粘鈉設(shè)備水蒸氣氮?dú)馇逑垂に囇芯?/h1>
2017-11-07 11:45:06李君瑜李凌霄劉績(jī)偉
核科學(xué)與工程 2017年5期
李君瑜，李 煦，謝 淳，李凌霄，劉績(jī)偉
(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)
粘鈉設(shè)備水蒸氣氮?dú)馇逑垂に囇芯?/p>
李君瑜，李 煦，謝 淳，李凌霄，劉績(jī)偉
(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)
快堆電站一、二回路的設(shè)備因?yàn)檎秤欣鋮s劑——鈉，在維修和退役前必須進(jìn)行除鈉處理。水蒸氣氮?dú)馇逑词强於央娬驹O(shè)備清洗系統(tǒng)所采用的清洗除鈉工藝。本文首先對(duì)該工藝的清洗原理進(jìn)行了分析，然后對(duì)工藝研究的試驗(yàn)裝置進(jìn)行了論述，最后通過(guò)兩種特征的粘鈉設(shè)備的清洗，深入分析清洗過(guò)程中所出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，為后續(xù)快堆電站粘鈉設(shè)備清洗技術(shù)的研究提供了保證，同時(shí)獲得了可直接用于中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)設(shè)備清洗系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。
鈉；粘鈉設(shè)備；水蒸氣氮?dú)馇逑?/p>
中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆采用鈉作為一、二回路冷卻劑，由于鈉的存在給設(shè)備檢修、退役帶來(lái)諸多不便，因此在檢修、退役前需要對(duì)粘鈉設(shè)備進(jìn)行除鈉處理[1]。本文從清洗原理入手，分析采用水蒸氣氮?dú)馇逑垂に嚨谋匾裕詢蓚€(gè)不同特征粘鈉設(shè)備的清洗為基礎(chǔ)，深入分析清洗過(guò)程中所出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，該分析結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)可用于指導(dǎo)后續(xù)快堆核電站涉鈉設(shè)備清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和CEFR設(shè)備清洗系統(tǒng)的運(yùn)行。
1 清洗原理
水蒸氣氮?dú)馇逑垂に嚨闹饕硎窃诘獨(dú)鈿夥障碌拟c水反應(yīng)。
(1)
2Na+2NaOH=2Na2O+H2(g)
(2)
2Na+H2=2NaH
(3)
反應(yīng)過(guò)程中相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。
表1 反應(yīng)相關(guān)焓值數(shù)據(jù)Table 1 Reaction-related enthalpy data
ΔH0=-425.6-(-241.8)=-183.8(kJ/mol)
ΔG0=-379.5-(-228.6)=-150.9(kJ/mol)
由ΔG0=-RTlnK可得，K=1.75×1025。
從反應(yīng)焓ΔH0看，鈉水反應(yīng)是一個(gè)劇烈放熱的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)發(fā)生時(shí)溫度會(huì)很快上升，而且很難控制。此反應(yīng)平衡常數(shù)K非常大，意味著反應(yīng)正向劇烈的進(jìn)行[2]。為了控制反應(yīng)的進(jìn)程，通入一定量的氮?dú)鈦?lái)降低反應(yīng)物中水蒸氣的濃度，減緩反應(yīng)向正向進(jìn)行的速度。同時(shí)，氮?dú)饽芟♂寶錃猓档团欧殴艿乐袣錃獾捏w積百分?jǐn)?shù)，防止氫氣爆炸事故的發(fā)生。此外，氮?dú)饪蓭ё叻磻?yīng)產(chǎn)生的熱量和鈉水反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣。
2 回路簡(jiǎn)介
水蒸氣—氮?dú)馇逑椿芈酚糜谡斥c設(shè)備清洗，該回路設(shè)計(jì)溫度200℃，設(shè)計(jì)壓力0.6MPa，主要包括清洗罐、水蒸氣冷凝器、電熱蒸汽發(fā)生器、液氮低溫儲(chǔ)罐、廢液收集罐等設(shè)備和氫分析儀、電導(dǎo)儀、流量計(jì)、壓力變送器、熱電阻等儀表(見(jiàn)圖1)。
3 粘鈉設(shè)備及清洗工藝參數(shù)選擇
3.1 粘鈉設(shè)備選擇
