乏燃料后处理厂有机相燃烧事故研究进展

2021-01-28连一仁孙洪超孟东原孙树堂王学新徐潇潇李国强张建岗

辐射防护 2020年6期

连一仁，孙洪超，张智，孟东原，孙树堂，陈磊，王学新，徐潇潇，李国强，张建岗

(中国辐射防护研究院，太原 030006)

乏燃料循环作为能源政策的一项基本内容，一直是核能长期开发利用的研究热点。针对乏燃料后处理工厂的辐射危害和化学毒性问题，分析乏燃料后处理工厂的安全性，对预防和处理可能发生的事故具有重要意义。在一个有机相着火事故中，可能导致乏燃料后处理工厂中放射性物质的释放、通风过滤器的堵塞、过热使得设备损坏和控制系统的失效等问题，因此它被认为是典型的核燃料后处理严重事故。其中有机相着火的安全评价和灭火措施及灭火系统的安装已被英国[1]、法国[2]、日本[3]等国家视为重要内容。

在有机相着火事故中，泄漏的有机溶液静置后将被分层为有机溶剂和硝酸体系溶液两层，其中有机溶剂为30 vol%萃取剂(磷酸三丁酯TBP)和稀释剂(煤油OK)，而有机溶液中包含放射性核素U、Sr、Cs、I、Ru等。根据美国核管会NRC[4]，有机相着火可能发生在以下事件：有机相流体在高温条件下(有机相正常操作温度变化在40～60 ℃之间)；煤油溶剂泄漏或挥发；有机相喷洒到蒸汽管道、蒸发器等热力设备上；溶剂冷却器的故障等。

在有机相火灾事故后果评价的方法与对策中，评价放射性物质在有机相火灾中的释放和扩散行为至关重要，而通风系统是连接厂内和厂外的关键部位，通风系统中的高效过滤器起着预防放射性气溶胶释放到厂外的重要作用。在有机相火灾中较高的颗粒物浓度、气体湿度、烟气温度等恶劣环境下，高效过滤器能否有效地去除含有放射性物质的气溶胶有待研究。本文综述了国内外有关乏燃料后处理设施有机相着火的研究报道，并介绍了近年来国内外在有机相着火方面的研究进展。

1 国外有机相着火的研究与进展

1.1 日本原子力研究所

在过去几十年里，日本原子能研究所(JAERI)对假想的有机相火灾进行了大量的测试，从而评估乏燃料后处理工厂的安全性。自1983年到1984年，日本原子能研究所采用了已搭建的有机相着火实验台架进行了一系列有机相着火模拟试验[5-6]。该有机相着火研究实验台架配备了温度、压力、流量、压力、燃烧气体摩尔分数等测量分析仪器，通过不同空气流量和不同燃烧面积条件下的有机相着火试验，研究了有机相着火燃烧特性。同时，也研究了裂变核素(Ru、Cs、Sr、Ce等模拟核素)在火灾中的释放行为，以及在通风系统中这些核素的输运和沉积过程[7]。通过利用这种模拟试验，获得基础实验数据，从而分析评价有机相着火的安全性。福岛第一核电站发生核事故后，日本针对有机相火灾事故进行了更深入的研究，Yuki Amano等[8-9]报道了有机相火灾事故条件下钌(Ru)和铕(Eu)的释放行为。此外，日本东京大学核科学与技术研究中心以TBP/正十二烷模拟有机相，测量了不同浓度比例的TBP/正十二烷的燃点和闪点，其中30vol%TBP/正十二烷的闪点和燃点分别约为89 ℃和93 ℃[10]。

1.2 西北太平洋实验室

为分析有机相火灾的事故后果，西北太平洋实验室同样进行了一系列有机相着火的试验研究。1987年，Halverson等进行了有机相燃烧实验，结果表明有机相燃烧过程会释放出放射性气溶胶[11]，铀作为乏燃料后处理最主要的放射性元素之一，被选择为实验对象，采用30 vol%TBP和70 vol%OK混合物作为实验燃料，将燃料与含铀元素的硝酸体系溶液混合。详细的实验条件和结果如表1所示。

表1 燃烧实验条件和结果Tab.1 Experimental conditions and results of combustion

实验序列2至3中燃料样品为硝酸溶液和萃取了铀酰的30% TBP/OK有机溶剂，实验结果表明铀元素的释放率在0.4%～0.6%之间。实验序列5和6中，硝酸体系中加入了裂变产物和萃取了铀酰的30%TBP/OK有机溶剂，实验结果发现铀的释放量分别为0.025和0.027(2.5%～2.7%)，而硝酸体系中裂变产物的存在促进了有机相中铀的释放。实验序列中9、10和13为含裂变产物的硝酸体系溶液和含铀的TBP/OK有机溶剂，其中序列13中，铀的释放量(0.2%)远低于序列9和10(分别为6.0%和7.1%)，此外实验序列9和10燃烧至无剩余，而序列 13未全部燃烧完，在火焰熄灭后还有部分残留溶液。实验序列11和12中有机相溶解了铀元素，而硝酸体系中均溶解了裂变核素钌、锶、铯和铀元素，实验结果表明实验序列13铀的释放量(0.2%)低于实验序列11和12的释放量(1.6%和0.8%)。同时，三者的实验结果均未产生固体残渣。而与纯有机相相比，有机相掺入铀后可促进铀的释放。

