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液态钠热工水力实验装置的退役处理

来源:    发布日期:2019-05-30 14:07:41    作者:

【内容摘要】本文主要介绍了液态钠热工水力实验装置的退役过程,实验回路内约 250kg 钠回收入中规模钠除钙净化装置的钠接收罐内,拆除钠管道约 65 米以及钠阀、贮钠罐、电磁泵、电磁流量计等设备。拆除的粘钠设备和管道上钠采用加热熔化排钠或者水蒸汽氮气清洗除钠两种方法进行了处理,本次退役工作积累了有效的钠回路退役经验,指导未来钠回路设备的维修更换、粘钠设备清洗,也为快堆粘钠设备清洗技术研究提供了宝贵的经验。

一、液态纳热工水力实验装置退役拆除背景
液态钠热工水力实验装置建于 20 世纪 90 年代,主要用于燃料组件流道堵塞实验,再生区组件交混实验和其他有关堆芯传热等实验研究工作( 见图 1) 。它由主回路、进排钠支路、净化支路、流量调节支路、流量计校验支路、覆盖气体供给系统、油—水冷却回路、空气冷却系统等组成,包括贮钠罐、冷阱、过滤器、混合器、电磁泵、蒸汽阱、起泡器、电磁流量计和回热器等设备,装置中总的钠量约为 300 公斤。由于其实验任务已经完成,回路已经停运多年,决定退役并拆除回路。
二、液态钠热工水力实验装置的退役拆除
钠回路的退役特殊性在于回路的主要介质钠,由于钠的化学性质极为活泼,在空气中极易氧化和燃烧,与水会发生强烈反应,在退役中必须将钠转化为稳定的化学物质。因此在考量退役方案时,为了保证安全以及简化钠回路退役的后续工作,必须将钠尽可能多地从回路内排出; 同时采用一种安全有效的方法,除去拆卸下来的管道、设备等上的残留钠。
( 一) 钠的导出与回收。液态钠热工水力实验装置停运时,将回路中绝大部分钠排入到贮钠罐中,这些钠保存状态比较好,杂质含量少。综合考虑后,采用将贮钠罐中的钠导出,并排入到现役的中规模钠除钙净化装置的钠接收罐中,将这部分钠回收再利用,节约了资源的同时也保证了安全。贮钠罐中钠排出装置的流程图如图 2 所示。将贮钠罐从液态钠热工水力实验装置上移除并做好在惰性气氛下的密封,将其运输并接入至中规模钠除钙净化装置,对贮钠罐抽真空 并 置 换 为 氩 气 气 氛,加 热 贮 钠 罐 至160℃,钠接收罐至 120℃,将贮钠罐中加压至 0. 2MPa,使钠流入到钠接收罐中,最终导出的钠约有 250kg。
( 二) 液态钠热工水力实验装置的拆除。装置的主要拆除过程包括一是拆除钠管道和设备的保温层和不锈钢薄铁皮; 二是拆除非钠部分管道和设备; 三是利用钠管道切割器对实验装置进行切割和拆卸; 四是对于钠量少的设备,如: 电磁泵和电磁流量计等和仪表及管道,优先考虑重复利用,若不能重复使用,则用切割器将它们切割成小部件,利用水蒸汽 - 氮气清洗回路清洗; 五是对于钠量多的设备采取熔钠排钠和水清洗相结合的方法除钠。

熔化排钠方法是将设备放置于具有惰性气氛的容器中,加热使钠排出; 也可将粘钠设备浸没于石蜡油槽中,加热石蜡油使钠熔化后排至石蜡油槽底部。化学除钠方法主要采用水蒸汽———氮气清洗方法除去部分粘钠设备和管道中的钠。液态钠热工水力实验装置共切割了不锈钢管道约 120米,其中粘钠管道约 65 米,拆除的主要设备包括钠阀、贮钠罐、过滤器、混合器、电磁泵、蒸汽阱、起泡器、电磁流量计和回热器等。拆除的管道、设备等都经过密封处理后存放,等待后续除钠处理。

三、粘钠设备及管道的清洗
水蒸汽———氮气清洗方法已经被证明是一种安全、有效的清洗除钠方法,应用于粘钠设备的清洗。所以液态钠热工水力实验装置拆除的管道、小型的粘钠设备均采用了水蒸汽———氮气清洗方法清洗除钠[1 ~ 3]。水蒸汽氮气清洗工艺的主要原理是在氮气气氛下金属钠与水蒸汽反应生成氢氧化钠和氢气,以达到除钠的目的。其反应式为:

液态钠热工水力实验装置上拆除的粘钠设备和管道,会放入水蒸汽———氮气清洗回路的清洗阱中进行清洗。清洗过程始终在氮气气氛中进行,首先进行水蒸汽清洗,然后水清洗,最终经过漂洗后,所有钠都转化为氢氧化钠后,清洗结束。清洗过程中,通过反应释放的氢气的浓度来控制反应的速率,氢气的浓度要求不能超过 1% 。反应产物氢氧化钠溶液通过加入硝酸全部转化成硝酸钠溶液后排放。

图 3 为待清洗前一台被拆开的阀门,图 4 为清洗完后一台被拆开的阀门,对比观察,阀芯表面附着的钠已经被完全清洗,清洗效果良好。图 5 和 6 为清洗前后的电磁泵。
最终退役装置的大部分粘钠设备和全部的粘钠管道都采用了水蒸汽———氮气清洗法清洗。剩余少部分粘钠量大、结构复杂的设备如冷阱,考虑到对其进行机械切割并清洗存在的危险性,需要制定更周全、更稳妥的处理方案,所以先考虑将其暂存于安全场所待后续处理。

四、结语
液态钠热工水力实验装置的退役拆除和清洗工作已基本顺利完成,本回路充装钠量达到 300kg 以上,回路中大部分钠的回收利用以及拆除的粘钠设备清洗安全有效的完成,都为未来钠回路的退役提供了宝贵的经验,指导未来钠回路设备的维修更换、粘钠设备清洗,也为快堆粘钠设备清洗技术研究提供了宝贵的经验。

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