本次工藝研究我們選擇了兩種有特征的設(shè)備，設(shè)備A是裝鈉的細(xì)長(zhǎng)不銹鋼筒，一面封閉一面敞口。設(shè)備B是一段內(nèi)部充滿了鈉的不銹鋼管，兩端均敞口，由于沒(méi)有很好的隔絕空氣，兩端有較厚的碳酸鈉層。選擇這兩種粘鈉設(shè)備是因?yàn)閮煞N粘鈉設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但又有各自結(jié)構(gòu)特征，與反應(yīng)堆設(shè)備有類(lèi)似的特點(diǎn)。設(shè)備A液相反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)在反應(yīng)過(guò)程中一直留在設(shè)備里，設(shè)備B液相反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)隨著反應(yīng)進(jìn)行而逐漸排放，而且設(shè)備B表面覆蓋較厚的碳酸鈉層，可通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)備B表面的碳酸鈉是否會(huì)影響清洗效果。具體樣品結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2，圖3及表2所示。
3.2 關(guān)鍵工藝參數(shù)選擇
1 清洗壓力：兩種設(shè)備清洗過(guò)程中清洗壓力都選擇0.3MPa，因?yàn)樵诖酥暗睦淠黍?yàn)證試驗(yàn)中可知清洗壓力在約0.3MPa時(shí)，水蒸氣的冷凝效率最高。如果冷凝效率低，氣體排放管線水蒸氣過(guò)多，濕度太大會(huì)影響氫測(cè)量?jī)x表表的測(cè)量精度和使用壽命。
2 水蒸氣流量：水蒸氣初始流量選擇約40m3/h，當(dāng)氫含量為0，則需加大水蒸汽供應(yīng)量，一旦氫含量超過(guò)2%，則通過(guò)連鎖自動(dòng)關(guān)閉水蒸氣供應(yīng)。
圖1 水蒸氣氮?dú)馇逑椿芈妨鞒虉DFig.1 Flow chart of the water vapor-nitrogen cleaning loop
圖2 設(shè)備A結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of equipment A
3 氮?dú)饬髁浚旱獨(dú)獬跏剂髁窟x擇約50m3/h，隨著反應(yīng)的進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整，如果反應(yīng)進(jìn)行平穩(wěn)，則相對(duì)降低氮?dú)饬髁?，一旦氫含量超過(guò)2%，則迅速加大氮?dú)夂浚瑢錃鈳ё摺?/p>
圖3 設(shè)備B結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure diagram of equipment B
表2 設(shè)備尺寸和鈉量Table 2 Equipment size and sodium content
4 結(jié)果分析討論
4.1 設(shè)備A清洗結(jié)果分析討論
設(shè)備A清洗時(shí)清洗介質(zhì)流量和氫氣含量隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖4。
圖4 設(shè)備A清洗時(shí)介質(zhì)流量和氫氣含量隨時(shí)間變化的曲線Fig.4 Curve of the medium flow rate and the hydrogen content changed with time during cleaning equipment A
從圖4中可以看出，清洗初段，水蒸氣流量穩(wěn)定在40m3/h，清洗30min后，氫含量未有讀數(shù)，因此將水蒸氣流量提高到90m3/h，清洗約15min后，清洗罐內(nèi)發(fā)出較大聲響，而后陸續(xù)發(fā)出幾次較小聲響，氫含量在5min內(nèi)，從無(wú)讀數(shù)直接上升至17%。讀數(shù)到1%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷水蒸氣供應(yīng)，并迅速加大氮?dú)饬髁恐?00m3/h，10min后氫含量讀數(shù)歸0，再次開(kāi)啟水蒸氣流量至50m3/h，降低氮?dú)饬髁恐?0m3/h，氫含量一直為0直至20min后清洗結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)束后，打開(kāi)清洗容器上蓋觀察，長(zhǎng)不銹鋼筒沒(méi)有傾倒，依然是豎直放置狀態(tài)，筒內(nèi)充滿了水。取出不銹鋼筒，倒掉充滿的水后，發(fā)現(xiàn)底部有大約3mm厚的黏稠物質(zhì)，灌入自來(lái)水并搖晃后，發(fā)現(xiàn)有一些氣泡冒出，并且看到了有一粒金屬小球浮到水面上，然后在放出氣泡的同時(shí)迅速消失，同時(shí)黏稠物質(zhì)部分溶解。
