真空在核電站運行中的應(yīng)用

2012-04-26

真空在核電站運行中的應(yīng)用

核電站是包括主回路和許多輔助系統(tǒng)的龐大系統(tǒng)。以壓堆為例，主回路系統(tǒng)包括一回路和二回路部件:反應(yīng)堆、壓力殼、蒸發(fā)器、汽輪機、冷凝器及各種泵。輔助系統(tǒng)包括凈化冷卻劑系統(tǒng)、保持冷卻水系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、停堆冷卻水系統(tǒng)、安全注射系統(tǒng)、應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)、安全噴浴系統(tǒng)、消氫系統(tǒng)、空氣循環(huán)凈化系統(tǒng)、三廢處理系統(tǒng)。下面分別介紹真空技術(shù)在主回路和輔助系統(tǒng)中的應(yīng)用。
1.主回路系統(tǒng)
核電站主回路系統(tǒng)大部分工作在高溫高壓狀態(tài)，但也有處于真空狀態(tài)運行的，主要是壓力殼夾層、汽輪機冷凝器等。
(1)壓力殼夾層
現(xiàn)代大型壓力堆的壓力殼都是雙層的，為了增加安全性，近年來國外一些大型壓力堆電站，其壓力殼都采用帶真空的夾層。其目的是真空夾層可以防止壓力殼內(nèi)放射性氣體通過夾層向殼外泄漏。因為壓力殼不是絕對不漏的，國外核電站壓力殼設(shè)計允許漏率為:每天為壓力殼內(nèi)空氣總量的1%(體積)。有了真空夾層就可以通過大型真空泵抽取夾層氣體送到高效過濾器，使之凈化后排放到大氣中。
(2)汽輪機冷凝系統(tǒng)
核電站汽輪機下面有巨大的冷凝器，它處于真空狀態(tài)。例如法國90萬kW核電站的汽輪機冷凝器是由欽管組成的換熱器，其外殼是處于4*104Pa真空狀態(tài)下進行的二回路介質(zhì)。一般核電站汽輪機冷凝器是圓筒形或箱形，里面排列著數(shù)萬根管子，冷卻水在管內(nèi)通過。二回路蒸氣帶動葉輪做功后，被真空吸管吸進冷凝器內(nèi)，在管外壁受冷而結(jié)成冰掉下來又被送回燕發(fā)器受熱蒸發(fā)。核電站汽輪機與火電站不同，因為核電站蒸汽壓比火電站小，溫度比火電站低，因此容易形成小水滴，這些小水滴對汽輪機十分有害，使冷凝器處于真空狀態(tài)，就可以把噴嘴壁上的水膜吸進冷凝器。冷凝器工作條件十分惡劣，它對真空維持設(shè)備有許多特殊要求，主要的是要長期可靠地工作。
2.輔助系統(tǒng)
核電站輔助系統(tǒng)應(yīng)用的真空技術(shù)主要是真空凈化、真空除氣和真空精餾。冷卻劑質(zhì)量控制系統(tǒng);水作為壓力堆冷卻劑在主回路高溫高壓和強輻射場中流動，會發(fā)生一系列反應(yīng)，并對材料產(chǎn)生腐蝕作用，所以水質(zhì)控制是核電站運行中極為重要的工藝。一回路水要嚴格控制氧、氛、氟和困值以及固體量、放射性強度等?，F(xiàn)代大型壓力堆核電站的一回路冷卻劑設(shè)有循環(huán)凈化系統(tǒng)，連續(xù)地從主回路引出一股水流經(jīng)凈化處理后再使它返回主回路。
進人20世紀70年代以來，國外不少壓力堆采用先經(jīng)真空凈化，再經(jīng)離子交換器凈化的工藝流程。真空凈化可方便地除去水中游離的氧、氫、飯等氣體，比以往單純采用離子交換器凈化效果好得多。一回路水是高溫，須降溫后才能進行離子交換凈化，而真空凈化就安排在降溫過程中。
(1)三廢處理系統(tǒng)
核電站的廢水、廢氣、廢固體含有放射性，三廢處理是核電站正常運行的重要部分，目前還不是一個已經(jīng)完全解決的問題。近年來，在核電站三廢處理方面普遍采用了真空工藝。
(2)二路冷卻劑除氣
二路冷卻劑中Kr,Xe,氏等氣體是難于用化學(xué)方法除去的。在極限條件下，冷卻劑中裂變氣體的放射性濃度可達10-1Ci/L，如果冷卻劑凈化的目的是排放或復(fù)用，則至少要將裂變氣體濃度降低4個一5個數(shù)量級以上，這種要求是相當(dāng)高的。國外研究表明，真空除氣可以達到這個水平。目前常用除氣法有熱力法、惰性氣體吹掃法和真空法。相比之下，真空除氣法比其它兩種方法有更大的優(yōu)越性。它不需要熱源，在常溫下即可進行，在常溫下對液體上部抽真空使水沸騰，達到除氣目的。近年來真空除氣法發(fā)展很快，已有專用的真空泵出現(xiàn)。
(3)含佩廢水處理
核燃料裂變及冷卻劑活化，不可避免地產(chǎn)生旅。含氖廢水處理是比較麻煩的。目前含氮廢水處理除了稀釋排放外，別無他法。從20世紀60年代后期起，國外開始了分離廢水和廢氣中的氮的研究，但到目前為止，尚未有一種方法能付諸應(yīng)用。從經(jīng)濟角度來看，較有希望的是真空精餾，它是在真空狀態(tài)下精餾分離氖水和輕水，這種辦法運行十分簡便。
(4)沸水堆水處理
沸水堆是水在堆內(nèi)直接化為蒸汽，有放射性，使汽輪機及附件都帶有放射性，并且排出的蒸汽和廢水也帶有放射性，其強度相當(dāng)壓力堆一回路水。近年來，由于這些間題得到較好解決，使沸水堆成為壓力堆外建造較多的一種堆型。沸水堆廢氣廢水處理比較成功的一種方法是利用真空工藝的活性炭吸附法。
(5)廢氣處理
壓力堆的工藝廢氣里包含的放射氣體主要是氫和氮的同位素。近年來普遍采用真空法除去氫85。美國圣奧諾弗萊壓力堆所用的真空除氫85的主要干藝流程是:首先將儲存衰變后的廢氣的壓力由7x105Pa降至7x104Pa，經(jīng)過濾、預(yù)熱，在催化復(fù)合氣中除去氧氣。冷卻后依次通過氣水分離器、干燥器、過濾器，徹底除去水分和co以后，使氣體冷卻到-190t，送到炭床運行。然后逐漸升溫到50攝氏度，同時抽真空，使吸附氣體解吸下來，壓人鋼瓶。這種真空除去氫85的工藝，設(shè)備都簡單，曾成功地用于溫茨凱爾和愛爾荷廠。