автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Разработка метода регенерации холодных ловушек примесей П-контура БН-реактора

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ( ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Для служебного пользования Экз. N

На правах рукописи

ШТКНДА ЮРИИ ЕВГЕНЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РЕГЕНЕРАЦИИ ХОЛОРХ ЛОВШ ПРИНЕСЕН II КОНТУРА БН-РЕАКТОРА

05Лй.0Э - ядерные энергетические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994г.

. ..... )

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте атомных реакторов.

Научный руководитель: кандидат технических наук.

старший научный сотрудник

Ю.В.ПРИВАЛОВ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.П. ГОРБАТЫХ: доктор технических наук. Ф.А. КОЗЛОВ.

Ведущая организация: ОКБ "Машиностроения" г. Нижние Новгород.

Защита состоится 9 декабря 1994 года в аудитории кафедры АЭС

в 14 час. 00 мин. на заседании специализированного Совета К 053.16.

Московск-ого энергетического института по адресу: 105635 ГСП

г. Москва Е—250. ул. Красноказарменная д. 14.

Отзывы на автореферат, заверенные печать» учреждения, просим

высылать по указаннному адресу.

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан СЭ^СрЗ^^Ф 1994г.

Ученый секретарь специализированного Совета д.т.н. . профессор В.И.Горбуров

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Промышленное использование реакторов на быст->ых нейтронах с натриевым теплоносителем требует создания надежной и »фективной системы очистки теплоносителя натриевых контуров для пре->твращения опасного коррозионного воздействия примесей на конструкци-шые материалы, обеспечения характеристик теплоносителя, удовлетворя-шх требованиям нормативов безопасной эксплуатации.

Основными средствами очистки натриевого теплоносителя являются >лодные ловушки (XJI) примесей проточного типа. Основными неметалли-!скими примесями натрия являются химические соединения водорода и ки-юрода с натрием. Опыт эксплуатации БН-реакторов показал, что наибо-¡е интенсивно примеси кислорода и водорода поступают во II контур в •зультате течей воды в натрий при возникновении неплотности в пароге-:раторах, а также диффузии коррозионного водорода из III контура, [кость XJI по этим примесям составляет ~10% массы натрия в ловушке, действенным радиоактивным элементом, накапливающимся в XJI II контура, шяется тритий, проникающий из I контура за счет диффузии через по-■рхности промежуточного теплообменника.

Мировой опыт разработки систем очистки натрия II контура показал, ■о экономически выгодней использовать периодическое удаление накоп-:нных примесей из ловушек и восстанавление ее фильтрующих свойств, >именяя метод, допускающий 2-5 кратную регенерацию XJ1, чем создавать [стемы очистки с емкостью по примесям, расчитанной на весь срок экс-гуатации установки- 30 лет, или заменять исчерпавшие емкость ловушки.

Используемым методам регенерации XJI, основанным на переводе осадка ¡копленных соединений кислорода и водорода в жидкую фазу , присущи :достатки: высокая скорость коррозии конструкционного материала при ¡генерации ограничивает продолжительность процесса и возможность пол->го удаления примесей; низкий уровень безопасности процесса, прово-woro при высоких температурах в ловушке и повышенном давлении

водорода, выбрасываемого вместе с тритием из объема ловушки. Известные методы регенерации, использующие разложение гидридов в ХЛ, недостаточно интенсивны и позволяют удалить из ловушки только водород Решение проблемы безопасного и эффективного удаления накопленных примесей из ХЛ актуально для промышленных установок БН-600, БН-350, а также при проектировании систем очистки новых энергетических установо с быстрыми реактораки и при снятии с эксплуатации действующих.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ разработка безопасного, эффективного метода и опытно-промышленной установки для регенерации ХЛ примесей II контура БН-реак тора, позволяющих периодически удалять примеси водорода и кислорода 6 демонтажа ловушки и с ограничением выбросов трития в окружающую среду Для достижения целей диссертационной работы:

