钠冷快堆蒸汽发生器泄漏探测方法研究

张媛媛，段天英，杨建伟

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

0 引言

从1946 年在Los-Alamos 建立第一座快中子反应堆Clementine 至今，世界范围内共建设了20 多座快堆，如美国的EBR-I、EBR-II、FFTF、CRBR，法国的Phoenix、SPX-1、EFR， 日 本 的JOYO、MONJU， 英 国 的DFR、PFR、CDFR，俄罗斯的BN-350、BN600 等。中国实验快堆（CEFR）已于2010 年07 月21 日临界，并于2011 年7月21 日实现并网发电，这标志着中国快堆技术取得重大突破，也是中国逐步实现核能可持续发展的标志性事件。目前，600MW 示范快堆核电厂正在建设中。

在快堆技术的发展中，蒸汽发生器一直是最受重视的设备之一。钠冷快堆蒸汽发生器从结构上来看，基本上有两种类型：一种是整体式的，一种是分离式的。采用的管束形式有直管、螺旋型管、“U”形管和曲棍型管。既可以用单壁管，也可以采用双壁管。但无论采用哪种类型，都有一个共同的特点，即换热管束组成压力较高的水/水蒸汽的回路，管束外（壳侧）构成钠回路。由于材料、制造和加工的问题，水/水蒸汽管路上会存在焊缝，管路材料本身存在微小缺陷；在钠冷快堆运行过程中，蒸汽发生器管路长期运行在高温、高压、高流速液体冲刷以及钠环境的恶劣条件下，这些因素均可能导致水/水蒸汽管路的泄漏。一旦泄漏发生，水和钠便发生剧烈的钠水反应，并放出大量的热，钠水反应区附近的温度、压力急剧升高，使漏孔腐蚀扩大，造成泄漏的扩大和蔓延。这不仅对蒸汽发生器管束造成破坏，而且严重威胁钠冷快堆的正常运行。

从快堆的运行经验来看，发生钠水反应事故的概率较高。例如，俄罗斯的BN-600 在运行的12 年中发生了12 次泄漏，其中一半出现在运行的第一年[1]；英国的Dounreay 反应堆在10 年间发生了37 次泄漏[2]。因此，蒸汽发生器管路泄漏是钠冷快堆安全运行的重大隐患，研究蒸汽发生器水/水蒸汽泄漏快速在线探测和定位技术是保证钠冷快堆电厂安全运行的重要措施。

1 探测技术

不同泄漏速度对蒸汽发生器产生的损坏程度不同。为此，将泄漏速度划分为微小泄漏（1g/s 以下）、小泄漏（1g/s ～10g/s）、中泄漏（10g/s ～1kg/s）和大泄漏（1kg/s 以上）4 个等级，针对不同程度的泄漏采取相应的探测方法和手段。目前，钠冷快堆蒸汽发生器水/水蒸汽泄漏的主要探测技术包括：①氢计，主要用于探测微小泄漏、小泄漏和中泄漏；②气泡噪声探测器，主要用于探测小泄漏和中泄漏；③声学探测方法，主要用于探测小泄漏和中泄漏；④压力、流量、液位监测，主要用于监测大泄漏。

1.1 氢计

氢计包括扩散型氢计和电化学氢计，其中扩散式氢计技术较为成熟，其具有极高的灵敏度，但这种方法响应时间较长，且整套系统庞大而复杂；电化学氢计的优点是结构简单、响应速度快，但技术成熟度不高。

1.1.1 扩散型氢计

扩散型氢计是根据氢通过薄壁镍管的扩散渗透原理工作，原理图如图1 所示。它由镍管传感器、连接管路、离子泵和质谱仪等组成。它以薄壁镍管作为传感器，传感器的一侧与蒸汽发生器或过热器的钠管路/氩气管路相连，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（H2）和氢离子（H+），钠（Na）和氩气（Ar）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此氢分压增加引起的真空压力变化，从而得知泄漏及泄漏率的大小。扩散型氢计能探测出小至50mg/s 的微小泄漏，响应时间一般在几十秒的量级。

目前，在快堆核电厂蒸汽发生器的钠水反应诊断中，普遍采用扩散型氢计。

图1 扩散型氢计原理图Fig.1 Schematic of diffusion-type hydrogen meter

图2 电化学氢计结构示意图Fig.2 Sketch of electrochemistry hydrogen meter

1.1.2 电化学氢计

由于扩散型氢计带有复杂的超高真空系统和昂贵的质谱仪，近年来发展了一种以钠中氢为电极、以CaCI2-CaH2为电解质、以Li-LiH 为参考电极的电化学氢计，其结构示意图如图2 所示。

1.2 气泡噪声探测器

气泡噪声探测器通过监测蒸汽发生器内气体（氢气）体积份额的变化，判断蒸汽发生器内部是否有泄漏发生，其一次仪表结构示意图如图3 所示。

气泡噪声探测器一次仪表采用永磁钠流量计原理获取信号，永磁铁的磁系统与置于垂直磁系统缝隙间磁通平面上的电极对形成电信号；采用紊流发生器产生涡流。钠管道中有钠流过时，在每对电极中产生准谐波的输出信号，其频率和振幅与钠流速有关，而且频率是速度的线性函数。除紊流发生器给出的主谐波之外，传感器的输出信号中还有由钠在管道中的自然紊流、钠流的局部和整个管道的波动而产生的噪声信号。二次仪表的功能在于对经前置放大器放大后的输出信号进行频谱处理分析，将噪声信号从本底信号中提取出来，通过与设定的阈值进行比较，判断是否给出蒸汽发生器泄漏的报警信号。气泡噪声探测器的有效监测泄漏率下限可达到0.1g/s。

