为中子反应堆"换肾":中国冷阱更换全景扫描

来源:中核网 作者:胡霖 编辑:陶士亚 发布时间:2015-01-28 08:27


冷阱更换中灌装钠钾合金


冷阱吊装

作为我国目前唯一的快中子增殖反应堆,位于中国原子能科学研究院的中国实验快堆2010年7月达到临界,2011年实现科技部40%额定功率并网发电的验收目标。在随后的两年多的时间里,反应堆虽然处于停堆状态,但一二回路钠系统及辅助系统持续处于运行状态。运行维修人员按照计划,对系统开展了运行维护保养工作。

由于快堆工艺和运行的复杂性,系统运行过程也不是一帆风顺的,但是快堆运行人员正是在这一次次的磨砺中茁壮成长。快堆涉钠设备冷阱在线更换就发生在这两年多的时间里。

冷阱“罢工”了——后果很严重

2011年,快堆实现40%功率运行目标后停堆进行检修。2013年初,按照计划,大家开始为快堆满功率运行做准备。2013年3月1日,工作人员在对换料系统进行运行前的检查过程中,发现挡钠装置无法恢复到竖直状态。3月2日,工作人员通过转运室照明灯安装孔用内窥镜查看仍无法查明原因。经过领导和专家的研究会商,最终确定需要人员进入现场进行临时封堵。在建立了安全可行的工作条件之后,对挡钠装置的维修开始了。

3月9日,工作人员按照制定的程序进入现场进行维修,维修后的挡钠装置恢复到了竖直位置。由于在维修过程中一回路覆盖气体的密封被破坏,空气的进入使一回路的钠中混入了杂质。但当时,大家并没有意识到问题的严重性。当天,工作人员将堆顶密封塞落下,对转运室进行了气体置换。

2013年3月10日晚10点左右,工作人员测量到一回路钠的阻塞温度由正常状态的130℃左右升高到了158℃,随后每个班次的工作人员在进行阻塞温度测量时发现,阻塞温度持续升高到了180℃以上。阻塞计测量到的最高阻塞温度为238℃、解阻温度达245℃,当时堆池温度为225℃,显然,堆内钠杂质的浓度处于过饱和状态。过饱和析出的杂质阻塞了冷阱的管道,使冷阱中的液体钠无法流动,冷阱失效了。

4月27日,通过对各类数据和情况进行综合分析判断,专家们认为,由于钠中的杂质数量超过了冷阱的处理能力,堆内钠杂质的浓度处于过饱和状态,1号冷阱已经饱和失效,而2号冷阱已于2010年6月饱和,必须尽快更换新的冷阱。

冷阱是快堆的一个非常重要的设备,主要作用是清除杂质。冷阱是一个直径1.4米,高将近5米的不锈钢金属罐,内部布满着一层层弯弯曲曲的管道,管道内分别充满了冷却油、液态钠钾合金和液态金属钠,外部则缠着一圈圈的电加热丝。冷阱工作时,电加热丝首先将罐体加热,以确保液态金属钠进入管道后不因温度低而凝固;液态钠钾合金对从堆池出来的高温钠进行降温,而冷却油则对液态钠钾合金降温。快堆使用的冷却剂是核级金属钠,这些金属钠会将快堆运行过程中所产生的大量热量带出来,通过冷阱进行冷却后再送回堆池。

这样,冷阱不仅要起到冷却作用,还要将金属钠中的杂质清除掉,以确保金属钠的纯度。如果堆内钠杂质的浓度不断增加,冷阱的阻塞温度就会不断攀升。当堆内钠杂质处于过饱和状态时,过饱和析出的杂质就会阻塞冷阱的管道,使冷阱中的液态钠无法流动,这样冷阱就失效了。冷阱被形象的比喻为“快堆的空调”,又是“快堆的肾脏”,如果它出了问题,堆内的热量就不能及时排出,后果很严重。最直接的就是,冷阱不工作快堆就无法启动。

给快堆换“肾”——一波又三折

金属钠的性质非常活泼,遇到空气会氧化燃烧。因此,涉钠设备冷阱在线更换比安装更难,它不仅要求更高的操作安全性,而且涉及多个设备、多个系统的复杂接口以及辐射防护等多项工作。而这次是国内首次涉钠设备冷阱的在线更换,无任何成熟经验可以借鉴。

为确保在线冷阱更换顺利实施,经过认真的分析和研究,专业人员先后编制了50多本技术文件,从技术上进行了充分的准备。同时,协作单位冷阱的制造工作也立刻启动,很快,两台新冷阱到货。

2013年5月,工作人员开始进行一回路2号冷阱更换工作。吊装、仪器仪表安装……各项工作有条不紊地迅速展开。6月,2号冷阱的安装和充钠前的相关调试准备相继完成。7月2日,更换后的2号冷阱(2号备用冷阱)开始充钠并投入试运行,在解决了冷阱冷却油系统流量测量存在盲区、冷却油循环建立等难题之后,新冷阱开始进入净化运行状态。