分析整個(gè)清洗過(guò)程：(1) 豎直放置的長(zhǎng)筒內(nèi)的鈉和水蒸氣反應(yīng)，鈉表面上會(huì)先形成飽和氫氧化鈉薄膜，水?dāng)U散通過(guò)薄膜后才能和鈉接觸起反應(yīng)，飽和NaOH薄膜破裂時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大聲響，而后水和金屬鈉直接接觸，反應(yīng)瞬間加速，生成了更多氫氣，因此氫氣含量很難控制；(2) 殘余物中加入水后有金屬小球浮到水面上并且放出氫氣，說(shuō)明該容器內(nèi)的鈉在水蒸氣清洗時(shí)沒(méi)有完全反應(yīng)完畢；(3) 粘鈉設(shè)備的放置方式對(duì)清洗效果有相當(dāng)大的影響。
4.2 設(shè)備B清洗結(jié)果分析討論
圖5 設(shè)備B清洗時(shí)介質(zhì)流量和氫氣含量隨時(shí)間變化的曲線Fig.5 Curve of the medium flow rate and the hydrogen content changed with time during cleaning equipment B
設(shè)備B清洗時(shí)介質(zhì)流量和氫氣含量隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖5。
從圖5中可以看出，清洗初段，水蒸氣流量穩(wěn)定在40m3/h，12min后，清洗罐內(nèi)即有輕微聲響，氫含量迅速上升，上升至1%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷水蒸氣供應(yīng)，同時(shí)加大氮?dú)饬髁恐?00m3/h，最終氫含量最高上升到3%左右，期間仍有輕微聲響。10min后，重啟水蒸氣供應(yīng)至40m3/h，期間一直未檢測(cè)到氫，直至30min后清洗結(jié)束。清洗結(jié)束后打開(kāi)清洗罐，取出設(shè)備B，觀察到設(shè)備所粘鈉已全部清洗干凈。
分析整個(gè)清洗過(guò)程：(1) 在氫氣含量達(dá)到1%時(shí)切斷了水蒸氣供應(yīng)，整個(gè)過(guò)程中氫氣的含量沒(méi)有超過(guò)4%，氫含量控制較好；(2) 設(shè)備B兩端敞口，且更容易使鈉和氫氧化鈉流出，鈉不會(huì)在積聚后突然爆發(fā)，因此其反應(yīng)過(guò)程相對(duì)溫和；(3) 雖然該樣品表面覆蓋了一層碳酸鈉，但是從清洗效果來(lái)看，碳酸鈉未對(duì)清洗效果產(chǎn)生影響。綜合來(lái)看，設(shè)備B清洗過(guò)程快速、安全、平穩(wěn)，且氫含量控制較好，因此水蒸氣氮?dú)夥ㄇ逑磧啥顺?、氫氧化鈉溶液和熔化的鈉更易流出的管狀粘鈉設(shè)備效果很好。
從圖4和圖5可知，設(shè)備A和設(shè)備B的氮?dú)饬髁糠逯蹬c氫含量峰值吻合度高，表明在氫含量快速上升的時(shí)候，氮?dú)饪梢匝杆賻ё邭錃猓_保系統(tǒng)安全。將兩個(gè)樣品清洗參數(shù)、氫氣最高含量和清洗效果匯總?cè)绫?所示。
表3 粘鈉設(shè)備清洗試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of sodium-wetted equipment cleaning test
5 結(jié)論
(1) 粘鈉設(shè)備清洗采用水蒸氣氮?dú)馇逑捶ㄊ强尚械模獨(dú)庠谇逑催^(guò)程中營(yíng)造惰性氣氛和帶走氫氣的效果非常明顯。
(2) 鈉和水蒸氣反應(yīng)，先在鈉的表面生成飽和氫氧化鈉薄膜，薄膜會(huì)阻止鈉和水蒸氣接觸反應(yīng)，當(dāng)薄膜吸收水蒸汽至不飽和狀態(tài)時(shí)，鈉和薄膜的接觸面會(huì)生成氫氣漲破薄膜，造成清洗時(shí)清洗罐內(nèi)的響聲。薄膜漲破后，鈉和不飽和水蒸氣或冷凝的水直接接觸，反應(yīng)劇烈發(fā)生，反應(yīng)很難控制。
(3) 粘鈉設(shè)備的放置應(yīng)遵循生成的氫氧化鈉溶液和熔化的鈉更易流出的原則，避免反應(yīng)失控。
(4) 金屬鈉表面的碳酸鈉層對(duì)清洗不產(chǎn)生影響。
(5) 氫含量與水蒸氣供應(yīng)自動(dòng)連鎖，可有效降低清洗過(guò)程中的氫含量超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。該連鎖設(shè)計(jì)可用于以后快堆電站的設(shè)計(jì)。
[1] 徐銤，洪順章. 鈉工藝基礎(chǔ)[M]. 北京：中國(guó)原子能出版?zhèn)髅接邢薰荆?011.4：91-98.
