中国示范快堆高性能冷阱净化能力试验研究

惠媛媛，谢 淳，王景春，李 煦，李文龙，禹春利，赵 展

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413)

在钠冷快堆中，由于作为冷却剂的金属钠与其他冷却剂如Hg、NaK、K、Pb-Bi、Pb、Li、He等相比具有明显的优越性[1]。因此除了一些早期的实验堆外，世界上建造的实验快堆、原型快堆和示范快堆均选用钠作为冷却剂[2]。目前中国在建的商用示范快堆电站(CFR600)同样也选用钠作为冷却剂。

冷却剂钠中存在的金属和非金属杂质对传热性能、材料性能、核性能等有害，甚至可影响到反应堆的安全运行[3]。如杂质氧加速钠对快堆包壳和结构材料的腐蚀，造成它们机械性能的改变；杂质氧的化合物和钙的化合物在钠中沉淀，将会引起流道堵塞，影响燃料组件和热交换器的传热性能[4]；杂质钾会在辐照条件下，发生中子活化反应，产生放射性同位素41Ar，增加覆盖气的放射性。因此，研究快堆的各国家根据实际情况制定了入堆核级钠标准、一回路和二回路中钠杂质的质量控制标准。同时，为满足钠纯度的要求，开展了沉降、过滤、热阱和真空蒸馏等多种钠净化方法和工艺研究[5-6]。

强迫对流型冷阱是一种广泛应用于净化钠中杂质的设备，该结构形式的冷阱内填有金属丝网，当钠流过丝网的冷区时，钠中杂质便在丝网上以非均相结晶的形式成核、长大、结晶和析出[7-8]。同时，杂质还会以均相结晶的形式结晶析出和沉降，反应堆或钠回路上通常采用这种形式的冷阱。

中国实验快堆(CEFR)采用了径向降温过滤型-分区强迫对流型冷阱，CEFR一回路冷阱外面用钠钾合金作冷却剂的夹层，夹层内有充满液体有机冷却剂(高温导热油)的蛇形管。当冷阱工作时，冷阱内钠的热量通过冷阱容器壁传给钠钾合金，进而传给有机冷却剂，有机冷却剂的热量再由空冷器散到大气中去。该结构形式冷阱的缺陷如下：1) 抗堵性差，钠钾合金导热能力极强，很容易造成钠中杂质在刚进入冷阱环形丝网区外层即被快速冷却发生结晶，从而造成冷阱过早阻塞失效，进而导致冷阱杂质收集量较小；2) 钠钾合金冷却系统运行复杂不易控制；3) 由钠钾合金成本高所带来的经济性较差；4) 可靠性较低，钠钾合金的化学活性远大于金属钠，用钠钾合金作为冷却介质，会给钠钾合金的灌装、冷阱安装和更换过程带来操作的危险性。

由于上述问题的存在，目前CEFR一回路冷阱已更换了4台。另外CEFR一回路冷阱的捕集能力为86.21 kg/m3，CEFR二回路冷阱的捕集能力为105.26 kg/m3(本文所提及的捕集能力，均指收集Na2O的质量)，其远不能满足CFR600各回路中杂质的净化需求。

根据所设计同型冷阱的国际运行经验数据可知，冷阱失效前杂质捕集能力为200 kg/m3；另外，根据CEFR一回路冷阱的运行数据，并查阅有关资料[3]，经初步计算，得到CFR600冷阱的净化速率为0.2 kg/h，故自主研发的高性能冷阱预期的性能指标如下：净化速率≥0.2 kg/h(阻塞温度≥220 ℃)；捕集能力≥200 kg/m3；杂质容量为1 000 kg Na2O。

本文通过开展高性能冷阱净化能力试验，以期获得所选试剂Na2O2在钠中的溶解速率以及冷阱的净化速率、捕集能力和杂质容量，为CFR600工程冷阱的设计提供依据。

1 试验回路及净化理论

1.1 冷阱试验回路及冷阱样机

1)高性能冷阱试验回路

高性能冷阱钠试验回路主要由储钠罐、加料器、蒸汽阱、电磁泵、主加热器、扩散型氢计、阻塞计、冷阱样机、风机、空气过滤器、消音器、辅助加热器、辅助钠罐、省热器、钠流量计、钠压力计、钠液位计、钠阀、气阀、仪表阀、管道、电气和控制系统等组成，回路原理图如图1所示。该回路具有向钠中定量加含氧杂质、离线取样、在线监测杂质氧及净化钠中金属杂质和非金属杂质的功能，以期获得冷阱的性能指标。

图1 高性能冷阱钠试验回路原理图Fig.1 Theory figure of sodium experimental loop of high performance cold trap