FIRIN是一个用于乏燃料后处理火灾研究的计算机代码，其可运用于预测乏燃料循环设施火灾事故的释放源项及其它后果，该计算代码表征了火灾中燃料的质量损失率，热释放率，燃烧产物生成率等。同时，FIRIN计算代码可得出含铀有机相溶液燃烧产生颗粒物的空气动力学直径为0.6 μm。

1.3 卡拉奇核研究中心

为获得乏燃料后处理厂使用的溶剂混合物的安全相关数据，法国卡拉奇核研究中心设计了两套不同尺度的燃烧实验装置，其一是小型燃烧实验装置，直径为70 cm的316 L圆柱形金属容器，进行封闭空间的有机相燃烧模拟实验，燃料溶剂放置于78.5 cm2的燃烧面积内燃烧，研究放射性核素在空气和过滤器上的迁移和沉积。而另一套实验装置则为一个400 m3的混凝土(高7.6 m，长9 m，宽6 m)设施，进行了一系列模拟试验。Malet等[12]以非放元素Ce和Th模拟了有机相池火燃烧中放射性核素Ce和Th的释放行为，表2中序列S(1-7)为小尺度的燃烧试验，序列L(1-5)为大尺度的燃烧试验，结果表明小尺度火灾试验和大尺度火灾试验中，模拟核素Ce和Th的释放均达10%以上，而在小尺度火灾试验中，仅有不到1%的Th达到了过滤器的要求，而在小尺度火灾和大尺度模试验中，只有不到0.1%的Ce达到了过滤器的要求。

表2 有机相着火测试Ce和Th的释放Tab.2 Release of Ce and Th in solvent fire test

1.4 卡尔斯鲁厄

德国卡尔斯鲁厄(KfK)对后处理厂可燃的有机相进行了深入研究，分析了后处理厂火灾事故的热力学和辐射后果，并设计了一种专用的实验装置，用于放射性气溶胶释放的研究。实验选择了不同浓度的硝酸铀(1.0、10.5、50.2、69.5和84.4 g U/L)作为释放核素，采用激光荧光法测定样品中的铀含量。如图1所示，有机相溶液燃烧过程中铀的释放速率与溶剂中的铀浓度成正比，当浓度为1 g U/L时，释放率为0.7%，而当浓度为84 g U/L时，铀的释放率上升至1.4%[13]。

图1 铀释放率与铀初始浓度的关系Fig.1 The relation of uranium release rate and initial uranium concentration

实验测试结果发现溶液燃烧过程中的煤油浓度降低，TBP浓度逐渐升高，这表明有机相起初燃烧的是煤油。此外，TBP/HNO3复合物在130 ℃左右分解，使得燃烧速率增加，可能导致气溶胶释放的增加。

2 国内有机相着火的研究与进展

2.1 有机相着火实验方法

近年来，为研究后处理设计基准事故有机相着火的事故后果，中国辐射防护研究院搭建了有机相燃烧的实验研究设施。图2为小尺度的实验设施，有机相溶液放置于金属容器中燃烧。在试验中，可以测量出燃烧池中溶液的质量损失、烟气、颗粒和温度等关键参数。而为进一步研究，搭建了一套尺度较大的燃烧舱室。

1—恒流泵；2—尾气处理器；3—烟管；4—热电偶；5—温度采集器；6—阀门；7—探针；8—燃烧炉；9—压力采集；10—烟气分析仪；11—点火器；12—燃烧池；13—有机溶剂层；14—无机液相层；15—隔热层；16—压力传感器。图2 小尺度基础实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of small-scale basic experimental apparatus

将50 mL 30%TBP/OK的有机溶剂加入直径50 cm，高度2 cm的燃烧池中，在过量通风的实验工况进行实验。图3a为溶液的质量损失曲线；图3b为不同高度的温度变化曲线；图3c为CO、NO、NO2、NOx及C3H8的释放曲线；图3d为O2、CO2、CH4的释放曲线。根据实验结果图3a可知，质量损失曲线是线性的，质量损失率可以计算为17.42 mg/s。实验结果图3b表明池表面温度约450 ℃，实验中壁面温度约50° C。而由图3c和d可知，试验产生的气体主要为CO和CO2。