[2] Peter Atkins，Julio de Paula. 物理化學(xué)(第七版)[M]. 北京：高等教育出版社，2006:862-892.
StudyontheWaterVapor-NitrogenCleaningProcessofSodium-wettedEquipment
LIJun-yu，LIXu，XIEChun，LILing-xiao，LIUJi-wei
(China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China)
Because the equipment in the primary and secondary loops of fast reactor plant had adhered sodium，they must be cleaned before maintenance and decommissioning. The water vapor-nitrogen cleaning scheme was used in the equipment cleaning system of fast reactor plant as sodium cleaning process. In this paper，the cleaning principle of this process was analyzed and the test equipment of this study was discussed. At last，the phenomena that appeared in the cleaning process was deeply analyzed by cleaning two kinds of sodium-wetted equipment，which provides a guarantee for the subsequent research on the cleaning technology of fast reactor sodium-wetted equipment，and obtains the operation experience for the equipment cleaning system of China Experimental Fast Reactor(CEFR).
Sodium；Device with residual sodium；Water vapor-nitrogen cleaning
2017-06-20
李君瑜(1981—)，男，陜西寶雞人，工程師，碩士，現(xiàn)從事涉鈉清洗工藝的研究工作
TL43
A
0258-0918(2017)05-0864-05
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李君瑜，李 煦，謝 淳，李凌霄，劉績(jī)偉
(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)
粘鈉設(shè)備水蒸氣氮?dú)馇逑垂に囇芯?/p>
李君瑜，李 煦，謝 淳，李凌霄，劉績(jī)偉
(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)
快堆電站一、二回路的設(shè)備因?yàn)檎秤欣鋮s劑——鈉，在維修和退役前必須進(jìn)行除鈉處理。水蒸氣氮?dú)馇逑词强於央娬驹O(shè)備清洗系統(tǒng)所采用的清洗除鈉工藝。本文首先對(duì)該工藝的清洗原理進(jìn)行了分析，然后對(duì)工藝研究的試驗(yàn)裝置進(jìn)行了論述，最后通過(guò)兩種特征的粘鈉設(shè)備的清洗，深入分析清洗過(guò)程中所出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，為后續(xù)快堆電站粘鈉設(shè)備清洗技術(shù)的研究提供了保證，同時(shí)獲得了可直接用于中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)設(shè)備清洗系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。
鈉；粘鈉設(shè)備；水蒸氣氮?dú)馇逑?/p>
中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆采用鈉作為一、二回路冷卻劑，由于鈉的存在給設(shè)備檢修、退役帶來(lái)諸多不便，因此在檢修、退役前需要對(duì)粘鈉設(shè)備進(jìn)行除鈉處理[1]。本文從清洗原理入手，分析采用水蒸氣氮?dú)馇逑垂に嚨谋匾裕詢蓚€(gè)不同特征粘鈉設(shè)備的清洗為基礎(chǔ)，深入分析清洗過(guò)程中所出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，該分析結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)可用于指導(dǎo)后續(xù)快堆核電站涉鈉設(shè)備清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和CEFR設(shè)備清洗系統(tǒng)的運(yùn)行。
