未破损粘钠组件水蒸气- 氮气清洗工艺的优化设计

李凌霄

中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部 北京 102413

中国实验快堆（CEFR）采用钠作为冷却剂，快堆寿期内，会有大量的粘钠组件从堆内换出，因此需要对粘钠的组件进行除钠清洗。中国实验快堆采用水蒸气-氮气清洗的工艺，该清洗回路已建成并投入使用，设计人员经历了CEFR 组件清洗系统的调试及运行工作，在这些大量工作的基础上，对CEFR 粘钠组件相关清洗工艺的设计方案、设计参数、设计意图以及该设计在运行阶段的结果评价和反馈已经有了清晰、详尽的了解和掌握。通过系统的调试及运行可以确定水蒸气-氮气清洗是相对安全、有效的清洗工艺[1]。但在CEFR 的调试及运行过程中发现了一些不尽如人意的设计，因此对此工艺进行了设计优化。

1 中国实验快堆粘钠组件清洗工艺

1.1 建立惰性气体保护气氛

清洗开始之前，系统的气氛为空气气氛，为避免清洗过程中发生燃烧或爆炸情况，对整个系统进行氮气吹扫，把空气吹出系统管路，将整个清洗系统置换为氮气气氛。

1.2 装入待清洗组件

氮气气氛建立好以后就可以对组件进行清洗了。将组件放入清洗容器内，组件便处于密闭的清洗环境之中了。

1.3 氮气吹扫组件

用氮气对组件进行吹扫，主要目的是对待清洗组件进行冷却。

冷却组件的同时，对组件进行气相放射性探测，若检测结果表明组件破损，则不进行蒸气清洗，而转入破损组件清洗程序。若未发现组件破损，则可继续下一步水蒸气清洗。

1.4 水蒸气清洗组件

此步骤是组件清洗的最核心步骤，经过水蒸气清洗，组件上附着的钠基本上会全部被洗掉。

蒸气清洗过程中要随时对系统内的氢气含量进行监测，若氢气量超标则需要减小蒸气的供应甚至暂停蒸气供应。

1.5 除盐水清洗

向清洗容器内注入除盐水，对组件进行浸泡，目的在于确保组件表面附着的氢氧化钠已被完全洗掉。

1.6 结束清洗

清洗结束后，打开氮气供应阀门，将系统管路和组件吹干，取出清洗好的组件。

2 对原清洗工艺的优化

粘钠未破损组件清洗工艺的设计意图即在安全的前提下，在较短时间内，将粘钠组件清洗干净，并产生尽量少的废液。基于这一设计目标，结合CEFR 组件清洗系统的调试及运行反馈，对未破损组件清洗工艺设计主要从以下几个方面进行设计上的优化：

2.1 采用水蒸气、氮气的混和气体作为清洗介质

相对于 CEFR 组件清洗工艺采用水蒸气作为清洗介质，优化后的清洗工艺采用水蒸气、氮气的混和气体作为清洗介质对粘钠组件进行清洗，这样做有以下几点好处：

（1）减小水蒸气的流入量可以直接减少废液的产生；

（2）掺入氮气有利于对组件的保护。由于燃料元件的壁厚很薄，若钠水反应过于激烈，很可能使氢气发生燃烧，造成元件表面破裂。氮气的存在可抑止氢气的燃烧。

（3）掺入氮气有利于带出钠水反应产生的氢气，从而提高氢气含量监测的准确性，以保证系统运行的安全。

2.2 水蒸气管道及清洗容器增加电加热装置

CEFR 粘钠组件在进行水蒸气-氮气清洗时，由于水蒸气管道和组件清洗容器是常温的，先进入的水蒸气都冷凝成了水，没有起到水蒸气清洗的作用，水蒸气通往设备一段时间后，管道及设备温度逐渐升至160℃后，才开始水蒸气清洗，这样会增加整个组件清洗的时间。在水蒸气管道及组件清洗容器外增加电加热装置后，在系统准备进行组件清洗时，提前投入水蒸气管道及组件清洗容器的电加热，一方面减少了清洗时间，另一方面可以使组件清洗的效果更好[2]。

2.3 重视水蒸气冷凝换热器的设计

CEFR 设备清洗系统调试期间出现换热部分调试时从下水道返出水蒸气的情况，经反复调试，确定系统所用水蒸气冷凝换热器换热能力不足，根据这一反馈，在优化的清洗工艺设计中，应重视换热器的设计，以确保水蒸气清洗过程中的水蒸气尽可能的冷凝，防止气体管路带出的水蒸气在排放管路冷凝成水，流入其它系统产生安全隐患。

2.4 增加气液分离器设计，优化氢气测量方法

清洗过程中，控制清洗速度、保证清洗安全很重要的一个参数是清洗过程中钠水反应产生的氢气量，但在实际运行中，出现了氢气测量装置由于带来的大量的水汽而被堵塞损坏的情况，使得氢气测量无法实施，清洗过程完全无法进行下去。针对这一技术难题，后续优化设计在氢气测量装置前端的管路上设计安装汽水分离器，使进入氢气测量装置的气样先经过气液分离后，进入装置的气样含尽量少的水汽，保证氢气测量装置的顺利工作，整个清洗工作才得以安全顺利进行。同时，加装气液分离器还尽可能地减少了进入废气排放管路的液体。保证了电厂运行的安全。

2.5 加装循环泵

CEFR 组件的清洗在运行阶段出现清洗不彻底的反馈，加装循环泵可以实现对粘钠组件的循环清洗，缩短清洗时间，使清洗效果更好，从而减少废液的产生。

2.6 简化管路

CEFR 清洗系统下至地下室，上至反应堆大厅，管道阀门密集分布在核岛的各个楼层，是快堆最复杂的系统之一。简化系统管路可以降低工程成本、节约厂房空间，更重要的是清晰明了的设计可使将来的调试及运行更加简单安全。优化后的清洗工艺原理设计上可对此进行考虑[3]。

3 结语

通过对中国实验快堆组件清洗系统调试及运行过程中的经验的反思，优化未破损组件水蒸气-氮气的清洗工艺，将对后续快中子反应堆涉钠设备清洗提供宝贵的技术参考。