2) 冷阱样机

根据CFR600钠净化系统的需求，设计和制造了1∶1的冷阱样机，用于冷阱性能指标的试验验证。其工作原理为：冷阱采用冷却结晶法，使热钠溶液冷却降温，成为过饱和溶液，钠中杂质的溶解度随钠温的降低而呈指数规律下降，在过饱和钠中成核、结晶、长大和沉积。热钠从进钠管流入冷阱结晶沉积区，遇到结晶冷却管外壁后进行初步降温，钠中杂质在过饱和钠溶液中均相成核，在过饱和浓度的推动力之下，杂质不断向晶核聚集使其长大成晶体，随着结晶时间的延长，晶体颗粒连续长大，当颗粒的重力大于其在钠溶液中所受的浮力时，杂质晶体颗粒便会向下运动沉积在冷阱的底部，同时，也可非均相成核形成晶体而在结晶冷却管的壁面结晶。来自结晶沉积区的钠在最终冷却区进一步降温，杂质以非均相成核的方式形成晶体而吸附在最终冷却区结晶冷却管壁面和容器内壁面上。返回的过饱和钠溶液中的杂质在流过丝网区时以非均相成核的方式形成晶核、长大和沉积在丝网上。该冷阱结构简图如图2所示。

当冷阱的进钠管1与进钠管2均发生堵塞，即两种运行方式下，冷阱进出口压差均达到100 kPa以上，视为冷阱被杂质完全堵塞(该冷阱预期收集杂质量超过1 000 kg Na2O)，即需拆除冷阱进行更换。

图2 高性能冷阱简图Fig.2 Figure of high performance cold trap

1.2 试剂选择

试验选择过氧化钠(Na2O2)作为加氧试剂，其为白色至淡黄色粉末状固体，熔点为460 ℃，热稳定性好，可加热到熔融状态不分解，但其可与钠反应生成Na2O。

1.3 冷阱净化理论

钠冷快堆采用核级钠[9]作为冷却剂，其中的金属杂质和非金属杂质仅氧含量高于一、二回路中质量控制标准，因此试验中以氧为研究杂质。钠-氧的二元体系可看作钠为溶剂、氧为溶质的溶液，氧在钠中的溶解度随着温度的降低而下降，以Na2O形式结晶析出。冷阱就是利用该原理，冷阱内的钠降温至氧的饱和温度以下，Na2O将会析出留在冷阱内的丝网、壁面上或沉降下来。氧的溶解度遵循Noden公式[10-11]：

T∈[383,823]

(1)

式中：C为氧在钠中的饱和浓度，ppm；T为钠的温度，K。

冷阱效率为：

ε=(C0-Cout)/(C0-Ce)

(2)

式中：C0为在某特定时刻冷阱进口钠中杂质氧饱和浓度，μg/g；Cout为在某特定时刻冷阱出口钠中杂质氧饱和浓度，μg/g；Ce为冷阱冷点温度下杂质氧的浓度，通过溶解度公式计算，μg/g。

冷阱净化速率为：

Vp=ε(C0-Ce)Q×10-6

(3)

式中：Vp为冷阱净化杂质氧的速率，kg/h；Q为冷阱流量，kg/h。

捕集能力为：

Rc=m/V

(4)

式中：Rc为捕集能力，kg/m3；m为杂质容量，即冷阱能收集的Na2O总质量，kg；V为有效容积，m3。

1.4 氧的在线监测

阻塞计是钠回路中钠质量监测的重要在线测量仪表[12-14]，由过滤器、回热器、阻塞计本体、钠稳压器、风门、冷却风机、钠流量计、加热系统、控制系统等组成。当钠流经阻塞计本体时，钠被省热器和空气冷却器不断地冷却，当钠温降至钠中杂质饱和温度以下时，杂质便在阻塞孔内析出，同时流经阻塞孔的钠流量开始下降。钠流量开始下降时的阻塞孔处钠的温度定义为阻塞温度。不同的阻塞温度对应不同的氧化物的含量，根据阻塞温度和Noden公式求得钠中氧的浓度。

1.5 试验数据误差分析

本文在线监测工具阻塞计的测量误差为±2 ℃，其测量误差的主要来源可能为：1) 测温元件导热引起的误差；2) 热电偶的测量误差；3) 补偿导线引起的误差；4) 温度补偿电阻引起的误差；5) 微机数字测温仪示值分辨率引起的误差。

