Вопросы очистки натрия от примесей

стендах, так и на промышленных установках нашли:
Фильтрация  удержание

специальными фильтрами при прокачке теплоносителя через них взвешенной (дисперсной) фазы примеси или её соединения, присутствующих в теплоносителе, или образующихся в результате кристаллизации из пересыщенного раствора при охлаждении теплоносителя ХФЛ
Сорбция:
Химическая - взаимодействие примеси или её соединения со специальными реагентами, геттерами контактирующими с теплоносителем
Физическая- соединения не образуются – холодные ловушки
Дистилляция
Отстаивание

канал;
3 – фильтр;
4 – отстойник;
5 – зона

охлаждения

натрия РУ БН-600 (a) и БН-350 (b)
1 – центральная

труба;
2 – внешний канал рекуператора;
3 – воздушная теплоизоляция;
4 – фильтр;
5 – перепускные трубы;
6 – кольцевой канал (второй вход натрия);
7 – труба воздушного охлаждения;
8 – рубашка охлаждения;
9 – конус для увеличения входной скорости;
10 – змеевики охлаждения

ХЛ
JО=Gл·β·(Свх-Свых)
lg Сs = A – B/T, ppm

окончательного охлаждения и фильтрования.
a) – распределение оксида натрия по

длине ловушки,
суммарное количество оксида в ловушке:
1 - 111 кг;
2 - 63 кг;
3 - 14 кг;
б) – схема разрезки ловушки и места пробоотбора

минимальная концентрация примесей, обеспечиваемая ХЛ;
–        коэффициент удержания примесей () в

ХЛ;
–        производительность;
–        емкость по примесям;
–        ресурс работы;
–        конструктивные особенности;
–        регенерируемость.

Основные режимы ХЛ:
–        механической очистки;
–        номинальный;
–        стояночный (в горячем резерве);
–        пусковой (выход из стояночного режима).

источника примесей, [кг/с];
С‘ – растворимость примеси в натрии при температуре

выхода из ловушки;

С0 – концентрация на входе в холодную ловушку;

QЛ -расход натрия через ХЛ;

β – коэффициент удержания примесей в ХЛ;
τ – время очистки.

Изменение концентрации примесей в теплоносителе во время очистки его ХЛ, работающей с расходом Qл, при коэффициенте удержания примесей β с исходной концентрацией примесей Сo до концентрации C(τ) при наличии источника примесей интенсивностью Qi, описывается уравнением:

Устройство, принцип действия и режимы работы холодных ловушек

dC/d = -  QЛ (С – С’)/M + Qi/M

канал;
3 – фильтр;
4 – отстойник;
5 – зона

охлаждения

Варьируемые параметры
Соотношение диаметра и длины внутренней полости ХЛ
Соотношение длин зон фильтра, отстойника и окончательного охлаждения
Величина заглубления выпускной трубы
Скорость выхода натрия в ловушку
Распределение зон охлаждения по высоте ловушки
Внутренние образования и змеевики

Требуется создание численного алгоритма и структуры расчетного кода. Должны быть получены результаты расчетов полей скорости, температуры, концентраций растворенной примеси и твердых частиц в холодной ловушке.

насыщения
кислорода в натрии:
Закон сохранения массы:

импульса:

энергии:
где:

рабочей полости ХФЛ с использованием кода TURBFLOW (Щербаков С.И.)
диаметр

внутренней полости ловушки 0,86 м
высота отстойника до 1,45 м
длина внутренней полости ловушки без фильтра 3,25 м
объём рабочей полости ловушки до фильтра 1,8 м3
расход очищаемого натрия через ловушку 1,5 кг/с

Расчет осаждения примесей в ХФЛ с использованием кода MASKA (Кумаев В.Я.)

Оценка потоков примесей на поверхность ХФЛ с использованием кода OpenFOAM (Варсеев Е.В.)

Сделан вывод о целесообразности доработки встроенной в бак реактора ХФЛ с натриевой системой охлаждения, как варианта для технического проекта реактора.

