一种液态金属工质净化装置的制作方法

1.本发明属于核工业领域，具体涉及一种液态金属工质净化装置。


背景技术：

2.钠钾共熔合金(nak)是快中子反应堆和一些小型反应堆装置中的常用液态金属冷却剂，氧杂质是其中的主要非金属杂质。氧含量过高易引起流道堵塞或加速结构材料腐蚀等不利后果，对装置的运行安全造成威胁，因此在钠钾合金装置中一般都会设置专门的净化装置对氧杂质进行去除。
3.质量比例为nak
‑
78的钠钾合金熔点为
‑
12℃，在室温下为液态，由于钠会将氧化钾还原氧化钠和单质钾，因此钠钾合金中的氧杂质主要以氧化钠形式存在。由于氧化钠在钠钾合金中的溶解度随温度降低而减小，因此可以通过将钠钾合金冷却至饱和温度附近，使溶解于合金中的氧杂质以氧化钠形式结晶析出，从而达到净化的效果。一般采用不锈钢丝网作为结晶的附着物，该种净化方法称为冷阱法或冷捕集法，该方法对钠钾合金中溶解度较小的氢杂质也能起到一定的净化作用。
4.氧杂质在钠钾合金中的饱和溶解度co(单位为ppm)与温度t(单位为k)之间，根据lindermar等在1981测得的经验关系式为：log
10
co＝7.09
‑
2795/t(适用范围363k～483k)，因此根据饱和溶解度公式，冷阱法理论上可以在冷却温度在100℃左右时，将钠钾合金中的氧杂质净化至3ppm～5ppm。但实际操作中，由于流体冲刷和回热重新溶解等因素，一般杂质浓度达不到理想数值。如果需要将钠钾合金的杂质净化到更高程度时，一般会利用一些与氧结合能力更强的金属来进行净化。例如0.1mm左右高纯金属锆薄片就是最常用的净化材料，它通过化学反应在500℃左右的高温下进行氧吸附，形成氧化锆，同时将钠置换出来，该净化方法称为热阱法。
5.目前一些钠钾合金回路中会同时设置冷阱和热阱两个设备，由于冷阱需要将冷却剂降至较低温度，因此冷阱运行时设备入口温度不能过高，一般不高于400℃；而锆热阱与回路在500℃左右等温运行。这就使得冷阱与热阱无法同时进行工作，在运行时存在一定的不便，净化效率也比较低，耗时较长。
6.普通钠和钠钾合金冷阱中，由于入口温度一般在400℃左右，而冷阱捕集温度一般在200℃以下，因此在液态金属降至冷却温度之前会有较长的路径实际起不到捕集的作用，产生了空间的浪费。
7.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

8.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种液态金属工质净化装置，本技术方案能够在同一装置中实现冷阱与热阱的双重作用，取得更好的净化效果。
9.本发明的技术方案如下：
10.一种液态金属工质净化装置，包括筒体、净化丝网组件、结晶丝网组件和冷却结
构；所述筒体上设置有进口管和出口管，净化丝网组件和结晶丝网组件设置在所述筒体内；所述冷却结构设置在筒体外部并对所述结晶丝网组件进行冷却；
11.液态金属工质由所述进口管进入筒体，依次经过净化丝网组件和结晶丝网组件后由所述出口管排出筒体。
12.进一步地，上述的液态金属工质净化装置，液态金属工质依次经过净化丝网组件和结晶丝网组件后通过中心管进入所述出口管。
13.进一步地，上述的液态金属工质净化装置，还包括回热盘管，中心管中的液态金属工质进入回热盘管与由进口管进入筒体的液态金属工质换热后进入所述出口管。
14.进一步地，上述的液态金属工质净化装置，所述冷却结构还对所述结晶丝网组件上游的筒体部分进行冷却以在所述液态金属工质进入结晶丝网组件前进行预冷却。
15.进一步地，上述的液态金属工质净化装置，所述进口管和所述出口管设置在所述筒体的同一端。
