□呂明宇 王沖 裴志勇

鈉冷快堆采用液態(tài)金屬鈉作為一、二回路主熱傳輸系統(tǒng)的冷卻劑，但是主熱傳輸系統(tǒng)的性能，可以因冷卻劑中雜質的存在而嚴重受損，同時，在反應堆運行時，鈉冷卻劑中的雜質也會加速結構材料的腐蝕，這些雜質及腐蝕產物可在系統(tǒng)及設備結構的狹窄處或低溫區(qū)沉積，阻塞流道，影響熱傳輸性能，還會對系統(tǒng)中放射性物質的質量遷移發(fā)揮作用。因此，必須嚴格控制有害雜質在冷卻劑中的含量，清除反應堆主冷卻系統(tǒng)鈉中的雜質，維持鈉冷卻劑的質量指標要求，保證反應堆安全運行。鈉冷快堆一般會專設鈉凈化系統(tǒng)用于一、二回路及其輔助系統(tǒng)內冷卻劑中雜質含量的控制。冷阱是鈉凈化系統(tǒng)的關鍵設備，主要是通過沉積方法來實現鈉中雜質的析出和捕集。

一、冷阱凈化能力的理論分析

(一)凈化效率分析。當鈉的溫度低于雜質飽和溫度以下的時候，就會出現氧化鈉等雜質的沉積，沉積的過程分為兩步:即剛剛成核粒子隨流動的鈉遷移到臨近的固體表面或已結晶的雜質粒子的鈉處，即所謂質量遷移過程;及之后新成核的粒子再沉積到增長的結晶上或冷的固體表面上。

冷阱內氧化鈉等雜質的凈化效率可表示為:

式中，W:鈉流速;A:結晶的表面積;K:質量遷移系數。

對于鈉流速W:由上式可看出，正如所期望的，在一個給定的鈉流速下，效率是隨質量遷移系數K的增加而增加的，同時也是隨雜質結晶表面積的增加而增加的。就鈉流速W而言，實際是鈉流在冷阱內停留時間的體現。通過實驗研究得出，鈉在冷阱內的最佳停留時間為5～8分鐘，更長的停留時間對效率影響不大。

對于質量遷移系數K:當K值增加時E隨之增加，為此增加K值是極其有利的，增加K值的方法可采用在冷阱的結晶區(qū)增加鈉流攪拌的辦法來實現。這種攪拌的結果既增加了鈉在冷阱內的流動、延長了鈉的流徑，同時也相應縮短了鈉在冷阱內過長的停留時間。盡管這種攪拌效果會使K值大大增加，但卻也有其不利的一面，即增加了空間設備，增加了成本和運行問題。

對于雜質結晶的表面面積A:結晶表面面積是由兩部分的貢獻共同提供的。即A1和A0(A=A1+A0)，其中A0代表的是冷阱內最低溫度處的所謂恒溫區(qū)，雜質在該區(qū)內結晶可被認為是一個致密床，該值是恒定的;而A1代表的則是鈉溫開始降低的冷阱入口及其以后區(qū)段。它受兩個因素的影響，一是結晶在沉積前的移動使其面積的減小;二是“沉積前”順流而下的結晶長大而使其面積的增加。就表面面積對E的影響而言，根據A1、A0等偏微分方程所推導出的方程式可以簡單描述為:冷阱效率是隨著時間的推移而降低的，然而它卻有朝著冷捕集結束變?yōu)楹愣ǖ奶攸c。

(二)凈化速率分析。冷阱內氧化鈉等雜質的凈化速率可表示為:

Pr=W·E(Cs－Ce)=W·E·ΔC

式中，W:鈉流速;E:凈化效率;Cs:溶液中(過飽和的)溶質的濃度;Ce:平衡工況的飽和濃度;△C:濃度差。

從上式可以看出冷阱凈化速率與冷阱內鈉流速W、冷阱效率E、鈉系統(tǒng)中雜質濃度與冷阱最低溫度下的溶解度濃度差值△C成正比。然而應當注意到的是冷阱內過快的鈉流速將導致鈉流在冷阱內短的停留時間而造成雜質被捕集量的減少，即凈化效率降低。從式中還可看出，盡管凈化速率Pr隨系統(tǒng)中雜質濃度與冷阱最低溫度下的溶解度濃度差值△C的增加而加快，然而特別應當注意的是對絲網填充型冷阱而言，由于可能發(fā)生的冷阱阻塞問題，該值不能過大，一般控制在10ppm或稍低(以氧計)。因此，需要在凈化速率和凈化效率間取得平衡值。

