CN111128418B - 用于检测冷阱净化性能的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于检测冷阱净化性能的方法及系统，所述方法包括：在纯净液态钠中引入杂质；检测液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值；当达到所述第一预设值时，利用冷阱对液态钠进行净化，并实时检测流入冷阱的液态钠中杂质的第一含量和从冷阱流出的液态钠中杂质的第二含量；以及基于所述第一含量和所述第二含量，评估冷阱的净化性能。

Description

用于检测冷阱净化性能的方法及系统
技术领域
本发明的实施例涉及核工程技术领域，特别涉及一种用于检测冷阱净化性能的方法及系统。
背景技术
在钠冷快堆中，采用液态钠作为冷却剂对堆芯进行换热。液态钠中存在的金属杂质和非金属杂质对传热性能、材料性能、核性能等有害，甚至会影响到反应堆的安全运行。例如，杂质氧会加速钠对组件包壳和结构材料的腐蚀，导致其机械性能发生改变；并且，杂质氧的化合物和杂质钙的化合物在钠中沉淀，会导致流道堵塞，影响燃料组件和热交换器的传热性能；此外，杂质钾在辐照条件下会发生中子活化反应，产生放射性同位素41Ar，增加钠的覆盖气体的放射性。
因此，有必要对入堆核级钠、一回路钠和二回路钠中杂质的质量进行监控。为满足对液态钠的纯度要求，通常在反应堆或钠回路上采用冷阱对液态钠中的杂质进行净化。冷阱的净化性能指标包括净化速率、捕集能力和杂质容量，不同结构型式的冷阱具有不同的净化性能指标，这些指标是钠冷快堆一、二回路钠净化系统设置冷阱数量的依据。
因此，有必要对冷阱的净化性能进行检测，以便针对不同应用情况选择不同型式和不同数量的冷阱。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于检测冷阱净化性能的方法及系统，以解决上述技术问题中的至少一个方面。
根据本发明的一个方面，提出一种用于检测冷阱净化性能的方法，包括：在纯净液态钠中引入杂质；检测液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值；当达到所述第一预设值时，利用冷阱对液态钠进行净化，并实时检测流入冷阱的液态钠中杂质的第一含量和从冷阱流出的液态钠中杂质的第二含量；以及基于所述第一含量和所述第二含量，评估冷阱的净化性能。
根据一些实施方式，所述在纯净液态钠中引入杂质包括：在纯净液态钠中加入预设量的固体过氧化钠。
根据一些实施方式，所述检测液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值包括：使得液态钠沿第一回路流动，利用第一测量单元检测所述第一回路中的液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值。
根据一些实施方式，所述实时检测所述第一含量和所述第二含量包括：使得液态钠沿第二回路流动，利用所述第一测量单元检测所述第二回路中的液态钠中杂质的所述第一含量，以及利用第二测量单元检测所述第二回路中的液态钠中杂质的所述第二含量。
根据一些实施方式，通过打开或关闭切换阀门来对所述第一回路和所述第二回路进行切换。
根据一些实施方式，基于所述第二含量达到第二预设值，完成一个周期的检测。
根据一些实施方式，所述方法还包括：对冷阱净化性能进行多个周期的持续检测。
根据一些实施方式，还包括：基于所述第一含量和所述第二含量，计算所述冷阱收集到的杂质量，并基于所述杂质量评估所述冷阱的捕集能力。
根据一些实施方式，还包括：对流入所述冷阱的液态钠进行换热处理，使其达到第一预设温度；以及对从所述冷阱流出的液态钠进行换热处理，使其达到第二预设温度。
根据本发明的另一方面，提出一种用于检测冷阱净化性能的系统，包括：储存单元，设置为储存液态钠，所述液态钠从所述储存单元流出，经过第一回路或第二回路流回所述储存单元；加料单元，设置为向所述储存单元内投放添加物，以在液态钠中引入杂质；冷阱，设置在所述第二回路上，用于对引入杂质后的液态钠进行净化；第一测量单元，设置为：检测所述第一回路中的液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值，以及实时检测所述第二回路中流入冷阱的液态钠中杂质的第一含量；以及第二测量单元，设置为实时检测所述第二回路中从冷阱流出的液态钠中杂质的第二含量；其中，所述冷阱设置为：当所述第一回路中杂质的含量达到所述第一预设值时，开始对所述第二回路中的液态钠进行净化。
根据一些实施方式，还包括切换阀门，用于对所述第一回路和所述第二回路进行切换。
