一種核反應堆鋼表面的原位鈍化方法
【專利說明】
[0001]發明所涉及的
技術領域
[0002]本發明涉及核技術領域，尤其，涉及一種液態重金屬冷卻核反應堆鋼表面的原位鈍化方法。
【背景技術】
[0003]已知有各種各樣的鋼管表面鈍化方法。
[0004]例如，已知一種鍋爐管及發電機組內表面的鈍化方法，其包括，用氣態氧化劑(氧氣)進行鈍化處理，所述氣態氧化劑在控制鐵的氧化物從通道排出的渦輪機關閉的狀態下在鍋爐點燃過程中被加入到工作介質中。因此，從鍋爐點火一開始就通過降低介質的溫度和壓力將工作介質不間斷地轉換成蒸汽與水混合的狀態。在該清洗階段停止排出鐵的氧化物后將鍋爐爐膛內的釋熱量逐漸增加過渡到一個新的釋熱程度。送入氧化劑，鍋爐過熱部分中的壓力一開始的水平為1.0-1.2MPa，在鍋爐過熱部分中的壓力達到2.0-3.0MPa并且在這個階段停止排出鐵的氧化物之后將鍋爐工作介質的壓力和溫度提高到使鍋爐過熱部分中的工作介質不再為蒸汽與水混合的狀態的參數，保持這個狀態直至鈍化完成(俄羅斯專利RU 2232937，卩22837/48，2004年7月20日)。
[0005]已知一種通過用含氧劑處理鋼管來鈍化鋼管的方法，根據本發明使用添加有濃度不超過1.2g/l的氧氣或氮氣的空氣作為所述含氧劑，并在含氧劑流速為50-200m/s和300-500°C的條件下進行0.5-50.0分鐘的處理(俄羅斯專利RU2190699，C23G5/00，2002年10月10日)。該方法用于對提出有效防腐蝕要求的不同直徑和長度的鋼管進行防腐蝕，尤其是難以到達的內表面的防腐蝕。該方法適用于生產工業鋼管的企業。
[0006]還已知一種用凈化劑進行氧氣清洗和鈍化鍋爐管內表面的方法，所述凈化劑為一種氧氣與給水，或者蒸汽，或者水-蒸汽混合物的混合物，氧氣在凈化劑中的濃度維持在10-158/1^的范圍內，在凈化劑的溫度為90-4501的條件下清洗4.5-5.5小時(俄羅斯專利1?1]2303745，F22B37/48，2007年7月27日)。如發明說明書中所述，該方法能有效地清洗和鈍化管道的內表面，同時能降低能耗和縮短動力設備的停機時間。
[0007]同時，該方法的目的為通過氧氣與給水，或者蒸汽，或者水-蒸汽混合物的混合物流經管道來鈍化管道的內表面。這種方法不適合核裝置的鋼制元件的鈍化，因為包括溫度條件在內的工作條件，以及在這些設備的結構中使用的材料是根本不同的。除此之外，對核反應堆可靠性的要求要比對鍋爐設備的要求高得多。
[0008]尤其是對于液態重金屬冷卻核反應堆來說，通常使用下面的可保證第一回路中結構鋼的耐腐蝕性的技術:
[0009]-對燃料元件(以下簡稱TB3JI)的表面進行化學或電化學處理；
[0010]-將處于氧化環境中，例如堆芯元件的合金中，蒸汽發生器的二氧化碳氣體中，控制和保護系統(C Y3)護罩的水蒸氣中的各元件和部件進行回路外(工廠)鈍化(預氧化)處理；
[0011]-根據預先在燃料元件表面形成的氧化層的厚度和質量的監測結果淘汰不合格的帶有鋼制包殼的燃料元件。
[0012]這些操作通常在生產核反應堆第一回路元件的工廠中進行。
[0013]如上述類似專利RU2190699中所描述，對第一回路大部分表面進行事先處理和鈍化能顯著降低鋼對溶解氧的累積需要量并相應地簡化傳質設備或其他維持冷卻劑氧勢的設備的工作，特別是在核反應堆運行的初始階段。
[0014]但在實施回路外(工廠)鈍化的過程中顯示出了顯著的技術缺陷，所述缺陷主要是在露天的裝有鉛鉍低熔合金的槽內對具有3H型鋼制成的包殼的燃料元件事先進行回路外氧化處理的模式方面。在氣體介質(C02，水蒸汽)中對產品進行回路外的鈍化(氧化)使工廠的工藝復雜化。然后，需要注意的是，從裝置運行的結果來看，在工廠鈍化階段對制品進行的處理操作是有效的。在兩個階段的處理(經過對鋼材的初步處理及經過工廠鈍化后)過程中，廢品率為10%以上。在結合焊縫退火狀態的高溫條件下，在二氧化碳氣體中使用專門的處理模式來進行珠光體鋼制成蒸汽發生器的回路外鈍化。
[0015]應該指出的是，工廠鈍化的溫度和氧氣條件不是最佳選擇，因為在處理時在鋼的表面會形成包含鐵酸鋁相成分，不具有防護特性的氧化膜。