- разработана математическая модель переноса примесей водорода и кислс рода в системе Ыа-о-Н в режимах регенерации ХЛ. До настоящего времен не существовало законченной модели, описывающей систему: раствор сое динений кислорода и водорода в натрии (М)- твердый раствор гидрида и оксида натрия в гидроксиде (Ьгт) - Нг (газ). Решение такой задач* заключается в формулировке моделирующих уравнений, выборе известных по литературным данным констант равновесия и скоростей реакций. коэ() фициентов массопереноса. определении с помощью экспериментов значен» потоков соединений водорода и кислорода из ХЛ и уточнение эмпирических констант сравнением результатов расчетов и экспериментов;

- проведены экспериментальные исследования десорбции водорода и осаждения оксида натрия из изотермического раствора 1.1 в интересующем диапазоне температур и расходов натрия;

- исследованы режимы предложенного метода регенерации на стендовой ХЛ и штатной ловушке II контура быстрого реактора с удержанием выделяющегося трития;

- обоснованы технологическая схема и параметры опытно-промышленной установки для регенерации ХЛ II контура БН-600.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА определяется исследованием многокопонентной сис-мы Na-O-Н в новых условиях: массопереноса растворенных примесей в грии при протекании обратимых реакций в объеме и на поверхности рас-ора в изотермических условиях.

В работе впервые предложены математические модели во внешнекиие-ческом и диффузионно-кинетическом приближении, описывающие перенос со-иненнй кислорода и водорода в натриевом растворе при регенерации ХЛ.

Впервые получены и обработаны экспериментальные результаты по де-рбции водорода и осаждении оксида натрия из пересыщенного натриево-раствора в изотермических условиях при температурах 623-663 К.

Впервые расчетно-экспериметалько обоснованы безопасные, с точки ения коррозии материалов и выбросов трития, режимы регенерации XJI имесей И контура БН-реактора, осуществляемой конвективным перено-м растворенных примесей в изотермическом контуре в вакуумируемый прарат - регенерационную камеру (РК) с развитой поверхностью для де-рбции водорода и осаждения оксида натрия.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. РАБОТЫ Результаты исследований внедрены в оектах опытной установки регенерации ХЛ II контура БОР-60 с удержа-ем трития и опытно-промышленной установки регенерации фильтр-лову-к II контура БН-600. Методика расчета массопереноса примесей из ХЛ вакуумируемую регенерационную камеру используется для обоснования ггимальных режимов удаления примесей из ловушек. АВТОР ЗАЩИЩАЕТ :

методику расчета переноса примесей кислорода и водорода в предложенном методе регенерации О во виешнекинетическом и диффузионно-кинетическом приближении;

технологические схемы экспериментальных установок, методику и результаты экспериментов по исследованию десорбции водорода и кристаллизации оксида натрия в режимах регенерации;

обоснование технологической схемы опытной установки регенерации ХЛ

I I контура Б0Р--61) с удержанием трития:

- технологическую схему опытно-промышленной установки для регенераци фильтр-ловушек I I контура БН-600 с обоснованием оптимальных режимо ее работы.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации доложены:

- на межведомственной конференции "Теплофизика-91", Обнинск, ноябр 19 91г. ;

- на международном семинаре по технологии натрия, Бенсберг, Германи декабрь 19Ч2г.;

- на межведомственной конференции "Геплофизика-93", Обнинск, октябр 1 чч 1г. ;

- на ri-ofl научцо-технической конференции, посвяиенной 30-летию ввода в эксплуатацию БАЭС, г.Заречный, июнь 1994г. ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации изложено в 2 статьях, J тезисах докладов, '( научных отчетах и описании изобретения. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЬ'.. Диссертация изложена на 111 страницах

машинописного текста, включая 6 таблиц, 28 рисунков, список пнтерату из 66 наименований, состоит из введения, 5 глав, выводов и 2 приложе,

СОДЕРЖАНИЕ.РАБОТЫ.