根据一些实施方式，还包括设置在所述第二回路上的换热单元，设置为：对流入所述冷阱的液态钠进行换热处理，使其达到第一预设温度；以及对从所述冷阱流出的液态钠进行换热处理，使其达到第二预设温度。
根据一些实施方式，所述第一测量单元包括阻塞计，所述第二测量单元包括阻塞计。
根据一些实施方式，所述添加物包括固体过氧化钠。
在根据本发明的实施例的用于检测冷阱净化性能的方法中，通过在纯净液态钠中引入杂质并检测液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值，能够模拟钠冷快堆中液态钠的杂质情况，为冷阱的净化提供试验条件。通过实时检测所述第一含量和所述第二含量，有利于了解进出冷阱的液态钠中杂质含量的实时变化情况，从而能够评估冷阱的净化速率等性能指标。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于检测冷阱净化性能的方法的流程图；以及
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于检测冷阱净化性能的系统的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。
在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于检测冷阱净化性能的方法的流程图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，在纯净液态钠中引入杂质；
步骤S2，检测液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值；
步骤S3，当达到所述第一预设值时，利用冷阱对液态钠进行净化，并实时检测流入冷阱的液态钠中杂质的第一含量和从冷阱流出的液态钠中杂质的第二含量；以及
步骤S4，基于所述第一含量和所述第二含量，评估冷阱的净化性能。
在根据本发明的实施例的用于检测冷阱净化性能的方法中，通过在纯净液态钠中引入杂质并检测液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值，能够模拟钠冷快堆中液态钠的杂质情况，为冷阱的净化提供试验条件。通过实时检测所述第一含量和所述第二含量，有利于了解进出冷阱的液态钠中杂质含量的实时变化情况，从而能够评估冷阱的净化速率等性能指标。
所述纯净液态钠是核级钠，核级钠纯度高，具有高于多数金属的比热和良好的导热性能，能够适应反应堆的特殊条件，是理想的冷却剂。可以通过向纯净液态钠中投放添加物来引入杂质，添加物在纯净液态钠中需要一定的溶解时间和反应时间，因此可以通过检测液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值来判断溶解过程和反应过程是否已经充分进行。可以根据试验需求来加入预设量的添加物以使杂质含量达到一定值，所述第一预设值可以是钠冷快堆中液态钠的杂质含量。可以通过改变添加物的加入量来改变得到的杂质含量。
在一个实施例中，所述在纯净液态钠中引入杂质可以包括：在纯净液态钠中加入预设量的固体过氧化钠。固体过氧化钠和液态钠在一定温度下反应生成氧化钠，从而能够保证液态钠中杂质氧的存在形式与钠冷快堆的钠中杂质氧的存在形式具有一致性。通过加入不同量的固体过氧化钠来调节液态钠中杂质氧的浓度。所述固体过氧化钠可以为粉末状，所述固体过氧化钠可以分批加入纯净液态钠中。类似地，也可以加入其他添加物来引入杂质氧或其他杂质。其中，固体过氧化钠能够在液态钠中较为容易地充分溶解，以达到期望的杂质含量，因此是一种理想的添加物。
所述检测液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值可以包括：使得液态钠沿第一回路流动，利用第一测量单元检测所述第一回路中的液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值。液态钠可以沿第一回路循环流动，因此伴随添加物的溶解和反应过程的进行，液态钠中杂质含量的变化情况可以实时由第一测量单元检测出，以便及时了解添加物的溶解和反应是否充分进行。并且通过使得液态钠沿第一回路循环流动，可以加速添加物的溶解，使溶解过程进行的更加充分。参照图1，当液态钠中杂质的含量未达到第一预设值时，利用第一测量单元持续进行检测；当液态钠中杂质的含量达到第一预设值，可以利用冷阱开始对液态钠进行净化。
所述实时检测所述第一含量和所述第二含量可以包括：使得液态钠沿第二回路流动，利用所述第一测量单元检测所述第二回路中的液态钠中杂质的所述第一含量，以及利用第二测量单元检测所述第二回路中的液态钠中杂质的所述第二含量。液态钠可以沿第二回路循环流动，并在流动过程中被设置在第二回路上的冷阱净化，通过检测所述第一含量和所述第二含量，能够实时了解冷阱对液态钠的净化过程中杂质含量的变化情况。
