铅基反应堆系统杂质来源概述

娄芮凡 李娜 郭靓 岳倪娜

摘要：在铅基装置回路的运行过程中，冷却剂会与回路渗入或结构材料迁移进来的氧元素结合生成多种氧化物，这些氧化物有的会覆盖在结构钢表面，有的会漂浮在冷却剂表面也有的会堵塞在回路的细小通道和缝隙中，会对回路的运行安全带来不利影响。本文将从杂质在正常运行工况的输入开始，进而依次对铅基冷却剂表面杂质的收集方法思路和收集器构造和基本原理、杂质过滤装置的特点、铅基冷却剂气相除杂装置系统的性能以及气相除杂扩散装置的性能特点等目前关于铅基装置系统冷却剂净化设备和手段进行探讨和说明。最终提供一种铅基冷却剂回路系统的除杂的优化策略。

关键词：铅基反应堆、冷却剂成分控制、杂质

1.引言

众所周知，鉛基液态重金属冷却剂快中子反应堆具有高固有安全性、高功率密度、装置尺寸小分部紧凑、长寿期、用途广且其与能量装换系统匹配性广等特点，是第四代反应堆的主要方向之一。

但是还有很多与铅基冷却剂反应堆相关的一些关键科学问题亟待解决，比如冷却剂与结构材料的相容性、冷却剂的流动特性、传热特性、测量工艺技术、关键设备制造和关键辅助系统的研制等问题。其中有一个与上述几乎所有问题都相关的问题，即铅基冷却剂成分控制与净化问题。

由于运行中冷却剂氧化腐蚀产生的杂质会以各种形态存在在回路中，有些漂浮在冷却剂表面、有些堵塞在传热管管道中、有些覆盖在钢结构表面上，它们会影响冷却剂的流动，恶化装置传热性能、影响测控仪器仪表的精度、降低结构材料的性能，进而影响回路钢结构的完整性，降低装置服役寿命，严重威胁回路运行的安全。

国际上苏联从1951年就开始了对铅铋核动力装置的研究，见图1，其获得的研究成果也最全面、最深入的，二十世纪六十年代他们启动“645项目”和“705项目”共制造了十余艘铅铋冷却剂核潜艇，并一直服役到八十年代初期。

本文主要讨论现有的铅基冷却剂杂质的成分、来源于分布进行梳理。

2.回路正常工况下的杂质来源

在回路第一次填充铅基合金冷却剂后的运行中（非事故状态）杂质大致来源分为：与回路内的氧结合产生氧化物杂质、外部引入杂质和辐照产物三大类。

系统回路内氧的来源与可能生成的氧化物

（1）回路气体系统泄漏出来的水蒸气;

（2）回路中气溶胶上吸附的气体;

（3）回路内结构材料表面吸附的气体;

（4）回路结构材料表面腐蚀产物氧化物中的氧，即在回路安装过程中传热管、主管道等各种部件会与空气、水蒸气长时间接触，生成赤铁矿、针铁矿、纤铁矿等腐蚀产物，其中主要生成的赤铁矿在高温加热后会生成磁性铁矿;

（5）回路真空处理后回路中残存的氧气，有俄罗斯研究机构研究发现，回路真空处理时在压力（真空度）为5×10-5mm（Hg）时填充惰性气体后，回路内每立方米任有0.02克的氧;

（6）为维护回路运行氧活性值而加入的辅助控氧系统中的氧（PbO2等）。

这些氧会与铅基冷却剂和结构钢发生反应生成氧化物杂质，如：

a.密度为9.4g/cm3、熔点为884℃的PbO，其颜色在（400-500）℃时会由黄色转为红色;

b.密度为（8.8-9.2）g/cm3、降解温度为550℃、亮朱红色的Pb3O4混合物;

c.密度为（8.9-9.2）g/cm3、降解温度为290℃-320℃的棕色PbO2;

d.密度为8.3g/cm3，黑色非结晶低价氧化铅Pb2O，它属于部分氧化铅的还原产物;

e.密度为8.76g/cm3、熔点为820℃的黄色粉末状物质Bi2O3，它与铅的氧化物还可以结合生成2PbO·Bi2O、2Pb·2 Bi2O3、PbO·BiO3。另外BiO其实是Bi2O3和Bi的混合物，可以看成是还原三价铋的中间产物;

f.密度为2.013 g/cm3、熔点为（1973±15）℃的白色晶体Li2O，此外还有Li2O2，但它的热稳定性很差。

g.冷却剂与钢结构材料反应会生成黑色磁铁Fe3O4，密度5.2 g/cm3，熔点1597℃、密度4.88g/cm3的棕色γFe2O3，它在温度高于250℃时会转化为赤铁矿、密度为5.25 g/cm3，颜色分布为砖红色到黑色的顺磁性赤铁矿αFe2O3，其在1437℃的条件下会分解为Fe3O4;

h.从结构钢的元素中，还有Gr、Ni、Al、C、Ag、Cu、In、Zn、Mg、Ti、Si、Ga、As、Sb、Sn、Cd、Mn、Co、Te、Au等元素会与氧结合生成相应的氧化物，其中与氧结合最稳定的氧化物是Gr2O3，这些的氧化物的形态、含量和沉积方式的特点因回路运行工况的变化而无法确定。

3.系统回路安装和运行时从外部引入的杂质

a.回路建造和维修时焊接所产生的焊渣、焊接毛刺。俄罗斯的研究统计经验表明，回路中没1m?的流通空间上平均有100条焊缝，焊接面积约为1×10-2㎡，且在高温段（>500℃）中的氧的扩散率为10-11g/cm2s;

b.回路中因安装和修理所掉落的金属屑、零件等;

c.石棉纤维;

d.回路中的溶解盐;

e.回路中泵的轴承、轴封中的密封油物质。这些油将被泵运行时有两种途径进入回路：一种是直接以小液滴的形式被气流带入回路，另一种是以饱和油蒸汽的形式进入回路。油脂性物质进入回路后在高温的冷却剂作用下分解成为碳和二氧化碳气体。

4.总结

以上的内容大致概括了铅基核动力装置在正常工况下的杂质来源和杂质种类。它们会影响冷却剂的流动，恶化装置传热性能、影响测控仪器仪表的精度、降低结构材料的性能，进而影响回路钢结构的完整性，降低装置服役寿命，严重威胁回路运行的安全。

例如前苏联第一批K-27艇在运行五年后发现其管道，主泵和换热管等部件有严重的杂质堆积，如图2所示，杂质的主要成分为溶解的金属元素、氧化物和油渣，造成功率损失和堆芯熔化。

为更好的控制冷却剂的组分以确保回路的安全与高效，需要针对冷却剂的不同类型和性质设计和开发净化装置，比如现有的丝网过滤装置、表面杂质捕集装置、磁力捕集装置和还原气体捕集装置等。

作者简介：娄芮凡（1992.08）男，四川成都人，硕士研究生，助理工程师，热工水力研究方向