ВО ВВЕДЕНИИ приводится обоснование актуальности работы, сформули рована ее цель, изложена сущность разрабатываемого метода регенераци ХЛ примесей натрия и основные проблемы, которые необходимо решить.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрены состав и форма существования соедине ний кислорода и водорода в обьеме холодной ловушки примесей натрия в диапазоне температур от 621 К до температуры плавления твердого раст; ра гидрида и оксида в гидроксиде - 685 К. По литературным данным при условии наступления химического равновесия в ХЛ система Na-O-Н состо; из осадка гидрида и оксида натрия и их раствора совместно с гидрокси дом в L! до температуры 623 К. При дальнейшем повышении температуры в осадке ХЛ могут сосуществовать твердый раствор на основе гидроксид. L:т и чистые твердые фазы- гидрида или оксида, в зависимости от соот

|ения количества молей кислорода (Мо) и водорода (Мн) в осадке, шература плавления Ьгт, образования раствора 1г , равна (ьо:)+'5) К [ отношении Мо/Мн равном 1.

¡новесные молярные концентрации гидроксида X;, гидрида X) и оксида в натрии связаны константой равновесия Кх = Хэ-Х*/Х:. В настоящей >оте для расчета концентраций используется соотношение для Кх, взаимно !заное с эмпирическими соотношениями для растворимости гидрида Эз и :ида я. в натрии /1/:

Кх = Тг',0,105-478-1П7з/1. ¡новесные концентрации гидрида и оксида в растворе Ьгт менее исследо-1Ы, ряд данных по растворимости противоречат друг другу, показана >бходимость их дополнения расчетом на основе теории растворов и экс-зиментальных результатов по равновесию в системе Иа-О-Н .

Рассмотрены применяемые ранее методы регенерации холодных ловушек контура БН-реакторов, указаны присущие им недостатки, обоснована эбходимость разработки и экспериментального обоснования метода реге-зации и установки для безопасного выведения накопленных примесей из зушек II контура БН-реактора, позволяющего проведение процесса без монтажа ХЛ из контура.

ВО ВТОРОЙ „ГЛАВЕ., предложен метод регенерации ХЛ, заключающийся в «ективном переносе примесей в растворенном виде в вакуумируемую РК, ; со свободной поверхности натрия десорбируегся водород и на поверх--Тях осаждается оксид натрия в результате пересыщения раствора 1.1 за ;т реакции гидроксида натрия с натрием и образования дополнительного :ида при смещении равновесия в растворе. Процесс переноса примесей ХЛ в РК осуществляется при постоянной температуре во всем контуре ркуляции и небольших расходах раствора, что делает его легко-управ-емым. Контроль процесса ведется по расходу водорода на выходе ваку-ного насоса, регенерацию завершают при снижении расхода водорода до ля /2/. Предложенный метод позволяет при приемлемой продолжительно-и регенерации ограничиться температурами ниже 688 К, при которых

в отсутствии воздействия раствора L; коррозионное поражение материал

ХЛ незначительно. Рассмотрены процессы, происходящие в натриевом рас

воре, контактирующем с твердым осадком в ловушке и в растворе, проте

каюшем по поверхностям вакуумируемой РК, при регенерации ХЛ предлага

емым методом. Для описания равновесного состояния в жидком натриевом

растворе привлечены опубликованные данные по константам равновесия и

концентрациям насыщения компонентов. Для определения равновесных кон

центраций гидрида и оксида в твердом растворе L;t предложена методик

основанная на модифицированной теории растворов Ван-Лаара /1/.

Для описания десорбции водорода по реакции: Кг°

NaH »Na ( 1/2 Нг (1)

Ki »

и оценки максимального времени, необходимого для удаления примесей выбрана минимальная эмпирическая оценка константы скорости адсорбции водорода натрием Ki'J, а константа скорости десорбции Кг" выражается через Ki" и константу Сиаертса Кс:

К ;0 = К)°/(Кс)2 (2)

По кинетике гомогенной реакции гидроксида натрия с натрием:

■JMa + NaOH = Na?0 + NaH (3),

опубликованные данные противоречивы, поэтому для минимальной оценки скорости реакции Ki использовалось соотношение, полученное в гетерогенных условиях реакции:

Kl s 101.t51-!U«/I (/,)

а для максимальной оценки- соотношение, полученное при расчетном мод лировании межконтурной неплотности в парогенераторе натрий-вода:

Kl = 103- '«-?7<е/г (5)

Сформулированы уравнения, моделирующие процессы массопереноса в рас воре, протекающем по поверхностям в РК, во внешнекинетическом прибли жении, го есть, когда скорость удаления водорода лимитируется его де сорбцией со свободной поверхности, а равновесие в растворе за счет реакций устанавливается в отстойнике камеры.