16.进一步地，上述的液态金属工质净化装置，所述冷却结构包括绕所述筒身设置的风道和冷却风机；所述冷却风机驱动冷风进入风道对所述筒身进行冷却。
17.进一步地，上述的液态金属工质净化装置，所述液态金属工质为钠钾合金。
18.进一步地，上述的液态金属工质净化装置，所述净化丝网组件为锆金属网。
19.进一步地，上述的液态金属工质净化装置，所述结晶丝网组件为锆金属网。
20.本发明的有益效果如下：
21.1、本发明将冷阱法与热阱法结合，可同时进行物理净化与化学净化，无需对回路分别进行升降温操作来适应冷、热阱的不同运行温度，在运行中更加简便，可以提高净化的效率和速度。
22.2、本发明将冷阱中原本不起净化作用、温度较高的回热区也进行了充分利用，提高了设备内部空间的利用率，无须设置单独的热阱也有利于装置的整体布置。
23.3、通过锆丝网的设置，可解决传统冷阱中易出现的杂质再溶解问题，其理论极限净化能力可将钠钾合金中的氧含量降至1ppm以下，相比传统冷阱10ppm
‑
20ppm的极限能力有较大提升，对需要长期运行的钠钾合金装置的结构材料降低腐蚀深度具有显著作用。
24.4、该结构除用于钠钾合金外，还可用于钠、锂等其它液态金属工质的净化，用于其它工质净化时，只需要把丝网材质更换为具备净化o、n、h等其它杂质的材料，即可实现净化特定非金属杂质的效果。在有必要时，还可采用2
‑
3种材质混合制成丝网组件进行净化，从而避免现有液态金属回路需要设置多个单独净化设备的弊端。
25.5、本发明还可用于大型商业钠冷快堆中的冷阱结构改进，可进一步提高冷阱的总杂质捕集能力，延长钠冷阱的使用寿命。
附图说明
26.图1为本发明的液态金属工质净化装置的结构示意图。
27.图2为本发明的液态金属工质净化装置的在回路应用的示意图。
28.上述附图中，1、泄排管；2、下封头；3、下多孔挡板；4、风道；5、结晶丝网组件；6、净化丝网组件；7、外壳直筒；8、中心管；9、上多孔挡板；10、回热盘管；11、上封头；12、出口管；13、进口管；14、冷却风机；15、电磁泵；16、主回路；17、试验段；18、截止阀；19、净化装置。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
30.如图1所示，本发明提供了一种液态金属工质净化装置，包括筒体、净化丝网组件6、结晶丝网组件5和冷却结构；所述筒体上设置有进口管13和出口管12，净化丝网组件6和结晶丝网组件5设置在所述筒体内；所述冷却结构设置在筒体外部并对所述结晶丝网组件5进行冷却；液态金属工质由所述进口管13进入筒体，依次经过净化丝网组件6和结晶丝网组件5后由所述出口管12排出筒体。
31.本实施例中，除丝网组件外，其余部件均采用奥氏体不锈钢材料加工。筒体包括下封头2、外壳直筒7和上封头11，用于容纳液态金属工质(本实施例中为钠钾合金工质)。
32.进口管13和出口管12设置于所述筒体同一端；液态金属工质依次经过净化丝网组件6和结晶丝网组件5后通过中心管8进入所述出口管12。如此，刚刚进入装置的高温液态金属工质能够与净化完成的低温液态工质进行热交换从而快速降温，而净化完成的低温液态工质也能快速回热以尽快达到主工艺回路的温度要求，降低对主回路16的影响。为了进一步增加换热效果，本发明的液态金属工质净化装置还包括回热盘管10，中心管8中的液态金属工质进入回热盘管10与由进口管13进入筒体的液态金属工质换热后进入所述出口管12。
33.本实施例中，所述冷却结构还对所述结晶丝网组件5上游的筒体部分进行冷却以在所述液态金属工质进入结晶丝网组件5前进行预冷却。通过预冷却能够使得液态金属工质进入结晶丝网组件5时温度适宜结晶，有效节约了空间，有助于缩小装置体积。
