CN105814235A - 一种核反应堆钢表面的回路内钝化方法 - Google Patents

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Abstract

一种核反应堆钢表面的回路内钝化方法包括用液态金属冷却剂填充核反应堆一回路，在液态金属冷却剂中加入能够与一回路元件的材料相互反应并形成保护膜的试剂，将其中加入有试剂的液态金属冷却剂的温度加热到能够形成保护膜的状态。将其中加入有试剂的液态金属冷却剂一直保持在该温度下，直到在一回路元件材料的表面上形成密实的保护膜。通过浸入到液态金属冷却剂中的叶轮泵叶片的旋转摩擦对其中加入有试剂的液态金属冷却剂进行加热。因此本发明提供了一种更简单的钝化过程以及更可靠的钝化模式，同时提高了钝化的安全性并使钢表面钝化过程的控制更简单。

Description

一种核反应堆钢表面的回路内钝化方法
本发明涉及核电领域，尤其涉及一种通过回路内钝化而保护液态金属冷却快反应堆钢结构表面的方法。
当液态金属冷却快反应堆运行时，一回路内表面会发生动态腐蚀，所述动态腐蚀是由于回路的不同温度区域之间冷却剂的循环而产生和发展的。在回路的高温区，液态金属冷却剂会溶解制作回路壁的合金的成分，并且溶解的金属会沿着回路移动。在回路冷的部分，溶液的成分会沉淀，这种沉积物会破坏热交换条件并会堵塞冷却剂的通道。为了防止与液态重金属冷却剂接触的反应堆一回路内表面的腐蚀，要对其进行钝化，在其表面生成具有可接受厚度、密实度、成分及强度的氧化膜。
目前，存在各种核反应堆钢结构表面的钝化方法。
已知一种用于减缓放射性材料制品表面上的沉积的核反应堆不锈钢管道表面的钝化方法(参见专利US4636266，国际分类号C23C08/10,，C23C08/14，公布日期13.01.1987)。按照这种方法用气态氧源，例如，温度为150-450℃(优选为250-350℃)的含有少量水蒸气的空气将预先抛光管道表面处理至少5小时。在安装到核反应堆之前用该方法对管道制品的表面进行预处理。
已知一种通过在含铬的镍合金制品的表面形成氧化铬膜而高温钝化奥氏体合金的方法(参见专利US6488783，国际分类号C23C8/02，C23C8/10，C23C8/16,公布日期03.12.2002)。该方法包括将待处理的管道制品加热到能氧化铬的温度(约为1100℃)，并将制品的表面在这个温度下以及在水蒸汽和惰性气体混合物介质中保持3-5分钟。混合物中水蒸汽的含量为0.08％-40m％。使用氢气、氩气、氦气或其混合物作为所述惰性气体。用这种方式处理过表面的管道制品用在水冷反应堆一回路中。该方法需要使用高的温度来加热制品，并且还需要相当昂贵的气体。
已知一种通过使用含肼的化学试剂溶液在表面生成氧化膜来钝化由珠光体钢制成的动力设备的方法(参见专利RU2195514，国际分类号C23C22/00，C23F11/00，公布日期27.12.2002)。在80-100℃的温度下使用含0.01-0.03g/l肼并添加pH为3.0-4.5的硝酸的溶液处理1-5小时。
已知一种钢管的钝化和清洗方法(参见专利，RU2000130144，国际分类号C23G5/00，C23F11/02，F28G13/00，公布日期，27.12.2002)，其包括使用含氧试剂对管道的内表面进行处理，使用添加有浓度不超过1.2g/l的氧气或氮气的空气作为所述含氧试剂，在试剂流的速度为50-200m/s及300-500℃的温度下处理0.5-50分钟。该方法用于钢管内表面事先的回路外钝化。
已知一种珠光体钢动力设备的无废料钝化及防腐方法(参见专利RU2182193，国际分类号C23F11/02，公布日期10.05.2002)。该方法包括通过在95-140℃的温度下在水或蒸汽介质中用氮酸铵处理1.5-3小时使表面形成氧化膜，氮酸铵在水或蒸汽中的浓度为60-150mg/kg。该方法能够提高设备防腐蚀的效果，并能完全消除废料的生成，这是因为当动力装置以额定状态输出时氮酸铵被分解成了氮和水。由于该方法适用于水冷核反应堆管道的处理，所以其应用范围有限。
已知一种核反应堆管道碳素钢的钝化方法(参见专利TWM347407，国际分类号C23C16/44，公布日期21.12.2008)，其包括使用含高浓度溶解氧并具有规定pH值的水来处理核电站一回路管道内表面。所述钝化方法在核反应运行前的测试阶段、启动阶段或维护/维修和关闭阶段使用。需要注意的是，已知这种方法用于水冷核反应堆碳素钢管道的钝化。而且实施该方法还需要使用额外设备，例如反应堆水的过滤器/除盐器、用于保存和供应维持所规定pH值的试剂的贮存器、净化反应堆水泵及电化学显示器。