Получено аналитическое решение для концентрации гидрида на входе и выходе из РК Xî«*, Xi.w» и потока водорода с поверхности раствора J*

эи условии мгновенной кристаллизации оксида натрия из пересышенного ютвора-.

х«»,=хэ»,/ (1 + 2к3" ■ к/ (кх+з, ] ■ р! г/о <61;

ЛН=2Кз°- (Хз-« р1)г/(1 + 2Ка0-1СХ/(1Сх+Бл) -Р1 Г/О X,»,) К (7). поток осаждающегося на поверхности оксида натрия- Ло= Э«-Лн/(Кх+Б-») : це - концентрация насыщения раствора оксидом.

Полученное решение позволило оценить влияние основных параметров на энцентрацию и Лн: температуры и состава осадка примесей и

гношения площади свободной поверхности к. расходу раствора через ХЛ и 1С- (Г/О) .

Результаты расчета зависимости расхода водорода с поверхности во нешне-кинетическом приближении от температуры и соотношения количес-ва молей кислорода и водорода в осадке (Мо/Мн) представлены на рис.1: езультаты расчета расхода водорода из регенерационной камеры в зави-имости от Г и О представлены на рис.2.

На основе предполагаемого механизма растворения примесей из твердого аствора предложен алгоритм расчета скорости одновременного уда-ения кислорода и водорода из осадка. Показано, что за счет изменения остава в поверхностном слое осадка устанавливаются пропорциональные отоки оксида - Ло и водорода - Лн среднем у по объему мольному соста,-у осадка (Мо/Мн): Ло/Лн- Мо/Мн. Показано, что максимальное отношение оток-ов Ло/Лн равно 0.68 - 0.8 при температурах в ХЛ и РК 623-683 К оответственно. Поэтому, если отношение Мо/Мн больше указанных значе-ий. то одновременное удаление примесей кислорода и водорода из ловуш-и предлагаемым методом невозможно. так как будет происходить пересы-ение натриевого раствора в ХЛ оксидом, препятствующим растворению римесей.

'езультаты расчета потоков водорода и Ло/Лн для различных Мо/Мн и тем-ературе в ХЛ 663 К с использованием полученных аналитических решений ри допущении о мгновенной кристаллизации оксида из пересыщенного ра-твора и при кристаллизации в отстойнике РК представлены на рис.3.

Он?»

н. л/ч

2400

1600

800

I /

/

/

623 643 663 683

т,к

Рис.1. Зависимость расхода водорода с повегзх-ности натриевого раствора во внешнеки-нетическом приближении от температуры в ХЛ (0=0.25-1СГ м4/с, Р=16м*);

1 -Мо/Мн = 0.25;

2 - Мо/Мн = 0.7 . •

Рис.2. Зависимость оасхода водорода от площади свободной поверхности и оасхода иаствора во внешнекине-тическом приближении (Т=663К);

I - Р=2м2; 2 - Р=4м2:

3 - Р=8м2; 4 .- Р=1бкГ.

Эн-10?

моль/с 1.4

1.2 1.0 0.6 0.6

— ------- -V-

у/ 1 \ \

С/4 \

з\

-1 1- ч

0.24

0.26

0.32

0.36

0.4

0.8

1-Мо/Мн

Рис.3. Результаты расчета пеоеноса примесей из ХЛ в РК во

внешнекинетическом приближении при Т=663 К,Р/(3=5.6'10 с/м. 1-7н при мгновенной кристаллизации оксида;

при кристаллизации оксида в отстойнике РК; 3-7о/7н при мгновенной кристаллизации оксида.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ проведен анализ литературных данных по коэффициентам диффузии водорода и кислорода в натрии. Показано, что лимитирующими стадиями кристаллизации примесей являются диффузия к поверхности для кислорода и зарождение и рост кристаллов для водорода. Отмечено, что количественные оценки коэффициентов, полученные в разных работах, отличаются: максимальное значение коэффициента диффузии гидрида Оз на 3 порядка превосходит коэффициент термодиффузии натрия Им*, а для оксида натрия В. - на порядок, минимальные оценки для оксида и гидрида и гидроксида [);- близки к коэффициенту 0ш=0.92 10"7 ехр( -11ЯО . Н/Т) , м'/с.