34.冷却结构包括绕所述筒身设置的风道4和冷却风机14；所述冷却风机14驱动冷风进入风道4对所述筒身进行冷却。
35.本实施例中，液态金属工质为钠钾合金，既可以采用结晶丝网组件5和净化丝网组件6全部采用锆丝网的方案；也可以上半部分采用锆丝网，下半部分仍采用传统的不锈钢丝网的方案，降低价格较高的锆丝网使用量。本实施例中，本发明提供的锆丝网和不锈钢丝网应制成孔隙率较为均匀的气液过滤网形式，目数在30目至100目之间，具备较大的表面积/体积比。锆丝网所使用的锆纯度应不低于zr01牌号(99.2％)；不锈钢丝网材质应采用s31608或s30408。不锈钢丝网在安装前须进行清洗并烘干，锆丝网应在制造时就保持干燥洁净状态，不再进行清洗避免污染。为提高锆丝网反应速率，该净化设备的钠钾合金入口温度应保持在400℃
‑
450℃之间最佳，最低不应低于350℃，钠钾合金入口流量可以回路旁通方式连接，保持在0.05m3/h
‑
0.15m3/h之间为宜。
36.本实施例中，进口管13和出口管12与回路管道通过焊接方式连接，被泵驱动的钠钾合金工质以400℃
‑
450℃左右的温度经进口管13流入后，往下流经带有多个开孔的上多孔挡板9，随后即与采用锆丝网制成的净化丝网组件6产生接触，在该部分产生化学反应，锆丝网与工质中的氧杂质反应进行净化。在净化的同时，壳体外部的冷却风机14通过风冷吹过直筒段外壁的风道4，从而对工质产生冷却的效果。因此，当工质继续流动至采用奥氏体不锈钢材质的结晶丝网组件5时，钠钾合金中的na2o就会因低于其饱和温度，以丝网为结晶核析出，从而起到普通冷阱物理净化的效果。在不锈钢丝网区域再次净化完毕后，钠钾合金从底部的下多孔挡板3流出，从中心管8里面流出，最后经过回热盘管10回热升温后，从出口管12流回至回路当中，实现一次完整的净化过程。底部的泄排管1用于后期净化能力饱和或回路退役时，装置中残存钠钾合金及氧化物的排出处理，正常运行过程中，该接头采用金属
垫片活接密封。
37.如图2所示，在回路应用时，可将进口管13和出口管12以旁通方法连接至回路中，旁通回路进出口均可设截止阀18。主回路16采用电磁泵15或其它循环泵产生驱动压头，回路还应设有加热器、流量计、试验段17等模块，主回路16一般采用奥氏体不锈钢进行制造，这些管路将各设备连接，开展各类运行或试验工作。为不影响正常运行，工质可以10％左右的流量旁通进入本发明的净化装置19，实现一边运行一边净化的目的。
38.该设备在与设备连接前，应进行单独的设备检漏工作，确认设备无漏点后方可与主回路16连接；与主回路16连接完毕后，还应当对连接点位置进行专门的检漏及探伤，避免碱金属泄漏事件发生。
39.灌注前，需对回路及本发明的装置一起抽真空然后充入氩气进行保护，随后可采用抽真空或氩气压差法将钠钾合金工质压入该设备中，保证设备内充满工质，无气泡残留。
40.本发明的净化装置运行较长时间后，内部杂质已充分沉淀和反应，达到饱和状态后的更换处理方法：将主回路16中的工质排空，此时设备内有残存的工质；随后使用液氮冷冻泄排管1，松开密封接头后，采用带相应尺寸接头的阀门与其连接，待泄排管1恢复至常温后，通过阀门控制，将设备内的剩余工质排空至废弃工质收集罐中，进行后续的进一步处理。该设备的进出口管即可通过切割方式与主回路16断开，完成设备的移除。新的设备可通过焊接方式重新与主回路16连接，完成一次完整的设备更换过程。
41.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。