2 冷阱试验和结果分析

2.1 Na2O2在钠中的溶解速率

在冷阱试验回路总钠量固定的情况下，Na2O2在钠中的溶解速率主要由储钠罐钠温、系统钠流量、溶解时间和Na2O2的加入量决定。每次向系统回路中加入定量Na2O2(1 500 g)，钠温、钠流量、溶解时间对溶解速率的影响如图3所示。由图3可知，钠流量相同的情况下，Na2O2溶解一定时间后，钠温对其溶解速率影响不大，由于CFR600钠净化系统中冷阱的工作温度为110～250 ℃，经计算，约1 500 g Na2O2加入到冷阱试验回路(共36 t钠)中，钠中氧的浓度为24.5 μg/g，对应的饱和温度为230 ℃，因此储钠罐中的钠温设置为250 ℃。在250 ℃钠温下，钠流量为17 m3/h，Na2O2在钠中的溶解速率远大于钠流量为8 m3/h的溶解速率，故Na2O2在钠中溶解期间，回路运行的钠流量定为17 m3/h。

图3 钠温、钠流量、溶解时间对溶解速率的影响Fig.3 Impact of sodium temperature,sodium flow,and dissolved time on dissolved rate

图3中曲线(250 ℃，8 m3/h)在溶解时间后期出现下降趋势，其原因可能是250 ℃时，8 m3/h的搅拌速率太小，无法使加入的Na2O2充分溶解，钠源中溶解的杂质不均匀。

2.2 冷阱丝网温度控制

分别控制冷阱丝网温度为170、150、140、130 ℃，回路流量控制在8 m3/h(CFR600回路运行流量)左右，利用阻塞计测量得到回路钠中氧的浓度随时间的变化如图4所示。由图4可知，当加入一定量Na2O2后，冷阱在开始一段时间内净化速率快，净化到一定程度后，将维持稳定；控制冷阱丝网温度越低，达到稳定状态下，回路中杂质浓度越低，一定时间内冷阱收集杂质的量也越大，分布越集中，且对冷阱的冷却系统耗能越大，故在冷阱运行过程中，可将冷阱丝网的控温点逐渐降低，收集杂质速率平缓，杂质分布越均匀，也可降低冷阱冷却系统的能耗。

图4 回路钠中氧的浓度随时间的变化Fig.4 Oxygen concentration in sodium vs. time

图4中170 ℃的曲线在10 h后出现较大的上升趋势，其原因可能是阻塞计在测量过程中的误差造成的。

2.3 冷阱净化速率

在钠流量为8 m3/h时，冷阱净化Na2O的速率计算结果列于表1。从表1可知，随着冷阱运行时间的增长，回路中氧的饱和浓度不断降低(即氧含量不断减少)，冷阱的净化速率随着回路中氧的饱和浓度降低而降低，当回路中氧饱和温度大于194.2 ℃，冷阱净化Na2O的速率大于0.24。根据冷阱运行经验[15]，阻塞温度一般较饱和温度低20 ℃左右，因此，当阻塞温度大于174.2 ℃时，冷阱净化Na2O的速率大于0.24。因此，该冷阱满足净化速率不小于0.2 kg/h(阻塞温度≥220 ℃)的性能指标。

表1 冷阱净化Na2O速率计算结果Table 1 Calculation result of purifying Na2O in cold trap

2.4 冷阱杂质容量

冷阱在整个加氧过程中的进出口压差变化如图5所示。由图5可知，在整个加氧过程中，冷阱进出口压差逐渐增加，在加入杂质(Na2O)量为972 kg时，进钠管1发生堵塞，压差为105 kPa。随后改至进钠管2，试验结束时，进钠管2运行正常，冷阱进出口压差在60 kPa左右。

图5 冷阱运行过程中进出口压差变化曲线Fig.5 Differential pressure curve of import and export during cold trap operation

冷阱样机在高性能冷阱钠试验回路中进行试验考验期间，未出现堵塞，共加入Na2O2总量为774.20 kg，即1 207.9 kg Na2O，因此，冷阱的杂质容量大于1 207.9 kg。

2.5 冷阱捕集能力

根据冷阱样机的结构计算出该冷阱的有效容积为6 m3，因此冷阱的捕集Na2O的能力大于201.3 kg/m3。

3 结论

1) 冷阱净化一定量杂质时，其净化速率逐渐降低，净化到一定程度后，将维持稳定；控制冷阱丝网温度越低，达到稳定状态下，回路中杂质浓度越低。

2) 高性能冷阱样机的净化速率(0.2 kg/h(阻塞温度≥220 ℃))、捕集能力(>201.3 kg/m3)和杂质容量(>1 207.9 kg Na2O)均满足了预期的性能指标要求，为冷阱性能分析软件的设计开发提供了依据，CFR600工程冷阱的设计可为此样机基础定型。

3) 高性能冷阱的捕集能力是CEFR一回路冷阱的2.33倍，是二回路冷阱的1.91倍。