Для оценки влияния на удаление примесей из натрия коэффициентов диффузии и скорости реакции (3) разработана диффузионно-кинетическая математическая модель переноса компонентов натриевого раствора при десорбции водорода с его поверхности. Модель основана на уравнениях сохранения массы для концентраций натрия С1 гидроксида С;, гидрида Сэ и оксида с- с учетом реакций в объеме, на свободной поверхности раствора и диффузионного переноса компонентов:

dX2/dt =■- div(D2yrad X2) - [ KiXzXi-KaXsX.,! (8);

dXa/dt = div(D3grad X3) + [ KtXzXj-KaXaX.») (9);

dX„/dt = div( D^grad X„) •+ (KiXaXi-KaXsX..] (10). -

и граничных условий на свободной поверхности раствора Dalgrad Хэ)о»=-2ГСа°(Х3г-Х3*г) (11).

где Хэ"- концентрация NaH равновесная давлению водорода над раствором Dz(grad Ха)о-=0 И D*(grodX,)о»=0 (12);

условия отсутствия осаядения на твердых поверхностях для гидрида и гидроксида: Da (gradXa)i-»= О и D3 (gradX3) т»= О (13);

и осаждения, определяемого коэффициентом массоотдачи К„, для оксида: D„(grod = -fC^iX^-S^) (14).

Разработан алгоритм и программа численного решения системы урав нений массопереноса компонентов натриевого раствора, которые аппрокси мированы консервативной неявной системой конечно-разностных уравнений Подсистемы сеточных уравнений для концентрации одного компонента реша ли раздельно методом прогонки с последующими итерациями между подсист мами до совпадения определенных концентраций в каждой точке с эначени ем предыдущей итерации с точностью 0.5%. Проведены вариантные расчеты концентрации и потоков компонентов со свободной поверхности для темпе ратур раствора 623 и 648 К. расходов - от 200 до 800 л/ч и переменной высоты слоя раствора, протекающего по поверхности массообмена в РК от 1 до 7 мм. Показано, что при использовании минимальных оценок коэФФии ентов диффузии и константы реакции (3) поток, водорода со свободной по верхности вдвое меньше значения. получаемого во внешнекинетической мо дели, а при использовании максимальных эмпирических оценок, указанных констант поток водорода практически равен потоку, определяемому кине тикой десорбции водорода /3/.

При реализации турбулентного режима течения вторым после константы скорости десорбции лимитирующим Фактором, влияющим на поток водорода

;о свободной поверхности, является кинетика реакции (Г))- Результаты расчетов среднего удельного потока водорода с поверхности раствора представлены на рис.'к

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлена разработанная конструкция экспериментального стенда, предназначенного для исследования десорбции водорода и осаждения оксида натрия в режимах регенерации XJ1. Стенд включает в себя ловушку объемом '»00 л и вакуумируемую РК объемом 180 л с лотками для формирования потока десорбирующего водород раствора с общей площадью поверхности 1 м-'. ХЛ предварительно насыщали продуктами взаимодействия натрия с водой до увеличения гидравлического сопротивления и потери фильтруюяей способности в режиме очистки натрия, в который инжектировали воду в количестве 2.9 кг. Показан диффузионный механизм переноса водорода в натрии визуальными наблюдениями за поверхностью ра створа, десорбирующего водород в РК. Разработана методика исследования десорбции водорода с поверхности раствора в регенерационной камере. При постоянном расходе натрия через ХЛ и РК непрерывно откачивали де-сорбирующийся водород до достижения стационарного давления на входе вакуумного насоса и стационарного расхода газа. Измерение расхода водорода проводили при температуре в зоне отстоя ХЛ 62.3-673 К и расходе натрия - 200 л/ч по перепаду давления на измерительных капиллярах. Проведенные измерения потока водорода из РК позволили определить, что экспериментальные значения совпадают с расчетными в диффузионно-кинетическом приближении, с расхождением при использовании значений для коэффициента диффузии гидрида на два порядка превосходящих Г)на и константы скорости реакции по соотношению (3), как показано на рис.5.

