化学工程安全新闻

FAI气溶胶方法引入SELLAFIELD

写道 Fauske团队 | 04.18.16

通过:Martin G. Plys,DSC。,副总裁,废物技术和福岛服务副总裁

介绍和目的

英国坎布里亚郡的SellaField网站包含了一些在相对较小的占地面积内的传统核燃料循环运营设施,包括具有相当大的核废料库存的老化设施。在这些中突出的是麦克风锻虫储存筒仓(MSS)和第一代Magnox储存池(FGMSP)。 FOUSKE.&Associates LLC(FAI)协助SellaField Ltd在工程评估中,从这些地点加速除去材料,包括评估反应材料的影响,易燃气体危害和污染释放。

本技术公告的主题是最初为轻型水反应器(LWR)安全评估最初开发的FIA气溶胶方法的SELADAFIELD应用。这种FAI方法向SellaField Ltd的引入代表了通过转移众所周知的和尖锐的方法在核废物修复领域而添加到客户的重大价值。 FAI最近将该技术转移到MSS和FGMSP人员,在那里它被用来在正常过程操作期间量化污染释放。

这里描述的方法广泛适用于量化涉及含湿污泥和其他湿废物形式的核废料的操作期间的污染释放。当然,该方法也可以应用于风险的风险。

Sellafield MSS和FGMSP的背景

MSSS设施包括许多垂直筒仓,其中腐蚀的各个阶段中的磁铁包层的混合物,其原理产品是氢氧化镁,铀的部分损坏,用铀腐蚀产品携带覆膜覆盖,和金属碎片,石墨和罐含有杂种垃圾形式。大多数废物体积是由麦豆和铀的腐蚀产物形成的高屈服强度污泥。一个新的MSS子程序,称为替代的中间级别废物方法(AILWA)目前正在发展工程设计,以便将废物从筒仓加速到SellAfield现场上的临时存储设施中的方法。这种方法涉及将废物检索到包含大约1000升废物的跳线中 加上覆盖水,并将跳过作为“3M3箱子”(客户速记为3M的​​容器)3) 在临时存储保险库中排列在堆栈数组中。

FGMSP是一个户外燃料储存池(英国池塘),含有相当大的废磁燃料和腐蚀产品污泥。绝大多数燃料由于腐蚀而失去了包层,金属铀燃料本身也在各个腐蚀中。一些燃料包含在自排水的跳过中,即将在从池塘中取出时漏油的跳过,并且较小的高度损坏的燃料件包含在非排水的“位箱”跳线中,这将在从池塘中移除后保留水。 FGMSP还拥有大量的非排水沸石铅,用于去除池塘污染,主要是燃料降解期间浸出的铯和锶。加速的拆卸选项涉及从池塘中删除这些类型的跳过,将它们放入自屏蔽盒(SSB)上的大小与MSSS 3M3盒中相似,但随着名称暗示,并在A中排列SSB的屏蔽基本较厚的边界堆栈数组在临时存储保险库中。

MSSS和非排出的FGMSP跳过共享释放污染的共同机制,通过在盖水表面突破氢气泡沫的气泡形成。这是一种常见的核浪费情况,其中氢气可以通过辐射溶解或两种机构来生产化学反应。 MSSS 3M3盒子和保持废物跳过的FGMSP SSBS将有过滤器,以允许释放氢气,压力平衡在临时储存期间,以及污染释放的高效颗粒(HEPA)衰减。

FAI气溶胶方法将首先解释,然后是通用的描述 示例应用于MSS和FGMSP污染释放和运输行为 临时存储。

FIA气溶胶方法

Fai气溶胶方法 是为行业发展劣化的核心规则制作论坛而开发的 (Idcor)计划在20世纪80年代后期,以预测裂变产品气溶胶的行为 LWR严重事故。该方法基于积分差分的精确解决方案 气溶胶粒度分布(PSD)演变的方程。详细信息已找到 (Epstein,Ellison和Henry,1986)和(Epstein和Ellison,1988年)。还描述了方法 在美国核协会出版物,(Sher和Hobbins,2011)。