在本发明的实施例中，可以通过打开或关闭切换阀门来对所述第一回路和所述第二回路进行切换。例如，当切换阀门打开时，液态钠可以沿第一回路流动；当切换阀门关闭时，液态钠可以沿第二回路流动。第一回路和第二回路可以包括共用的部分。第一测量单元可以用于检测第一回路中的液态钠中杂质的含量，当切换到第二回路时，第一测量单元可以用于检测第二回路中的液态钠中杂质的所述第一含量。由此使得本发明的检测方法更加简单、方便、快捷。
在一个实施例中，可以基于所述第二含量达到第二预设值，完成一个周期的检测。所述第二预设值指示液态钠中杂质的净化程度，当达到期望的净化程度时，可以停止冷阱的净化操作。基于所述第一含量和所述第二含量以及相应的净化时间，可以计算冷阱的净化速率以及净化速率的变化情况，从而能够了解冷阱的净化性能。所述一个周期的进行时间可以为11～13小时。
所述方法还可以包括：对冷阱净化性能进行多个周期的持续检测，即，在一个周期的检测完成之后，再次在净化后的液态钠中引入杂质，当杂质的含量达到第一预设值时，再次利用冷阱进行净化，直至净化完成，并按此重复。通过进行多个周期的持续检测，能够实现对冷阱净化性能的长期考验，了解冷阱净化性能的变化情况以及耐久性。
所述方法还可以包括：检测所述冷阱收集到的杂质量，并基于所述杂质量评估所述冷阱的捕集能力。对冷阱净化性能进行多个周期的持续检测之后，直至冷阱无法达到理想的净化效果，表明其收集的杂质量趋于饱和，此时对冷阱一共收集到的杂质量进行检测，可以了解冷阱的捕集能力和杂质容量，从而评估冷阱的净化性能。在本发明的实施例中，可以基于所述第一含量和所述第二含量，计算所述冷阱收集到的杂质量。
在一个实施例中，所述方法还可以包括：对流入所述冷阱的液态钠进行换热处理，使其达到第一预设温度；以及对从所述冷阱流出的液态钠进行换热处理，使其达到第二预设温度。由于冷阱具有一定的工作温度，而流入冷阱的液态钠具有较高温度，因此可以对流入冷阱的液态钠进行降温处理。冷阱充分利用液态钠中的杂质随温度降低而溶解度降低的特点，将钠冷却，杂质析出并沉积在冷阱底部，以此达到净化的目的。流出冷阱的液态钠可以与流入冷阱的液态钠进行换热，流出冷阱的液态钠能够吸收流入冷阱的液态钠的热量，从而温度得以提升；同时，由于流入冷阱的液态钠被吸收热量，因此有助于其降温到第一预设温度，能够节省降温处理所需的能量。
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于检测冷阱净化性能的系统的示意图，如图2所示，所述系统包括：储存单元1，设置为储存液态钠，液态钠从储存单元1流出，经过第一回路或第二回路流回储存单元1；加料单元2，设置为向储存单元1内投放添加物，以在液态钠中引入杂质；冷阱3，设置在第二回路上，用于对引入杂质后的液态钠进行净化；第一测量单元41，设置为：检测第一回路中的液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值，以及实时检测第二回路中流入冷阱3的液态钠中杂质的第一含量；以及第二测量单元42，设置为实时检测第二回路中从冷阱3流出的液态钠中杂质的第二含量；其中，冷阱3设置为：当第一回路中杂质的含量达到第一预设值时，开始对第二回路中的液态钠进行净化。
所述系统还可以包括设置在第二回路上的换热单元6，设置为：对流入冷阱3的液态钠进行换热处理，使其达到第一预设温度；以及对从冷阱3流出的液态钠进行换热处理，使其达到第二预设温度。通过设置换热单元6，可以防止过热的液态钠流入冷阱3，并防止过冷的液态钠流至第二回路。换热单元6可以包括省热器，省热器包括壳程和管程，流入冷阱3的液态钠和流出冷阱3的液态钠可以分别在壳程和管程中流动，相互交换热量。
冷阱3设有用于供液态钠流入的流入管道以及用于供液态钠流出的流出管道，所述流入管道和所述流出管道都连接至换热单元6，所述流入管道可以设有阀门91，所述流出管道可以设有阀门92，所述流入管道可以设置两个，其中一个作为备用流入管道，以便在另一流入管道出现损坏时作为替换使用。从冷阱3流出的液态钠还可以进一步流至侧流管道，用于分流，所述侧流管道直接连接至第二回路而不连接至换热单元6，所述侧流管道可以设有阀门93。
第一测量单元41一端连接至冷阱3的入口端，另一端连接至冷阱3的出口端，第一测量单元41可以设置阀门，用于调节流入第一测量单元41的液态钠的流量大小。第二测量单元42的两端均连接至冷阱3的出口端，第二测量单元42可以设置阀门94和阀门95，用于调节流入第二测量单元42的液态钠的流量大小。