Проведено исследование распределения осадка оксида в РК после регенерации, проведенной в течении 70 часов при расходе натрия 50 л/ч и температуре 6"53 К и удалении из ХЛ ~8 кг оксида и "6 кг гидрида натрия. Показано, что диффузионный механизм осаждения оксида на поверхностях массообмена дополняется кристаллизацией в объеме и осаждением

10• и моль

^ д ь==

2

" 1

Я,

мм

Рис.4. Зависимость потока водорода с поверхности от высоты слоя раствора в РК: Т=64ЬК, Г/0=5.6-Ю4 м/с. 1 - во внешмекинетическом приближении; I - в диффузионно-кинетическом приближении пои

максимальных К. и I)

3 -

3'

в той же модели при минимальных оценкаг и

7

Рис.5. Раскол водопода ил экспериментальной РК (точки-экс-периментальные .чначенкя, линии-расчет в диффузионно-кинетическом приближении): 1(+) - Т=620К; ¿(о) - Т=63ЬК; 3(Д) - 7=643К; 4(°) - Т=668К.

1астиц: пересыщение раствора оксидом полностью снималось в РК; 40Ж !ассы осажденного оксида находилось на поверхностях, по которым про--екал, десорбируя водород, натрий, остальная- в отстойнике РК.

Проведены металлографические исследования состояния материала из сонтура циркуляции раствора с концентрацией примесей, соответствующей температуре в отстойнике ХЛ 623-663 К, контактировавшего с натрием при ■емпературе не выше 673 К в течение 720 часов. Показано, что общая кор->озия ст.12X1ВН1ОТ не превышала Ю-20 мкм, глубина язвенной коррозии 1е превышала 20-3 0 мкм, межкристаллитное взаимодействие наблюдалось на -лубине не более 15 мкм /V.

В ПЯТОЙ „ГЛАВЕ представлена технологическая схема разработанной эпытной установки регенерации штатных ХЛ II контура БОР-60 и удержания аыделяющегося с водородом трития. Для опытно-промышленного использова-1Ия метода регенерации РК экспериментального стенда подключили к ХЛ объемом 1 м1, потерявшей фильтрующую способность после 20 лет эксплуатации в режиме периодической очистки натрия II контура, 'держание трития в установке осуществляется каталитическим окислением 13отопов водорода атмосферным кислородом, конденсацией тритированной элаги с последующей осушкой газов синтетическими цеолитами перед сбро-:ом в вентиляцию /5/.

Проведено исследование режимов регенерации ХЛ при расходах натрия '<и-3(Ш л/ч через ловушку и РК и температурах в зоне отстоя от 6'»о зо К. Показано, что при регенерации водород полностью удален из ювушки в количестве 7.5 н.мл, а 6 кг оксида перенесено в РК. 3 процессе регенерации измеряли активность трития в выходе вакуумного *асоса: при увеличении расхода водорода от 5 до 36 н.л/ч активность зозрастала от 10 до 150 МБк/л, это обусловлено увеличением выхода "загрязненного" тритием вакуумного масла. В установке удержания трития ;обрали б кг тритированной воды, содержащей 3 50 ГБк трития. Эпределенные значения коэффициентов очистки от трития в различных

режимах показали достаточную эффективность системы удержания трития при температуре в слое катализатора до 423 К, выбросы трития были небольшими: менее 1г> ГБк в течение всего времени работы установки.

Проведены металлографические исследования состояния поверхностей материала входного и выходного трубопровода ХЛ (CT.XI8H9), контактиро вавшего с натриевым раствором при температуре 673-723 К в течение '<30 часов в режимах регенерации. Глубина межкристаллитного проникновения в материал не превышала 80 мкм, общая коррозия не превышала Ю-20 мкм В результате удаления при регенерации большей части накопленных приме сей из объема ХЛ при незначительном коррозионном поражении материала рекомендовали вновь использовать ловушку в системе очистки натрия II контура БОР-60.