二、冷阱凈化能力的結構分析

(一)未分區(qū)捕集結構。在冷阱發(fā)展的最初階段，捕集區(qū)的結構多未分區(qū)，采取一體的或纏繞式的金屬絲網結構，利用空氣或者鈉鉀合金作為冷卻介質，讓捕集區(qū)內形成溫度梯度，鈉中雜質因飽和而析出，在金屬絲網上結晶和捕集。圖1、2分別為EBR－II和PHENIX所采用的冷阱的結構。該型捕集結構簡單，易實現，上下溫度梯度明顯。但捕集效率不高，沉積物容易在絲網的底部或者入口處形成聚集，阻塞流道，導致上部的絲網無法利用，從試驗的結果看，僅有約1/3的絲網能被利用。究其原因是飽和的鈉在金屬絲網底部最低溫度處沒有足夠的停留時間，使得金屬絲網具有較短的沉積區(qū)域，而等填充密度的金屬絲網捕集雜質的能力是相同的，雜質則集中沉積在金屬絲網的徑向入口區(qū)域。因此，在給定所要捕集雜質量的前提下，如果沒有足夠的冷阱容量或者金屬絲網利用率不高，那么單純放大冷阱內部金屬絲網的體積是無意義的。

圖1 EBR－II堆冷阱結構示意圖

圖2 PHENIX冷阱結構示意圖

圖3 PFBR堆用冷阱結構示意圖

(二)分區(qū)捕集結構。圖3是PFBR做實驗所用的二回路冷阱結構示意圖。該冷阱分成冷卻區(qū)域和等溫區(qū)域，在冷卻區(qū)域布置了適宜的金屬絲網，能夠捕集少量雜質;當進入到等溫區(qū)域時，由于有充裕的停留時間，雜質會在該區(qū)域大量沉積。

圖4 移除雜質質量沿金屬絲網軸向分布

圖5 雜質濃度沿金屬絲網徑向分布

圖4為移除雜質的質量沿金屬絲網軸向分布圖。可以看到，除了靠近入口外，其余各處析出的雜質量幾乎相等。圖5為沿著金屬絲網徑向方向雜質的濃度分布圖。當半徑大于23.75mm時，雜質濃度沿徑向上分布十分均勻。因此，金屬絲網填充密度遞增的排列方式是合理的。

圖6 雜質軸向分布對比(有等溫區(qū)和無等溫區(qū))

圖7 雜質徑向分布對比(有等溫區(qū)和無等溫區(qū))

圖6和圖7分別是有無等溫區(qū)域時雜質沿軸向和徑向方向的分布情況。由圖可知，有等溫區(qū)域時捕集雜質量明顯多于無等溫區(qū)域時捕集的雜質量。這主要是因為功能分區(qū)后，降到飽和溫度以下的鈉在等溫區(qū)域有充裕的停留時間，使雜質在金屬絲網上沉積。然而，過長的金屬絲網對提高冷阱凈化效率是無意義的。

三、結語

第一，為了增加液鈉在冷阱最低溫度處的停留時間和冷阱容量，可將冷阱分為冷卻區(qū)域和過濾區(qū)域(等溫區(qū)域);第二，為了使金屬填充物利用率達到最大化，金屬填充物可采用間斷性的、填充密度遞增的排列方式。

［1］《快堆研究》編譯部組譯.鈉、鈉鉀工程手冊［Z］.1986

［2］Hebditch，A.D.，Gliddon，B.J.Impurity crystallization in liquid sodium systems［J］.In 3rd International Conference on Liquid Metal Technology in Energy Production，USA，1976:643～649

［3］Saint Martin，C.，Latge，C.，Michaille，P.Mechanism and kinetics crystallization of sodium hydride in cold traps［J］.In 4th International Conference on Liquid Metal Engineering and Technology，France:617～1/1～10