1 清洗原理
水蒸氣氮?dú)馇逑垂に嚨闹饕硎窃诘獨(dú)鈿夥障碌拟c水反應(yīng)。
(1)
2Na+2NaOH=2Na2O+H2(g)
(2)
2Na+H2=2NaH
(3)
反應(yīng)過(guò)程中相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。
表1 反應(yīng)相關(guān)焓值數(shù)據(jù)Table 1 Reaction-related enthalpy data
ΔH0=-425.6-(-241.8)=-183.8(kJ/mol)
ΔG0=-379.5-(-228.6)=-150.9(kJ/mol)
由ΔG0=-RTlnK可得，K=1.75×1025。
從反應(yīng)焓ΔH0看，鈉水反應(yīng)是一個(gè)劇烈放熱的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)發(fā)生時(shí)溫度會(huì)很快上升，而且很難控制。此反應(yīng)平衡常數(shù)K非常大，意味著反應(yīng)正向劇烈的進(jìn)行[2]。為了控制反應(yīng)的進(jìn)程，通入一定量的氮?dú)鈦?lái)降低反應(yīng)物中水蒸氣的濃度，減緩反應(yīng)向正向進(jìn)行的速度。同時(shí)，氮?dú)饽芟♂寶錃猓档团欧殴艿乐袣錃獾捏w積百分?jǐn)?shù)，防止氫氣爆炸事故的發(fā)生。此外，氮?dú)饪蓭ё叻磻?yīng)產(chǎn)生的熱量和鈉水反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣。
2 回路簡(jiǎn)介
水蒸氣—氮?dú)馇逑椿芈酚糜谡斥c設(shè)備清洗，該回路設(shè)計(jì)溫度200℃，設(shè)計(jì)壓力0.6MPa，主要包括清洗罐、水蒸氣冷凝器、電熱蒸汽發(fā)生器、液氮低溫儲(chǔ)罐、廢液收集罐等設(shè)備和氫分析儀、電導(dǎo)儀、流量計(jì)、壓力變送器、熱電阻等儀表(見(jiàn)圖1)。
3 粘鈉設(shè)備及清洗工藝參數(shù)選擇
3.1 粘鈉設(shè)備選擇
本次工藝研究我們選擇了兩種有特征的設(shè)備，設(shè)備A是裝鈉的細(xì)長(zhǎng)不銹鋼筒，一面封閉一面敞口。設(shè)備B是一段內(nèi)部充滿了鈉的不銹鋼管，兩端均敞口，由于沒(méi)有很好的隔絕空氣，兩端有較厚的碳酸鈉層。選擇這兩種粘鈉設(shè)備是因?yàn)閮煞N粘鈉設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但又有各自結(jié)構(gòu)特征，與反應(yīng)堆設(shè)備有類(lèi)似的特點(diǎn)。設(shè)備A液相反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)在反應(yīng)過(guò)程中一直留在設(shè)備里，設(shè)備B液相反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)隨著反應(yīng)進(jìn)行而逐漸排放，而且設(shè)備B表面覆蓋較厚的碳酸鈉層，可通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)備B表面的碳酸鈉是否會(huì)影響清洗效果。具體樣品結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2，圖3及表2所示。
3.2 關(guān)鍵工藝參數(shù)選擇
1 清洗壓力：兩種設(shè)備清洗過(guò)程中清洗壓力都選擇0.3MPa，因?yàn)樵诖酥暗睦淠黍?yàn)證試驗(yàn)中可知清洗壓力在約0.3MPa時(shí)，水蒸氣的冷凝效率最高。如果冷凝效率低，氣體排放管線水蒸氣過(guò)多，濕度太大會(huì)影響氫測(cè)量?jī)x表表的測(cè)量精度和使用壽命。
2 水蒸氣流量：水蒸氣初始流量選擇約40m3/h，當(dāng)氫含量為0，則需加大水蒸汽供應(yīng)量，一旦氫含量超過(guò)2%，則通過(guò)連鎖自動(dòng)關(guān)閉水蒸氣供應(yīng)。
圖1 水蒸氣氮?dú)馇逑椿芈妨鞒虉DFig.1 Flow chart of the water vapor-nitrogen cleaning loop
圖2 設(shè)備A結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of equipment A