Для использования метода регенерации ХЛ в промышленных условиях разработана и обоснована технологическая схема и технологические характеристики установки для регенерации ХЛ II контура БН-600 /4/. Она позволяет без демонтажа ловушек из контура одновременно удалять до 1 н.м'/ч водорода и осаждать до 1.4 кг/ч оксида натрия из пересыщенно го раствора при расходах через XJ1 до 1.5 м'/ч (рис.6).

Установка включает в себя вакуумируемый бак-регенератор (РК) объемом 1.5 м* с 28 массообменными тарелками для десорбции водорода из натриевого раствора общей площадью 17 м2 и отстойником объемом o.'i м1 и может быть подключена арматурой по входу и выходу к одной из шести фильтр-ловушек II контура (ФЛ-2) БН-600. Предложена система контроля и регулирования технологических параметров, позволяющая поддерживать безопасный режим работы и осуществлять контроль расходов натрия через ХЛ и бак-регенератор, расход водорода контролировать по перепаду давления на измерительных капиллярах в диапазоне 0,1 - 1 н.мэ/ч, контролировать активность трития в выбрасываемых вакуумным насосом газах в диапазоне '<оо Бк/л- М)о МБк/л с целью ограничения выбросов трития в окружающую среду регулированием расхода водорода, откачиваемого из РК

6.Принципиальная схема установки регенерации ФЛ-2 реактора БН-600.

- ФЛ-2 (6шт.); 2 - бак-регенератор; 3 - электромагнитный насос;

- дренажный бак II контура; 5 - конденсатор натрия; 6 - бак сбо-натрия; 7 - ловушка паров; 8 - вакуумный насос; 9 - ловушка масла.

Установка смонтирована на 3 блоке БАЭС, проведены испытания и налад-:а с подключенной по натриевому контуру ловушкой 4ФЛ-2А, гидравличес-:ое сопротивление которой в результате накопления примесей возросло и >асход натрия в режиме очистки снизился в 4 раза.

Обоснованы исходные данные для расчета режимов регенерации ХЛ 5Н-600 в диффузионно-кинетическом приближении. Концентрации компонентов на входе в бак-регенератор определили, исходя из характерного для ювушек II контура БН-бОО значения Мо/Мн=0.з. Для константы скорости Реакции (3) и коэффициента диффузии гидрида использовались в расчетах зценки, согласующиеся с результатами экспериментов. Коэффициенты диффузии оксида и гидроксида принимались равными Dh». Коэффициент «ассоотдачи оксида к поверхности массообменнах тарелок в баке-регене-заторе определялся по соотношению для числа Шврвидъ при турбулентном течении раствора по плоскости:

Sh = 0.19 Ее»•'Sci'« (15).

Проведены расчеты на основе диффузионно-кинетической модели процесса регенерации ХЛ, накопившей 400 кг гидрида и 300 кг оксида натрия, чтс соответствует емкости ловушек БН-600, объем натрия в них ~б м3. Показано, что за время, необходимое для полного удаления примесей из ловушки при 648-663 К и расходах натрия 400-1500 л/ч (26-9 суток соот ветственно), глубина коррозионного поражения материала ХЛ, контактиру ющего с раствором 1,1, не превысит 50 мкм.

ВЫВОДЫ,

1. Показана необходимость разработки безопасного и эффективного мето да регенерации ХЛ, позволяющего периодически удалять накапливаемые примеси водорода и кислорода из ловушек II контура БН-реактора без значительных затрат для проведения процесса.

2. Предложен метод регенерации ХЛ, использующий конвективный перенос примесей в растворенном виде в вакуумируемый аппарат, в котором из натрия десорбируется водород и на поверхностях осаждается оксид натрия. Процесс удаления примесей из ХЛ осуществляется при постоян ной температуре в контуре циркуляции. Контроль процесса осуществля ется по расходу водорода на выходе вакуумного насоса, регенерацию завершают при снижении расхода водорода до нуля. Предложенный метод позволяет при приемлемой продолжительности процесса ограничиться температурами ниже 688 К, при которых коррозионные повреждения материала ХЛ за период регенерации будут небольшими.