已知一种核反应堆管道表面的钝化方法(参见专利JPS61199073，国际分类号C23C22/68；C23F14/00；C23F14/02，公布日期03.09.1986)，该方法包括在一回路中添加水，用加热器将水加热到超过管道钝化温度的温度，并使水的压力高于蒸发压力，用一回路泵将用加热器加热过的水在一回路中循环起来，从而在管道表面形成钝化膜。该方法应用范围有限，其不适用液态金属冷却核装置钢制元件的钝化，因为无论是温度工况，还是在这种反应堆结构中使用的材料都是完全不同的。
已知一种防止结构材料在铅、铋及铅铋合金中腐蚀的方法(参见专利RU93013041，国际分类号C23F11/00，公布日期27.06.1995)。该方法包括通过在具有低分压Po2-10-17atm.的液态金属介质中，例如在氧气在溶液中的热力学活度α为α021-10-4的Pb(Bi)-O或其合金中将材料在330-800℃的温度下处理1-100小时而形成厚度为1-50mkm的Me3O4尖晶石氧化保护膜。在公布的申请信息中没有液态金属介质加热设备的说明。
实践表明，对液态金属冷却快核反应堆一回路结构钢表面的预先处理无法保证其具有足够的钝化水平，当一回路结构表面与液态金属冷却剂，例如铅或铅铋共晶体相互反应时，在这些表面上的氧化过程将会微不足道。因此，对于液态金属冷却核反应堆钢结构来说，除了进行回路外(工厂)钝化，在核反应堆运行初期还要进行钢表面的回路内钝化。为了实施“新”堆芯钢元件在液态金属冷却剂中的钝化模式，在可接受时间内必须将液态金属冷却剂的温度提高到比将“新”堆芯装到反应堆之前的值要高很多的值。为了将液态金属冷却剂的温度提高钝化条件所必需的温度，通常会使用外部加热器或者低功率运转核装置。然而，外部加热器很难使用，因为使用它们就是在使用相当复杂和昂贵的加热系统，这会导致大量的额外投资。以特定功率运转反应堆装置可用于提高冷却剂的温度，以便进一步钝化。但与液态重金属冷却剂接触的一回路元件通常由不同品牌的钢制成：很多时候，对于燃料元件包壳来说，需要较低的氧气活度来形成其高质量的氧化保护膜，对于其他表面则需要较高的氧气活度。
已知一种核反应堆钢表面回路内钝化方法(参见专利RU2456686，国际分类号G21C1/03，公布日期20.07.2012)，该方法在基本特征上与本技术方案大体一致并将其作为原型。
原型方法包括向反应堆一回路填充液态金属冷却剂，在所述液态金属冷却剂中加入能与一回路元件材料相互反应并形成保护膜的试剂，将其中加入有试剂的液态金属冷却剂的温度加热至能形成保护膜的状态，并将其中加入有试剂的液态金属冷却剂保持在这个温度下一直到在一回路元件材料表面上形成密实的保护膜。使用在液态金属冷却剂工作温度下铅中的原子分数为10-5-10-4的碳作为与一回路元件材料相互反应的试剂。通过低功率运转核反应堆将液态金属冷却剂加热到钝化所需的温度。
由于在原型方法中必需以钝化所需的功率水平运转核反应堆，这使得钝化实施起来很复杂，降低了安全性并使控制钢表面的钝化过程的难度更大，这是由于提升功率是有核风险的。除此之外，它是一种昂贵的过程，因为它要求在非最佳运行模式下运行整个反应堆装置。此外，已知这种原型方法的应用范围有限，这是由于要求使用包括密封外壳，以及由钒或铌或基于钒和/或铌的合金制成的保护壳的燃料元件，而且要使用铅作为冷却剂。而且主要是在燃料元件保护壳的表面上形成了碳化膜，此时核反应堆一回路的其他元件(泵组、蒸汽发生器表面及其他)的钝化强度显然要小一些(在原型方法说明书中没有指出这些结构的材料是否包含钒、铌或基于钒和/或铌的合金)。
本发明的目的是提供一种能简化钝化过程，具有更可靠的钝化模式，同时提高钝化的安全性并使钢表面钝化过程的控制更简单的核反应堆钢表面回路内钝化方法。
为达到该目的，本发明提供了一种核反应堆钢表面回路内钝化方法，该方法包括向反应堆一回路填充液态金属冷却剂，在所述液态金属冷却剂中加入能与一回路元件材料相互反应并形成保护膜的试剂，将其中加入有试剂的液态金属冷却剂的温度加热至能形成保护膜的状态，并将其中加入有试剂的液态金属冷却剂保持在这个温度下一直到在一回路元件材料表面上形成密实的保护膜。通过浸入到加有试剂的液态金属冷却剂中的叶轮泵的叶片旋转摩擦液态金属冷却剂对其中加入有试剂的液态金属冷却剂进行加热是该方法的创新之处。当泵的叶片旋转时，通过摩擦力将其中的一部分能量消散到液态金属冷却剂中，从而提高了温度。
由于使用了反应堆装置的标准系统所以能简化钝化模式，此时没有必要以所需功率水平运转核反应堆，对一回路和燃料元件实施的单独钝化也简化了(先对无堆芯(带模拟器)的一回路进行钝化，然后再进行堆芯的钝化)。