3 氮?dú)饬髁浚旱獨(dú)獬跏剂髁窟x擇約50m3/h，隨著反應(yīng)的進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整，如果反應(yīng)進(jìn)行平穩(wěn)，則相對(duì)降低氮?dú)饬髁?，一旦氫含量超過(guò)2%，則迅速加大氮?dú)夂浚瑢錃鈳ё摺?/p>
圖3 設(shè)備B結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure diagram of equipment B
表2 設(shè)備尺寸和鈉量Table 2 Equipment size and sodium content
4 結(jié)果分析討論
4.1 設(shè)備A清洗結(jié)果分析討論
設(shè)備A清洗時(shí)清洗介質(zhì)流量和氫氣含量隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖4。
圖4 設(shè)備A清洗時(shí)介質(zhì)流量和氫氣含量隨時(shí)間變化的曲線Fig.4 Curve of the medium flow rate and the hydrogen content changed with time during cleaning equipment A
從圖4中可以看出，清洗初段，水蒸氣流量穩(wěn)定在40m3/h，清洗30min后，氫含量未有讀數(shù)，因此將水蒸氣流量提高到90m3/h，清洗約15min后，清洗罐內(nèi)發(fā)出較大聲響，而后陸續(xù)發(fā)出幾次較小聲響，氫含量在5min內(nèi)，從無(wú)讀數(shù)直接上升至17%。讀數(shù)到1%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷水蒸氣供應(yīng)，并迅速加大氮?dú)饬髁恐?00m3/h，10min后氫含量讀數(shù)歸0，再次開(kāi)啟水蒸氣流量至50m3/h，降低氮?dú)饬髁恐?0m3/h，氫含量一直為0直至20min后清洗結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)束后，打開(kāi)清洗容器上蓋觀察，長(zhǎng)不銹鋼筒沒(méi)有傾倒，依然是豎直放置狀態(tài)，筒內(nèi)充滿了水。取出不銹鋼筒，倒掉充滿的水后，發(fā)現(xiàn)底部有大約3mm厚的黏稠物質(zhì)，灌入自來(lái)水并搖晃后，發(fā)現(xiàn)有一些氣泡冒出，并且看到了有一粒金屬小球浮到水面上，然后在放出氣泡的同時(shí)迅速消失，同時(shí)黏稠物質(zhì)部分溶解。
分析整個(gè)清洗過(guò)程：(1) 豎直放置的長(zhǎng)筒內(nèi)的鈉和水蒸氣反應(yīng)，鈉表面上會(huì)先形成飽和氫氧化鈉薄膜，水?dāng)U散通過(guò)薄膜后才能和鈉接觸起反應(yīng)，飽和NaOH薄膜破裂時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大聲響，而后水和金屬鈉直接接觸，反應(yīng)瞬間加速，生成了更多氫氣，因此氫氣含量很難控制；(2) 殘余物中加入水后有金屬小球浮到水面上并且放出氫氣，說(shuō)明該容器內(nèi)的鈉在水蒸氣清洗時(shí)沒(méi)有完全反應(yīng)完畢；(3) 粘鈉設(shè)備的放置方式對(duì)清洗效果有相當(dāng)大的影響。
4.2 設(shè)備B清洗結(jié)果分析討論
圖5 設(shè)備B清洗時(shí)介質(zhì)流量和氫氣含量隨時(shí)間變化的曲線Fig.5 Curve of the medium flow rate and the hydrogen content changed with time during cleaning equipment B
設(shè)備B清洗時(shí)介質(zhì)流量和氫氣含量隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖5。
從圖5中可以看出，清洗初段，水蒸氣流量穩(wěn)定在40m3/h，12min后，清洗罐內(nèi)即有輕微聲響，氫含量迅速上升，上升至1%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷水蒸氣供應(yīng)，同時(shí)加大氮?dú)饬髁恐?00m3/h，最終氫含量最高上升到3%左右，期間仍有輕微聲響。10min后，重啟水蒸氣供應(yīng)至40m3/h，期間一直未檢測(cè)到氫，直至30min后清洗結(jié)束。清洗結(jié)束后打開(kāi)清洗罐，取出設(shè)備B，觀察到設(shè)備所粘鈉已全部清洗干凈。
分析整個(gè)清洗過(guò)程：(1) 在氫氣含量達(dá)到1%時(shí)切斷了水蒸氣供應(yīng)，整個(gè)過(guò)程中氫氣的含量沒(méi)有超過(guò)4%，氫含量控制較好；(2) 設(shè)備B兩端敞口，且更容易使鈉和氫氧化鈉流出，鈉不會(huì)在積聚后突然爆發(fā)，因此其反應(yīng)過(guò)程相對(duì)溫和；(3) 雖然該樣品表面覆蓋了一層碳酸鈉，但是從清洗效果來(lái)看，碳酸鈉未對(duì)清洗效果產(chǎn)生影響。綜合來(lái)看，設(shè)備B清洗過(guò)程快速、安全、平穩(wěn)，且氫含量控制較好，因此水蒸氣氮?dú)夥ㄇ逑磧啥顺?、氫氧化鈉溶液和熔化的鈉更易流出的管狀粘鈉設(shè)備效果很好。