第一测量单元41可以包括阻塞计，第二测量单元42可以包括阻塞计。阻塞计是监测钠中杂质浓度水平的最重要的在线测量仪表，具有设计简洁、安装方便、操作简单、安全可靠等优点。阻塞计所测得的阻塞温度与杂质含量之间满足特定曲线关系，因此基于阻塞温度可以获知杂质含量。
所述系统还包括切换阀门5，用于对第一回路和第二回路进行切换。参照图2，当切换阀门5打开，阀门91、阀门92、阀门93、阀门94和阀门95关闭时，从储存单元1流出的液态钠只能从切换阀门5处流过，并流回储存单元1，由此完成液态钠在第一回路的流动，能够隔离冷阱3和第二测量单元42，此时第一测量单元41可以实时测量第一回路中的液态钠中的杂质含量。在此过程中，可以打开冷阱3的电加热装置。
比较而言，当切换阀门5关闭，阀门91、阀门92、阀门93、阀门94和阀门95打开时，从储存单元1流出的液态钠先流至换热单元6完成换热，降温至第一预设温度；降温后的液态钠经流入管道流至冷阱3内，被冷阱净化；净化后的液态钠经流出管道再次流至换热单元6完成换热，升温至第二预设温度；升温后的液态钠流回储存单元1，由此完成液态钠在第二回路的流动。此时第一测量单元41可以实时检测第二回路中流入冷阱3的液态钠中杂质的第一含量，第二测量单元42可以实时检测第二回路中从冷阱3流出的液态钠中杂质的第二含量。
冷阱3可以设有风机31，当冷阱3用于净化杂质时，开启风机31。冷阱3可以设有空气过滤器32，以对冷阱3向外排出的气体进行过滤处理。冷阱3可以设有消音器33，以减少设备运行带来的噪声污染。
本发明用于检测冷阱净化性能的系统还可以包括辅助储存单元11，辅助储存单元11的功能是回路停运时提供氩气，将管道和设备中的钠排至储存单元1中；此外，当回路启动时排出管道和设备中的氩气。加料单元2可以通过加料阀门21连接至储存单元1，通过打开或关闭加料阀门21来控制加料操作。储存单元1可以设置有蒸汽阱7，辅助储存单元11、加料单元2以及蒸汽阱7都连接有氩气系统，以通入氩气作为金属钠的保护覆盖气体。蒸汽阱7主要用于捕集储存单元1的钠蒸汽，防止氩气管道被钠蒸汽堵塞。
所述系统还可以包括第一加热器81，第一加热器81同时设于第一回路和第二回路上，对流经第一回路和第二回路的液态钠进行加热处理。对于流经第一回路的液态钠，第一加热器81可以将其加热至245～255℃；对于流经第二回路的液态钠，第一加热器81可以将其加热至265～275℃。
所述系统还可以包括电磁泵12，用于驱动储存单元1内的液态钠流动，以调节第一回路和第二回路中液态钠的流量大小。所述系统还可以包括流量计13，流量计13同时设于第一回路和第二回路上，对流经第一回路和第二回路的液态钠的流量进行测量。对于流经第一回路的液态钠，电磁泵12可以将其流量调节至20m3/h左右；对于流经第二回路的液态钠，电磁泵12可以将其流量调节至10m3/h左右。
对于两回路不同的温度设置和流量设置，使得添加物的溶解过程和冷阱3的净化过程能够达到较好效果，溶解和净化能够充分进行并且效率高。
所述系统还可以包括第二加热器82，第二测量单元42通过第二加热器82连接至第二回路，第二加热器82对流经第二测量单元42的液态钠进行加热处理。通过第二加热器82的加热处理，可以使冷阱3出口的钠加热至第二测量单元42需要的入口温度。
下面描述利用所述系统对冷阱净化性能进行检测的一个实施例。
首先，启动系统在200℃温度下正常运行；
其次，关闭冷阱3的风机31，打开冷阱3的电加热装置，并打开切换阀门5，关闭阀门91、阀门92、阀门93、阀门94和阀门95，以隔离冷阱3和第二测量单元42，切换至第一回路；
其次，在精度为1克的电子天平上称取定量的过氧化钠粉末，倒入加料单元2中，并打开加料阀门21，将过氧化钠粉末加入储存单元1中；
其次，将第一加热器81的目标温度设置为250℃；
其次，调整电磁泵12的工作频率，使得流量计13的流量维持在20m3/h左右；
其次，调节流经第一测量单元41的流量，并利用第一测量单元41实时检测第一回路中液态钠中的杂质含量，以判断过氧化钠粉末是否充分溶解，溶解过程的进行时间约为5小时；
其次，当溶解过程完成后，打开阀门91、阀门92、阀门93、阀门94和阀门95，当冷阱3的流入管道的温度快速上升后，关闭切换阀门5，关闭冷阱3的电加热装置，并启动冷阱3的风机31，此时切换到第二回路；
其次，调整电磁泵12的工作频率，使得流量计13的流量维持在10m3/h左右；
其次，调节流经第一测量单元41和流经第二测量单元42的流量，并利用第一测量单元41实时检测第二回路中流入冷阱3的液态钠中杂质的第一含量，利用第二测量单元42实时检测第二回路中从冷阱3流出的液态钠中杂质的第二含量，净化过程的进行时间约为7小时；
