[发明专利]测量石墨粉尘颗粒起尘的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及核反应堆工程领域，特别是一种测量在高温堆内可能产生的石墨粉尘颗粒起尘的测试方法和装置。

背景技术

高温气冷堆（High Temperature Gas Cooled Reactor）是使用石墨慢化、氦气冷却的反应堆系统。与其他核能系统相比，模块式高温气冷堆具有安全性好、发电效率高等特点，受到各国普遍关注，而超高温气冷堆是第四代先进核能系统的候选堆型之一，被认为是最有可能在不远的将来实施的先进堆型。在德国Jülich公司研发的球床式高温气冷堆测试堆芯AVR（1967年-1988年）以及以钍为燃料的测试堆芯THTR（1985年-1989年）的运行过程中，均发现了具有放射性的碳质粉尘。尽管高温气冷堆由于具有较大的燃料和慢化剂反应性温度系数而在安全性能上有明显优势，然而反应堆一回路的石墨粉尘会给系统安全和环境安全带来一定的隐患。

高温气冷堆中，石墨材料被广泛应用。它既是核燃料的包覆材料，又是反射层材料。作为慢化剂和堆芯结构主要材料，核级石墨的各方面性能对堆芯能够安全高效运行起着很大作用。关于堆芯内的石墨粉尘，有研究表明，燃料元件之间的运动摩擦，以及由于氦气的不纯净而引发的石墨氧化，是造成高温堆产生石墨粉尘的主要原因。

石墨粉尘的运动行为对于高温气冷堆的运行具有较重要意义。在反应堆正常工况下运行时，石墨粉尘颗粒随着冷却气体氦气在反应堆一回路流动，并在一回路表面和流动死区发生沉积，对设备的维护和检修带来不便；石墨粉尘还会在蒸发器换热管表面沉积，影响其换热效率等；石墨粉尘颗粒为疏松多孔结构，表面可吸附带有放射性的裂变碎片。在反应堆启停堆工况下，堆内粉尘浓度可达到正常运行时的3-5倍；一旦发生破口事故，已经沉积在一回路表面的一部分石墨粉外泄，对周围环境造成放射性污染。因此，预测石墨粉尘在高温气冷堆中的起尘行为和规律，对于反应堆的安全运行和分析有着重要意义。

发明内容

目前关于石墨粉尘起尘规律的研究均是采用常温常压下的空气对颗粒进行吹除。而高温气冷堆的冷却剂为高温高压的氦气：堆芯入口温度为250℃-400℃，出口温度为750℃-900℃；HTR-10堆芯一回路压力为3Mpa，HTR-PM堆芯一回路压力为7Mpa；同时，目前尚不明确用空气或其他工质气体代替氦气做石墨粉尘起尘规律的探究是否能够合理体现石墨粉尘在高温堆发生破口时的起尘行为，同时测试的压力和温度也往往和真实环境存在差异。因而，要需要设计合适的方案实现对高温气冷堆一回路中高温高压的氦气工质引发的石墨粉尘的起尘特性进行测量。

本发明提供一种能够利用不同气体工质在高温高压工况下研究石墨粉起尘特性的方法和装置。该装置基于重量分析法测量高温堆一回路石墨粉尘的起尘份额，同时为保证测量的准确性，该装置能够有效减少管道中热泳沉积的影响。

设计了一种高温堆内石墨粉尘颗粒起尘特性的测试方法和装置，具体结构见附件中图1及2。

该装置主要由高压注气系统、管道电加热系统、主回路系统、粉尘起尘试验段以及泄压系统构成。高压注气系统包含至少一个高压气瓶，高压气瓶能替换成不同的气源，开展不同气体工质下的起尘实验。气源注入到主回路之前，经管道加热装置升温，使得回路环境为能够模拟高温气冷堆一回路环境的高温高压。为避免热泳力带来的较大沉积，主回路管道外围包裹保温隔热材料。通过测量不同调频工况下通过风机的气流速度以及可拆卸实验平板上起尘实验前后的石墨粉尘重量得到起尘份额。收集起尘前后平板上的颗粒样品进行粒径分析，可进一步得到不同工况下发生起尘的颗粒粒径特征。

附图说明

图1是本发明测量高温堆一回路管道中石墨粉尘起尘的装置的结构示意图。

图2是石墨粉尘起尘试验段的结构示意图。

其中：1-高压注气系统；2-电加热系统；3-主回路系统；4-粉尘起尘试验段；5-泄压系统；6-高压储气瓶；7-干燥器；8-电加热器；9-压力传感器；10-温度传感器；11-截止阀；12-风机；13-变频器；14-保温层；15-风速传感器；16-温度传感器器；17-压力传感器；18-泄压阀；19-粉尘沉积板；20-螺母紧固接头；21-连杆；22-连杆紧固法兰；23-密封法兰。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。