滤元件的特点是内部结构含有大量连通或半连通的孔隙，孔隙结构由规则和不规则的粉末颗粒堆垛而成。孔隙的大小和分布以及孔隙率的大小取决于粉末粒度组成和加工工艺。烧结金属粉末流道曲折，致使颗粒通过时碰撞的机会极大提高，使得颗粒利用碰撞捕集的概率增大。因此，孔隙结构的深层捕获颗粒是烧结金属粉末过滤元件获得高水平过滤效率的关键，但同时通道的弯曲使得压降增大，造成流体能量损失［10］。

图1 FSD01全貌（a）及所观测到最大孔径所在位置图像（b）Fig.1 Appearance（a）and maximum aperture image（b）of FSD01

2 过滤机理的理论模型

一般过滤元件的过滤机理主要包括重力效应、静电效应、拦截效应、惯性效应和扩散效应［11］。不同粒径的颗粒，其主要的过滤机理也各异。对于粒径小于0.1μm 的气溶胶颗粒，以布朗扩散机制为主，粒径越小，扩散系数越大，气溶胶颗粒通过布朗扩散附着于滤材微孔的作用也越强，因此粒径越小，过滤效率越高。对于粒径大于0.5μm 的颗粒，以拦截和惯性碰撞机制为主，一方面当粒径大于滤材孔径时被完全拦截，另一方面由于惯性作用，流体中的颗粒不会随任意弯曲的气流通道通过滤材，而是和滤材发生碰撞并沉积其上，因此颗粒粒径愈大，过滤效率愈高；对于粒径范围约为0.1～0.5μm 的颗粒，其扩散、惯性碰撞和拦截效应等均不如其他粒径范围显著，因而过滤效率最低。

不考虑静电效应时，过滤材料单纤维效率是布朗扩散、重力沉降、惯性碰撞和拦截效应共同作用的结果。假设各作用之间互不干扰，则过滤元件的过滤效率E 为：

其中，EΣ为各单独机制作用下的单纤维效率，其可写为各单独作用的总和：

其中：ER为单纤维的拦截效率；EI为单纤维的惯性碰撞效率；ED为单纤维的扩散效率；EDR为扩散颗粒使截留作用增大后的收集效率；EG为单纤维的沉降效率。其他参数定义详见文献［10-11］。

图2为每种收集机理的单纤维效率以及总的效率随粉尘粒径的变化规律。其中效率是按20 ℃、1 MPa大气压下，FSD80过滤元件在迎面风速为0.5m／s时的情况计算得到的。

图2 FSD80总过滤效率及各单纤维作用效率随粒径的变化Fig.2 Single-fiber and total efficiencies for FSD80vs particle diameter

由图2可知，在设定的参数下，所计算颗粒尺寸范围内，重力的影响可忽略不计。总过滤效率的最小值出现在0.2μm 左右。当颗粒小于0.2μm 时，扩散占主导作用；当颗粒大于0.2μm 时，拦截和惯性碰撞的影响随粒径的增大而增强。

3 过滤效率的实验测量

为评价圆盘式烧结金属粉末过滤元件的过滤性能，设计并搭建实验装置对FSD01、FSD80过滤元件进行过滤效率测量。过滤实验装置如图3所示。

过滤元件置于过滤壳腔体中间，粉尘由上游注入管道，其中粉尘注入口位于过滤元件上游管道10倍直径处。在过滤元件前后均有流量测量接口，其中上游的取样位置位于过滤元件前管道中心，下游的取样位置位于过滤元件后管道中心。

图3 过滤实验装置Fig.3 Experimental setup for filter element

实验中所使用的粉尘是由气溶胶产生器产生注入，其工作原理如图4所示。其中将一个粉尘压缩块置于圆柱形原料储存室内，并通过活塞注入到旋转刷内。旋转刷从压缩块暴露表面均匀地移除一定数量的粉尘。粉尘由一压缩气流均匀分散，并由气流吹离出口。改变活塞速度或原料储存室的直径可控制气溶胶的产生浓度。

图4 气溶胶产生原理Fig.4 Aerosol generation theory

过滤元件上游及下游气溶胶粉尘的代表性样品从实验台中抽离后，利用空气动力学粒谱分析仪每隔2min对其进行1次粒径测量。所选择的取样位置保证气溶胶颗粒能均匀混合。在每个位置上，取样口均位于管道气流的中心，且采用等速取样。实验测量参数列于表3。

过滤介质 迎面速度／（m·s-1）取样流量／（L·min-1）过滤元件（FSD80、FSD01）0.05 5

两片过滤元件的过滤效率测试结果如图5所示，所用颗粒尺寸最小为0.542μm，最大为98.85μm，反映了过滤效率随粉尘粒径变化的情况。FSD80的过滤效率随颗粒增大而逐渐增加，最小为87.49%，当大于12.86μm 时，过滤效率接近100%。FSD01 的过滤效率在0.583μm 处出现一最小值，为95.6%，随后过滤效率随着颗粒的增大而逐渐增加，并在11.97μm 处接近100%。在实验所测量的颗粒范围内，过滤机理主要为截留和惯性碰撞，扩散的作用较小。

图5 过滤元件的过滤效率随颗粒粒径的变化Fig.5 Filtration efficiency of filter element vs particle size

在0.723～2.839μm 的粉尘尺寸范围内，FSD80的过滤效率高于FSD01。这是由于气流通过过滤元件时，被阻挡的颗粒会在过滤元件表面形成粉尘层，对粉尘颗粒的过滤效应增强。粉尘层对FSD80在该尺寸范围内的影响大于对FSD01的影响，导致在该颗粒粒径范围内，FSD80过滤元件的过滤效率高于FSD01的过滤效率。

过滤曲线表征了过滤效率随粉尘尺寸的变化规律，在较大粒径范围内，过滤元件可将气流中的粉尘几乎全部除去。而在10μm 附近及以上较大颗粒处出现过滤效率的减少，则是由于测量仪器的噪声引起。实验测量的过滤效率曲线与数值模拟计算的结果基本吻合，表明此种烧结金属粉末过滤元件能很好地除去气流中的粉尘颗粒，实现对HTR-10一回路中放射性石墨粉尘过滤取样的目的。

4 结论

本文基于HTR-10 一回路放射性石墨粉尘取样测量实验回路中应用的圆盘式不锈钢烧结金属粉末过滤元件，对其应用背景、过滤机理、过滤效率以及压降特性等进行了理论分析和计算。使用扫描电镜对其微观形貌和表面特征进行了实验观测分析；通过搭建实验平台，测量了此种过滤元件的过滤效率，与理论模拟计算结果基本一致。理论和实验研究表明，此种烧结金属粉末过滤元件能实现对HTR-10 一回路中放射性石墨粉尘的高效过滤取样。后续研究将对烧结金属粉末过滤元件自0.01～20μm范围内的过滤效率进行实验测量，并与烧结金属纤维过滤元件的结果进行对比，评价两种过滤元件的性能。依据过滤元件的压降特性，合理组合不同过滤孔径的过滤元件，能实现按照粒径大小分级过滤得到HTR-10 一回路中放射性石墨粉尘样品，且不会影响HTR-10氦净化系统的氦气流动以及净化功能，对进一步研究HTR-10 一回路放射性石墨粉尘的特性具有重要意义。

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