使用一回路主循环泵作为所述可浸入液态金属冷却剂的叶轮泵。
当加热其中加入有试剂的液态金属冷却剂时，应该通过关闭一个或所有热交换装置来限制一回路的排热。
可以对核反应堆一回路元件进行事先的回路外(如工厂)钝化。
为了抑制通常由铬钢制成的一回路壁的腐蚀，在铅铋合金的冷却剂中加入氧气形式的试剂，以通过形成FeO(Cr,Fe)2O3尖晶石的厚膜来钝化壁的表层。
将其中加入有氧气的铅铋合金形式的液态金属冷却剂优选在370-500℃温度下保持2-10昼夜，此时在液态金属冷却剂中氧气的热力学活度α应保持在5.10-6-5.10-5的水平上。
本发明的核反应堆钢表面回路内钝化方法的实施方式如下，在核反应堆一回路内填充如铅铋合金的液态金属冷却剂。在所述液态金属冷却剂中加入能与一回路元件材料相互反应并形成保护膜的试剂，例如氧气。将在液态金属冷却剂中的氧气热力学活度α维持在5.10-6-5.10-5的水平上。通过旋转浸入到液态金属冷却剂中的叶轮泵，例如主循环泵的叶片，将其中加入有试剂的液态金属冷却剂加热到优选为370-500℃的温度。将其中加入有试剂的液态金属冷却剂一直保持在这个温度下并持续2-10昼夜，一直到在一回路元件材料的表面上形成密实的保护膜。
可以对堆芯和蒸汽发生器这样的一回路元件进行事先的(回路外，例如工厂)钝化处理。事先的钝化处理能将耗氧速率降低到约正常运行时的50％，由于蒸汽发生器与液态金属冷却剂的接触面积大，所以在钝化蒸汽发生器时能达到最大效果(约30％)。本发明方法的显著优点为，在特定条件下能形成细实耐用的保护(防腐蚀)氧化膜。
为证明本发明的核反应堆钢表面回路内钝化方法进行了大规模的综合试验研究。其中，就在高温(t＝620-650℃)条件下最主要的一回路元件-燃料元件(ЭП-823型钢)而言，在具有良好统计数据(数十家公司)的1000-5000小时的基础上显示，在熔体中进行氧化处理(表面钝化)能为所有的钢表面提供可靠的防腐保护。由于在没有任何保护，其中包括在试验过程中没有进行氧化处理的试样样品上发现点状腐蚀特征的腐蚀结节，所以上面这种情况是很重要的。
在钝化10万千瓦级的铅铋快堆(СВБР-100)一回路结构元件的过程中，对本发明的核反应堆钢表面回路内钝化方法进行试验验证。用700千瓦的主循环泵来加热液态金属冷却剂。热量损耗为51千瓦。实验验证结果显示，使用前没有在液态重金属冷却剂介质中进行过任何事先专门处理的一回路钢元件具有良好的耐腐蚀性。

Claims (9)

1.一种核反应堆钢表面回路内钝化方法，其包括向反应堆一回路填充液态金属冷却剂，在所述液态金属冷却剂中加入能与一回路元件材料相互反应并形成保护膜的试剂，将其中加入有试剂的液态金属冷却剂的温度加热至能形成保护膜的状态，并将其中加入有试剂的液态金属冷却剂保持在这个温度下一直到在一回路元件材料表面上形成密实的保护膜，叶轮泵浸入到液态金属冷却剂中，通过上述泵的叶片的旋转摩擦对其中加入有试剂的液态金属冷却剂进行加热。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用一回路主循环泵作为所述可浸入液态金属冷却剂的叶轮泵。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在加热其中加入有试剂的液态金属冷却剂的时候，通过关闭至少一个热交换装置来限制一回路的排热。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对核反应堆一回路元件进行事先的回路外钝化处理。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用铅铋合金作为所述液态金属冷却剂。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使用氧气作为所述试剂。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将其中加入有氧气的液态金属冷却剂保持在370-500℃的温度下。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将其中加入有氧气的液态金属冷却剂保持2-10昼夜。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将在液态金属冷却剂中的氧气热力学活度α维持在5.10-6-5.10-5的水平上。
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