ловушек
Система перезарядки ловушек
Дублирование системы охлаждения
ХЛ вне бака
Встроенные ХЛ
Комбинированная система
1

ХЛ крупногабаритная + 2 ХЛ ограниченной емкости
стационарная заменяемые

2 – полость, заполненная аргоном; 3 – дроссель электомагнитный; 4

– рабочая полость ХФЛ встроенной; 5 – рекуператор; 6 – подогреватель; 7 – насос электромагнитный; 8 – расходомер электромагнитный; 9 – защита биологическая; 10 – трубопровод подвода загрязненного натрия в рекуператор; 11 – трубопровод отвода очищенного натрия из рекуператора; 12 – трубопровод байпаса очищенного натрия из рабочей полости; 13 – гермовводы; 14 – клеммные коробки или штепсельные разъемы; 15 – электрические коммуникации.

натрия через ХЛ, и поэтому – значительное увеличение времени очистки

натрия до требуемого уровня его чистоты.
2) Необходимость многократной замены ХЛ для обеспечения работы установки из-за недостаточной ёмкости ВСО по примесям вследствие жёстких ограничений на размеры и количество ХЛ.
3) Наличие сложной системы охлаждения и необходимость постоянного поддержания ловушки в режиме охлаждения. Неработающая ХЛ должна поддерживаться при температуре 120-150 °С, так как длительное пребывание отсеченной ХЛ при температуре окружающего её натрия (tNa ≥ 410°С) приведёт к усиленной коррозии элементов внутри ХЛ.
4) Возможность выхода загрязненного примесями натрия в бак реактора из перегретой ХЛ, образования газообразного водорода и выхода его в бак реактора.
5) Должна быть научно обоснована и разработана по существу новая конструкция холодной ловушки.

Зависимость равновесного давления водорода над натрием от температуры

- ловушка
2 - Уровнемер
3 - Механизм перегрузки
4 - Перегрузочная машина

теплообменник
4 - Промежуточный теплообменник
5 - ИК контроля энергетического уровня мощности
6

- ИК контроля подкритического состояния

корпус;
4 – крыльчатка;
5 – упор;
6 – шпилька;

7 – фольга; 8 – фольга рифлёная (цирконий);
9 – лист облицовочный

Методы очистки натрия от примесей

на единицу поверхности в зависимости от температуры и времени

ΔG/S

= Аexp(-В/Т)τn=Кτn
А, В и n – константы

Изменение концентрации кислорода в натрии в течение времени

При допустимом привесе геттера в 2 % используется только 6 % циркония. Возможно повышение этого показателя, но для его обоснования необходимо проведение специальных исследований.

от 7 кг/год кислорода в натриевом контуре
GZr, кг
, м
Проведение расчетных

оценок по горячей очистке натрия от примесей

толщины фольги
Проведение расчетных оценок по горячей очистке натрия от примесей

натрии стенда «ПРОТВА - 1» при прокачке его через геттер

при температуре 550 °С: за 20 часов эксперимента он понизился с ~55 млн-1 до 7 млн-1. Уровень кислорода в натрии стенда уменьшился на 48 млн-1.
Всего 6 кг порошка циркония с размером частиц 0,3 мм. Поверхность ≈ 25 м2

Геттерная очистка

натрии:

Масса геттера:
Проведение расчетных оценок по горячей очистке натрия от примесей

эксплуатации необходимо вычистить около mО = 600 кг кислорода, с учетом количества

натрия в первом контуре получена средняя необходимая скорость очистки натрия C = 0,41 млн-1/мес.

При выборе циркония в виде гранул для эффективного использования необходимо, чтобы привес циркония составлял 2 %. Это выполняется при массе циркония 30 тонн в расчете на 60 лет. Размер частиц должен быть  <150 мкм.

натрия после ППР, перегрузки топлива и от аварийных загрязнений потребуется

не менее 1600 часов (67 сут). При этом время очистки натрия от кислорода от концентрации 20 млн-1 до 10 млн-1 (когда реактор уже можно эксплуатировать) составляет около 500 часов.

Масса геттера – 3000 кг
Размер частиц – 150 мкм
Расход натрия – 3 кг/с

С, кг/кг

τ, сутки

графит гранулированный в насыпке;
4 – труба входная;
5 – демпфер

(предварительный фильтр);
6 – фильтр металлокерамический; 7 – труба выходная

Методы очистки натрия от примесей

Сорбция