完成一个周期的性能检测之后，按照加料-溶解-净化的过程重复进行多个周期的检测，以便了解冷阱3在长期使用过程中的性能变化情况。
由此可见，本发明的所述系统能成功地用于考验冷阱的净化性能，通过系统运行获得的净化速率、捕集能力和杂质容量将充分验证冷阱是否满足钠冷快堆工程需求，也为该冷阱在工程上的运行提供了技术支撑。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。为了清楚地示出各个部件的细节，附图中的各个部件并不是按比例绘制的，所以附图中的各个部件的比例也不应作为一种限制。
虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (11)

1.一种用于检测冷阱净化性能的方法，包括：
在纯净液态钠中引入杂质；
检测液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值；
当达到所述第一预设值时，利用冷阱对液态钠进行净化，并实时检测流入冷阱的液态钠中杂质的第一含量和从冷阱流出的液态钠中杂质的第二含量；以及
基于所述第一含量和所述第二含量，评估冷阱的净化性能；
所述检测液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值包括：
使得液态钠沿第一回路流动，利用第一测量单元检测所述第一回路中的液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值；
所述实时检测所述第一含量包括：
使得液态钠沿第二回路流动，利用所述第一测量单元检测所述第二回路中的液态钠中杂质的所述第一含量；
通过打开或关闭切换阀门来对所述第一回路和所述第二回路进行切换。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在纯净液态钠中引入杂质包括：
在纯净液态钠中加入预设量的固体过氧化钠。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实时检测所述第二含量包括：
利用第二测量单元检测所述第二回路中的液态钠中杂质的所述第二含量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述第二含量达到第二预设值，完成一个周期的检测。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：对冷阱净化性能进行多个周期的持续检测。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
基于所述第一含量和所述第二含量，计算所述冷阱收集到的杂质量，并基于所述杂质量评估所述冷阱的捕集能力。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
对流入所述冷阱的液态钠进行换热处理，使其达到第一预设温度；以及
对从所述冷阱流出的液态钠进行换热处理，使其达到第二预设温度。
8.一种用于检测冷阱净化性能的系统，包括：
储存单元(1)，设置为储存液态钠，所述液态钠从所述储存单元(1)流出，经过第一回路或第二回路流回所述储存单元(1)；
加料单元(2)，设置为向所述储存单元(1)内投放添加物，以在液态钠中引入杂质；
冷阱(3)，设置在所述第二回路上，用于对引入杂质后的液态钠进行净化；
第一测量单元(41)，设置为：检测所述第一回路中的液态钠中杂质的含量是否达到第一预设值，以及实时检测所述第二回路中流入冷阱(3)的液态钠中杂质的第一含量；以及
第二测量单元(42)，设置为实时检测所述第二回路中从冷阱(3)流出的液态钠中杂质的第二含量；
其中，所述冷阱(3)设置为：当所述第一回路中杂质的含量达到所述第一预设值时，开始对所述第二回路中的液态钠进行净化；
包括切换阀门(5)，用于对所述第一回路和所述第二回路进行切换。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括设置在所述第二回路上的换热单元(6)，设置为：
对流入所述冷阱(3)的液态钠进行换热处理，使其达到第一预设温度；以及
对从所述冷阱(3)流出的液态钠进行换热处理，使其达到第二预设温度。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一测量单元(41)包括阻塞计，所述第二测量单元(42)包括阻塞计。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述添加物包括固体过氧化钠。
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