[0016]實踐表明，由于上述原因對液態重金屬冷卻快速核反應堆第一回路的鋼表面的事先處理不能保證其具有足夠的鈍化水平，在足夠的鈍化水平下第一回路表面與液態金屬冷卻劑(例如，鉛、鉛-鉍共熔合金)發生反應時在這些表面上將幾乎不會有氧化過程。
[0017]因為上述原因，對于快速核反應堆來說，除了一般在進行工廠(回路外)鈍化處理之外，還應在核反應堆運行初期進行鋼表面的原位鈍化。
[0018]選擇一種有關動力快堆結構的原位鈍化技術方案作為與本發明最為接近的類似方法，其中所述動力快堆裝配有防止與液態金屬(鉛)冷卻劑接觸的燃料元件和第一回路結構元件腐蝕的設備(俄羅斯專利冊2456686，621(:1/03，2012年7月20日)。
[0019]如RU2456686中所述，當使用鉛冷卻劑時會產生與反應堆第一回路結構元件腐蝕相關的問題。根據RU2456686的發明的目的是通過形成穩定的碳化膜遏制第一加熱回路結構元件的腐蝕，首先是安裝在核反應堆堆芯內的結構元件。除此之外，該發明能防止燃料元件防腐殼和在第一回路結構元件上形成的保護層出現機械損傷。在復雜運行條件下，即與反應堆第一回路高溫部分中的鉛冷卻劑接觸的熱點區域中的燃料元件的殼體最容易被腐蝕，上述問題的解決都與此相關。因冷卻劑在具有不同溫度的第一回路區域之間循環而出現并發展的所謂的動態腐蝕具有非常重要的意義。為了保證液態金屬(鉛)冷卻快速反應堆的燃料元件包殼和第一回路元件的防腐蝕性，將作為鈍化添加劑的碳加入到冷卻劑中。當用隹凡或銀(或其合金)制作燃料元件殼體的保護殼時，液態金屬冷卻劑(鉛碳合金)能與燃料元件殼體的保護殼的材料發生反應，從而導致保護殼表面層滲碳。其結果是在保護殼的表面上形成鈍化的碳化涂層。
[0020]由于要求使用包括密封外殼，以及由釩或鈮或基于釩和/或鈮的合金制成的保護殼的燃料元件，而且使用鉛作為冷卻劑，所以該方法的應用有限。所述最為接近的類似方法的目的是創建一種主要在燃料元件保護殼的表面上的碳化膜，此時核反應堆第一回路的其他元件(栗組、蒸汽發生器表面等)的鈍化強度顯然要小一些(在說明書中沒有指出這些元件的材料是否包含釩、鈮或基于釩和/或鈮的合金)。

【發明內容】

[0021]本發明的任務為:通過在核反應堆運行初期創造能保證鈍化要求水平的氧化過程的條件，對液態重金屬冷卻核反應堆第一回路元件的鋼表面進行堅固地原位鈍化。
[0022]考慮到已知設備對向冷卻劑中輸入氧氣的可允許強度有物理限制，不排除出現因氧化反應的氧氣消耗速度超過向液態重金屬冷卻劑的輸入氧氣的速度，從而導致無法維持所述冷卻劑所需的氧氣條件的情況。核反應堆運行的初始階段在這方面最有問題。由于目前還無法正確預估出浸沒在液態重金屬冷卻劑中的鋼制品上的氧化膜的初始形成階段，使得情況較為復雜。因此，在預估鋼氧化的初始速度方面的誤差較大，而且很難與液態重金屬冷卻劑技術設備的特性相比較。
[0023]解決這些問題能使得在核反應堆繼續工作時只能通過使用在核反應堆中使用的質量傳遞制式設備來保持鋼元件表面上鈍化膜的完整性。
[0024]使用堆芯模擬裝置的原位鈍化技術能獲得下列技術成果:
[0025]-確保了在液態重金屬冷卻劑介質中不進行任何事先的特殊操作的鋼制樣品的抗腐蝕性；
[0026]-降低了核反應堆運行初始階段的氧氣消耗的最大速度，所述氧氣的消耗也隨著第一回路表面氧化而降低；
[0027]-降低了維持核反應堆運行初期所必要的氧氣條件將氧氣輸入到冷卻劑中的技術設備的溶解氧產量。
[0028]考慮到燃料元件可事先鈍化，所以能進一步顯著降低氧化作用中的氧氣消耗量。
[0029]下列核反應堆鋼表面原位鈍化方法的幾項本質特征影響了上述技術成果。
[0030]核反應堆鋼表面原位鈍化方法，包括:通過向第一回路的冷卻劑中加入能與第一回路元件材料發生反應并形成保護膜的物質在核反應堆第一回路元件的表面上創建保護膜，同時在組裝核反應堆時向其填充第一回路的冷卻劑之前，在用于放置堆芯的位置上安裝堆芯模擬裝置，之后向反應堆內填充冷卻劑，將冷卻劑加熱到規定的鈍化條件下的溫度，之后將堆芯模擬裝置移除并在該位置上安裝正式的堆芯。
[0031]此時，使用液態金屬冷卻劑作為所述第一回路冷卻劑。
[0032]此時，分兩個階段進行原位鈍化，在等溫鈍化模式下進行第一階段，在該模式下向液態金屬冷卻劑中注入氧氣，在非等溫鈍化模式下進行第二階段。
[0033]此時，在溫度T= 300_330°C的條件下進行等溫鈍化模式