图3 气泡噪声探测器一次仪表结构示意图Fig.3 Sketch of primary instrument of bubble noise detector in sodium

1.3 声学探测

声学泄漏探测技术利用声频信号的传播，在蒸汽发生器外壳上设置传感器，传感器将声信号转换成电信号，并传送到检测系统进行信号处理以确定泄漏的发生，其原理示意图如图4 所示。声学探测方法可以分为无源泄漏探测和有源泄漏探测。

1.3.1 无源泄漏探测法[3]

在无源泄漏探测方法中，探测器与焊在反应器壁上的波导杆相连，探测器与电荷放大器相连接，电荷放大器又连接到磁带记录仪或数据采集器上，可将信号记录在磁带上或被采集于数据采集器中；然后，再由信号分析仪或计算机进行处理。这种方法是利用安装在蒸汽发生器上的接收传感器直接检测出发生“钠水反应”时产生的声音。

这种方法响应时间短、设备简单，但泄漏信号往往被淹没在背景噪声之中，造成该方法的灵敏度不高。因此，需研究各种噪声的机理，分析注水信号的特性和各种因素对注水信号的影响，对背景噪声的时域和频域特性采用有效的信号处理方法提取泄漏信号，从而提高探测系统的灵敏度。目前，无源泄漏探测法对于微小泄漏可靠的探测范围信噪比可以达到-20dB。

1.3.2 有源泄漏探测方法[4]

图4 声学探测系统结构示意图Fig.4 Sketch of acoustic detection system

在有源泄漏探测方法中，预先给蒸汽发生器装上信息收发传感器，传给蒸汽发生器内部的声波将随“钠水反应”产生的氢气气泡的增加而衰减，根据这种原理来检测水泄漏。这种方法是法国提出的，日本电力中央研究所进行了基础实验，并开展信号处理法实用化的开发工作。实验中，根据模型内部声波的传播方式、所测气泡的接收和发出的声波及接收声波的变化，开发出了能极其敏感地测出气泡的信号处理法。而且为了进一步对蒸汽发生器内产生的“钠水反应”以外的各种声音对接收声波带来的影响进行研究，还为模型制造了各种模拟杂音。

有源泄漏探测法的优势在于背景噪声对于探测的影响很小，但此方法不能分辨覆盖气体气泡与氢气气泡，这降低了泄漏探测的可靠性。

1.4 压力、流量、液位监测

发生蒸汽发生器管道大泄漏的主要原因是换热管双端断裂，换热管内的水与壳侧的钠会发生剧烈的化学反应，产生大量的氢气，使蒸汽发生器内的压力迅速升高，从而引起钠缓冲罐内的压力升高、液位变化，蒸汽发生器进出口钠流量差变化显著。因此，可以通过对钠缓冲罐的压力、液位，以及蒸汽发生器进出口流量差设定阈值，当超过设定阈值时断定发生大泄漏。其中，对于流量的监测通常采用永磁流量计。

1.4.1 钠流量计[5]

在蒸汽发生器钠侧进出口设置有钠流量计，一般为永磁式流量计，发生较大钠水反应时，会产生大量的、大小不同的氢气泡，这将导致蒸汽发生器进出口流量计输出信号偏差增大，当偏差超出预定范围时，即可判断发生了钠水反应。这种方法的优点是不需要增加硬件设备，但对小泄漏钠水反应其灵敏度不高，主要用于监测大泄漏钠水反应。

1.4.2 爆破片

蒸汽发生器内压力持续增加，有可能导致蒸汽发生器壳体的破坏，爆破片是发生大泄漏时的一个安全保护装置，当爆破片两侧由于钠水反应压差升高到一定值时，爆破片破裂，紧急排钠，以保护蒸汽发生器。爆破片爆破压力低于系统设计压力，能够保证蒸汽发生器发生大钠水反应时，不超过承受能力的极限，是蒸汽发生器发生钠水反应的最后一道保护屏障。

表1 钠冷快堆蒸汽发生器泄漏探测方法比较Table 1 Comparison of methods of leakage detection in steam generator of the sodium-cooled fast reactor

1.5 信号处理及分析方法[2]

选择适当的信号分析方法可以有效地从探测信号中提取泄漏信息，提高噪声探测系统的灵敏度。信号处理方法主要有傅里叶变换和小波变换，信号分析方法主要有功率谱密度（PSD）法、振幅概率密度（APD）法、均方根（RMS）分析法、二次平方法、自适应性信号处理方法、行列式和根轨迹法以及自回归模型等。

在已知的泄漏探测技术研究中，信号处理多采用传统的傅立叶变换，信号分析方法多采用功率谱密度法、均方根法和二次平方法。

2 结论

适用于钠冷快堆蒸汽发生器泄漏探测的方法及各种方法的适用范围、特点见表1。目前，比较成熟的钠冷快堆探测钠水反应的方法主要有两种：氢计和压力液位流量监测。声学探测仍处于研究中，有效提取分辨泄漏信号是此方法的瓶颈。国内目前正在研制高性能的扩散型氢计和气泡噪声探测器，可应用于后续示范快堆工程中。