投运以后,这台冷阱的净化效果非常明显,一回路阻塞计所测量的阻塞温度和解阻温度呈逐渐下降趋势,到2013年9月上旬,阻塞温度和解阻温度测量最低值分别为137℃和163℃。堆内杂质的总浓度降低到低水平(3ppm~4ppm),冷阱捕获的氧化钠杂质总量约为40公斤。

一切似乎进行得太顺利,难免让人心里觉得不踏实。果然,此后2号备用冷阱的状态参数出现了明显的异常,冷阱的流量逐渐下降,冷阱的进出口压差快速增大,这说明冷阱内部又出现了堵塞的情况。

工作人员首先采取应急处置措施提升2号备用冷阱的整体温度。同时,对冷阱的状态进行了仔细分析和判断,并采取了相应的运行措施进行验证。通过综合分析,净化工艺研究的专家初步判定冷阱堵塞主要是两个方面的原因造成:一方面是冷阱运行方式存在一些问题,主要是冷阱冷却油温偏低;另一方面是冷阱降温速度过快。随后,经过多种方案的验证试验,阻塞温度始终维持在144℃左右,解阻温度稳定在165℃左右,专家们判定2号备用冷阱已基本失去净化功能,需要再次进行更换。2013年10月17日,2号备用冷阱停止运行,工作人员开始准备对2号冷阱进行二次更换,一切又要重新来过。

2013年12月, 2号冷阱完成第2次更换及调试,具备运行条件。2013年12月24日这台冷阱重新充钠并投入试运行;2013年12月31日开始净化运行。2014年1月14日一回路阻塞温度已降至120℃以下,一回路钠净化工作已经达到预期目标:阻塞温度低于130℃。截止目前运行一切正常,这表明新更换的冷阱已完全能够满足快堆运行的需要。至此,国内首次进行的涉钠设备在线更换宣告结束。冷阱在线更换工作的完成,为快堆的满功率运行扫除了一个看似不可逾越的障碍。

2014年4月4日22∶08,中国实验快堆又一次达到40%功率并成功并网,至4月8日12点已连续并网发电86小时,累计发电量348050千瓦时、上网电量94380千瓦时。此次启动和成功并网发电86小时是继2011年7月21日完成首次并网24小时工程验收目标之后的又一个重大突破,快堆各个系统和设备经历了长时间的考验,这为后续进一步提升功率积累了宝贵的运行经验。

栉风沐雨终成器

冷阱在线更换工作七回八转,最终顺利完成了,其中有多少克服困难、废寝忘食、顽强拼搏的事迹。

装在冷阱夹套中的钠钾合金是一种比金属钠性质还要活泼的金属,它和金属钠一样绝对不能暴露在空气中。如果不小心有一滴溅在身上,那更是不得了,皮肤会立刻被腐蚀。所以,在被灌装到冷阱管道之前,工作人员先要把液态钠钾合金灌装到密封小罐中,转运到现场,然后穿上厚厚的防护服,再戴上头盔,小心翼翼地进行加压灌装。因为制备与灌装技术过硬,每次400多公斤钠钾合金的灌装都总是进行得又快又安全。现场的温度全年都在35℃以上,不干活都是一身汗,穿戴上防护服和头盔的滋味更是不好受。工作人员开玩笑地说,比起冬天他们更喜欢夏天,因为冬天干完活一身汗,一出现场大门十有八九准要感冒;可夏天就不一样了,出了现场也不用担心会感冒。

科学探索的道路并不平坦,大多数人看到的只是取得成果后的鲜花与掌声,而在鲜花与掌声背后,更多的是寂寞与坚守。只有亲身经历过科研工作的人才能体会到,利用与国外差距很大的科研条件做出高水平成果的不易与自豪。

“尽管冷阱更换工作经历了二次波折,但通过这项工作我们解决了以前未曾想到和遇到的难题,特别是证明了我们钠钾合金的制备与灌装技术的可靠性,还获得了确保涉钠设备在线切割技术安全性的成功经验,两次冷阱更换工作所用时间的缩短便是一个很好的佐证。如果一旦冷阱再出现类似问题‘那就都不是个事儿’”。快堆运行研究室维修副主任马勇刚很自豪地说出了这一番话。工作人员下一步计划对如何提高冷阱的实际可利用率进行更深入的研究。

栉风沐雨,快堆实现了满功率运行,冷阱经受住了考验,快堆的运行和科研队伍也经受住了考验。正是通过这些历练,快堆的科研队伍逐渐走向成熟,这支队伍将成为推动我国快堆事业不断发展的中坚。



 

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