3. Разработана математическая модель во внешнекинетическом приближе нии, позволяющая рассчитывать кинетику десорбции водорода из натри евого раствора и кинетику образования оксида натрия из гидроксида и натрия в режимах регенерации ХЛ. Проведено исследование влияния на процесс удаления водорода из ловушки определяющих параметров. Разработана и реализована в программном виде диффузионно-кинетичес кая модель переноса соединений кислорода и водорода в режимах реге нерации. Показано, что вторым после константы скорости десорбции

1У

параметром, лимитирующим перенос примесей, является скорость реакции гиароксияа натрия с натрием.

^. Проведены экспериментальные исследования десорбции водорода и осаждения оксида натрия из изотермического потока натрия в РК при регенерации стендовой ХЛ, насыщенной продуктами взаимодействия натрия с водой. Показано, что результаты расчета переноса примесей в натрии по диффузионно-кинетической модели удовлетворительно совпадают с результатами экспериментов. Доказана возможность восстановления фильтрующей способности ХЛ предложенным методом при незначительном коррозионном поражении материала контура циркуляции натрия.

5. Разработана конструкция и обоснованы параметры опытной установки для регенерации штатных ХЛ II контура БОР-60 с удержанием трития. Проведена регенерация ХЛ. потерявшей фильтрующую способность после 20 лет эксплуатации. Показано, что водород из ловушки удален полностью. оксид натрия - частично, задержано установкой 96% вышедшего при регенерации из ХЛ трития. Металлографические исследования образцов из патрубков ХЛ показали небольшое коррозионное поражение материала при регенерации.

>. Разработана конструкция и обоснованы параметры опытно-промышленной установки для регенерации шести ХЛ II контура БН-600, позволяющей без демонтажа ловушки из контура одновременно удалять до 1н.мэ/ч водорода и осаждать до 1.4 кг/ч оксида натрия в вакуумируемой реге-нерационной камере. Проведены вариантные расчеты на основе диффузионно-кинетической модели процесса переноса примесей, показана возможность регенерации ХЛ разработанным методом после накопления количества примесей, соответствующей ее емкости, в зависимости от температуры и расхода натрия через ловушку за 26 - 9 суток. Проведенные исследования позволяют при разработке технологических схем АЭС с БН-реактором предусматривать во II контуре установку,

используемую как для периодической регенерации ХЛ, так и для удаления примесей из них при снятии ловушек с эксплуатации и утилизации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ДОССЕРШдеИ,, представлены в следующих публикациях и научно-технических отчетах:

1. Ю.Е.Штында,Ю.В.Привалов,П.П.Бочарин Обоснование метода удаления соединений водорода и кислорода из холодных ловушек реакторов на быстрых нейтронах. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерная техника и технология. 1991, Вып. 1 ДСП, с. Э-8.

2. Способ регенерации ХЛ примесей жидкометаллических теплоносителей: Д.С. N 1563476 СССР, МКИ* в 21С 19/30 //Ю.В.Привалов, Ю.Е.Штында, П.П.Бочарин. "Открытия и изобретения", 1991, N 17, с. 284-285.

3. Ю.Е.Штында, Ю.В.Привалов, П.П.Бочарин, А.М.Малышев. Исследование десорбции водорода в режимах регенерации ХЛ примесей II контура БН-реактора.// Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерная техника и технология. 1990, Вып. 1 ДСП, с. 53-60.

4. Ю.Е.Штында,К).В.Привалов. Исследование нового способа регенерации фильтр-ловушек II контура БН-реактора.//Сборник тезисов докл. межотраслевой конференции "Теплофизика-91", Обнинск, 1993, с.176-179.

5. Ю.Е.Штында.Т.И.Василевич, Результаты испытаний установки регенерации холодных ловушек II контура БОР-60 с удержанием трития.// Отчет НИИАР, И 5822/0, 1993. 23с.

6. Ю.В.Привалов, Ю.Е.Штында. О выборе способа регенерации ХЛ и способа очистки натрия II контура быстрого реактора с натриевым теплоносителем после взаимодействия натрий-вода.// Сборник тезисов докладов межотраслевой конференции "Теплофизика-91", Обнинск, 1993. с. 172-175.

! (опписано к печати

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.