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真空在核电站运行中的应用

核电站是包括主回路和许多辅助系统的庞大系统。以压堆为例,主回路系统包括一回路和二回路部件:反应堆、压力壳、蒸发器、汽轮机、冷凝器及各种泵。辅助系统包括净化冷却剂系统、保持冷却水系统、设备冷却水系统、停堆冷却水系统、安全注射系统、应急堆芯冷却系统、安全喷浴系统、消氢系统、空气循环净化系统、三废处理系统。下面分别介绍真空技术在主回路和辅助系统中的应用。
1.主回路系统
核电站主回路系统大部分工作在高温高压状态,但也有处于真空状态运行的,主要是压力壳夹层、汽轮机冷凝器等。
(1)压力壳夹层
现代大型压力堆的压力壳都是双层的,为了增加安全性,近年来国外一些大型压力堆电站,其压力壳都采用带真空的夹层。其目的是真空夹层可以防止压力壳内放射性气体通过夹层向壳外泄漏。因为压力壳不是绝对不漏的,国外核电站压力壳设计允许漏率为:每天为压力壳内空气总量的1%(体积)。有了真空夹层,就可以通过大型真空泵抽取夹层气体送到高效过滤器,使之净化后排放到大气中。
(2)汽轮机冷凝系统
核电站汽轮机下面有巨大的冷凝器,它处于真空状态。例如法国90万kW核电站的汽轮机冷凝器是由钦管组成的换热器,其外壳是处于4*104Pa真空状态下进行的二回路介质。一般核电站汽轮机冷凝器是圆筒形或箱形,里面排列着数万根管子,冷却水在管内通过。二回路蒸气带动叶轮做功后,被真空吸管吸进冷凝器内,在管外壁受冷而结成冰掉下来又被送回燕发器受热蒸发。核电站汽轮机与火电站不同,因为核电站蒸汽压比火电站小,温度比火电站低,因此容易形成小水滴,这些小水滴对汽轮机十分有害,使冷凝器处于真空状态,就可以把喷嘴壁上的水膜吸进冷凝器。冷凝器工作条件十分恶劣,它对真空维持设备有许多特殊要求,最主要的是要长期可靠地工作。
2.辅助系统
核电站辅助系统应用的真空技术主要是真空净化、真空除气和真空精馏。冷却剂质量控制系统;水作为压力堆冷却剂在主回路高温高压和强辐射场中流动,会发生一系列反应,并对材料产生腐蚀作用,所以水质控制是核电站运行中极为重要的工艺。一回路水要严格控制氧、氛、氟和困值以及固体量、放射性强度等。现代大型压力堆核电站的一回路冷却剂设有循环净化系统,连续地从主回路引出一股水流经净化处理后再使它返回主回路。
进人20世纪70年代以来,国外不少压力堆采用先经真空净化,再经离子交换器净化的工艺流程。真空净化可方便地除去水中游离的氧、氢、饭等气体,比以往单纯采用离子交换器净化效果好得多。一回路水是高温,须降温后才能进行离子交换净化,而真空净化就安排在降温过程中。
(1)三废处理系统
核电站的废水、废气、废固体含有放射性,三废处理是核电站正常运行的重要部分,目前还不是一个已经完全解决的问题。近年来,在核电站三废处理方面普遍采用了真空工艺。
(2)二路冷却剂除气
二路冷却剂中Kr,Xe,氏等气体是难于用化学方法除去的。在极限条件下,冷却剂中裂变气体的放射性浓度可达10-1Ci/L,如果冷却剂净化的目的是排放或复用,则至少要将裂变气体浓度降低4个一5个数量级以上,这种要求是相当高的。国外研究表明,真空除气可以达到这个水平。目前常用除气法有热力法、惰性气体吹扫法和真空法。相比之下,真空除气法比其它两种方法有更大的优越性。它不需要热源,在常温下即可进行,在常温下对液体上部抽真空使水沸腾,达到除气目的。近年来真空除气法发展很快,已有专用的真空泵出现。
(3)含佩废水处理
核燃料裂变及冷却剂活化,不可避免地产生旅。含氖废水处理是比较麻烦的。目前含氮废水处理除了稀释排放外,别无他法。从20世纪60年代后期起,国外开始了分离废水和废气中的氮的研究,但到目前为止,尚未有一种方法能付诸应用。从经济角度来看,较有希望的是真空精馏,它是在真空状态下精馏分离氖水和轻水,这种办法运行十分简便。
(4)沸水堆水处理
沸水堆是水在堆内直接化为蒸汽,有放射性,使汽轮机及附件都带有放射性,并且排出的蒸汽和废水也带有放射性,其强度相当压力堆一回路水。近年来,由于这些间题得到较好解决,使沸水堆成为压力堆外建造较多的一种堆型。沸水堆废气废水处理比较成功的一种方法是利用真空工艺的活性炭吸附法。
(5)废气处理
压力堆的工艺废气里包含的放射气体主要是氢和氮的同位素。近年来普遍采用真空法除去氢85。美国圣奥诺弗莱压力堆所用的真空除氢85的主要干艺流程是:首先将储存衰变后的废气的压力由7x105Pa降至7x104Pa,经过滤、预热,在催化复合气中除去氧气。冷却后依次通过气水分离器、干燥器、过滤器,彻底除去水分和co以后,使气体冷却到-190t,送到炭床运行。然后逐渐升温到50摄氏度,同时抽真空,使吸附气体解吸下来,压人钢瓶。这种真空除去氢85的工艺,设备都简单,曾成功地用于温茨凯尔和爱尔荷厂。


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