從圖4和圖5可知，設(shè)備A和設(shè)備B的氮?dú)饬髁糠逯蹬c氫含量峰值吻合度高，表明在氫含量快速上升的時(shí)候，氮?dú)饪梢匝杆賻ё邭錃猓_保系統(tǒng)安全。將兩個(gè)樣品清洗參數(shù)、氫氣最高含量和清洗效果匯總?cè)绫?所示。
表3 粘鈉設(shè)備清洗試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of sodium-wetted equipment cleaning test
5 結(jié)論
(1) 粘鈉設(shè)備清洗采用水蒸氣氮?dú)馇逑捶ㄊ强尚械模獨(dú)庠谇逑催^(guò)程中營(yíng)造惰性氣氛和帶走氫氣的效果非常明顯。
(2) 鈉和水蒸氣反應(yīng)，先在鈉的表面生成飽和氫氧化鈉薄膜，薄膜會(huì)阻止鈉和水蒸氣接觸反應(yīng)，當(dāng)薄膜吸收水蒸汽至不飽和狀態(tài)時(shí)，鈉和薄膜的接觸面會(huì)生成氫氣漲破薄膜，造成清洗時(shí)清洗罐內(nèi)的響聲。薄膜漲破后，鈉和不飽和水蒸氣或冷凝的水直接接觸，反應(yīng)劇烈發(fā)生，反應(yīng)很難控制。
(3) 粘鈉設(shè)備的放置應(yīng)遵循生成的氫氧化鈉溶液和熔化的鈉更易流出的原則，避免反應(yīng)失控。
(4) 金屬鈉表面的碳酸鈉層對(duì)清洗不產(chǎn)生影響。
(5) 氫含量與水蒸氣供應(yīng)自動(dòng)連鎖，可有效降低清洗過(guò)程中的氫含量超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。該連鎖設(shè)計(jì)可用于以后快堆電站的設(shè)計(jì)。
[1] 徐銤，洪順章. 鈉工藝基礎(chǔ)[M]. 北京：中國(guó)原子能出版?zhèn)髅接邢薰荆?011.4：91-98.
[2] Peter Atkins，Julio de Paula. 物理化學(xué)(第七版)[M]. 北京：高等教育出版社，2006:862-892.
StudyontheWaterVapor-NitrogenCleaningProcessofSodium-wettedEquipment
LIJun-yu，LIXu，XIEChun，LILing-xiao，LIUJi-wei
(China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China)
Because the equipment in the primary and secondary loops of fast reactor plant had adhered sodium，they must be cleaned before maintenance and decommissioning. The water vapor-nitrogen cleaning scheme was used in the equipment cleaning system of fast reactor plant as sodium cleaning process. In this paper，the cleaning principle of this process was analyzed and the test equipment of this study was discussed. At last，the phenomena that appeared in the cleaning process was deeply analyzed by cleaning two kinds of sodium-wetted equipment，which provides a guarantee for the subsequent research on the cleaning technology of fast reactor sodium-wetted equipment，and obtains the operation experience for the equipment cleaning system of China Experimental Fast Reactor(CEFR).
Sodium；Device with residual sodium；Water vapor-nitrogen cleaning
2017-06-20
李君瑜(1981—)，男，陜西寶雞人，工程師，碩士，現(xiàn)從事涉鈉清洗工藝的研究工作
TL43
A
0258-0918(2017)05-0864-05
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