方法的基础是在气溶胶总质量m上的施用 悬浮在混合良好的体积中,

在质量平衡中,S是气溶胶源(kg / s), λS 是气溶胶沉降的衰减常数(也是 叫做沉降),和 λL 是气溶胶去除(泄漏)的衰减常数来自流出 体积。通过水蒸气凝结和惯性等方法去除气溶胶的其他条件 IMPACTION也可以添加到质量平衡中。用于多分散气溶胶(带有a的气溶胶 PSD),沉降衰减常数由曲线适合于悬浮质量给出。悬浮质量 由如上所述的PSD的精确解决方案给出。另外,鉴于悬浮质量, 也可以找到气溶胶PSD。相关性是普遍的,因为它们基于缩放 这考虑了粒子密度,气体的粘度和温度等因素 气溶胶悬挂,气溶胶沉降的高度,凝固效率因素和形状 考虑粒子非球面的因素。

因此,FAI气溶胶方法大大简化了源术语和泄漏路径的评估 实际应用的因素在净化和退役期间的安全性,安全性 (D&d),核废料加工和临时储存核废料。方法论也是如此 通常适用于商业化学工艺和装置。

该方法的验证示例如图1所示。该图显示了实验 由(Hilliard,McCormack和Postma,1983)获得的数据用于大垂直的钠火气溶胶 坦克的体积约为850米3。还指出了使用FAI分段的精确解决方案 气溶胶模型与FIA气溶胶相关性。

单分散和瘦气溶胶的简化

对于单分散气溶胶(单个平均粒径)或瘦多分散气溶胶 可以忽略颗粒凝结,引力沉降常数 λS 是沉积 速度U.s 除以平均沉降高度 hu

沉积速度由Stokes Lave提供

其中g = 9.81 m / s2 ,ρ. p 是颗粒密度(kg / m3),d是粒度(m),和 μ空气 是粘度 空气,关于 1.85x10-5 尽管少量的少量,但PA-S(气体粘度将基本上是空气的 氢气和水蒸气)。

泄漏去除速率常数 λL 是每单位时间去除的气体分数

哪里Q.L 是气体流量的体积速率(m3/ s)离开体积V(m3)在哪种气溶胶中 居住。

尤其有趣的是,在稳定状态下,这对运输或运输的共同兴趣 临时储存核废料,悬浮质量给出

这样泄漏率WL (kg / s)由

假设泄漏发生通过滤波器被清除因子Df是已知的。 DF是 过滤器发出的气溶胶的比例除以进入过滤器的气溶胶。然后是来源 气溶胶的术语rel. (kg / s)从过滤量释放的是

在体积内引起的沉积因子的净化因子

关键点是贷记气溶胶沉降可以大大减少预测的来源 术语,因为沉降的DF可以与过滤器的DF相当。

 

Fai Hygroscopic气溶胶方法

当相对湿度超过100%时,纯液体水的液滴只能在空气中生长, 随着相对湿度降低,存在现有的纯液体水滴将迅速蒸发 以上100%。然而,当在某种程度上产生气溶胶液滴中存在吸湿杂质时 从水性废物中,或者当悬浮的吸湿颗粒时,气溶胶液滴可以 当相对湿度小于100%时,这是废物的常见应用 容器,内部和外部。液滴将缩小或增长到平衡尺寸  取决于吸湿溶质和环境相对湿度的浓度。

吸湿粒子的平衡粒度在许多教科书引用中注意到, 其中(Mason,1971)被(Sher和Hobbins,2011)所引用的,也是从根本上得出的 (Jokiniemi,1983)和(Fauske&Associates,1985)。引用的参考文献提供了动态方程 对于粒子生长,可以看出,实现均衡的时间尺度是十个 取决于条件,达到数百秒。与此相比,这次尺度如此小 用于沉积和呼吸的时间尺度,即所有实用目的的平衡粒度 已验证。通过达平衡粒径由

其中φ=相对湿度,q =因子考虑离子电荷= 2对于NaOH,KOH,CSOH, ω=分子量(kg / mol),ρ=密度(kg / m3),d =直径(m),σ=表面张力(n / m),r =理想 gas constant (Pa- m3/ mole-k),t =温度(k),下标是“a”=气溶胶意味着 原始吸湿材料,“W”=水,“0”=基于纯吸湿性固体材料的种子。这 颗粒种子直径d0 由ppm杂质和液滴的出生尺寸给出,哪个 确定质量,因此液滴中的杂质的体积。

瘦气溶胶的Fai Hygroscopic气溶胶方法使用上面的等式来确定 平衡粒度,然后在斯托克斯定律中使用,以产生沉降速度,最终 定居衰减常数。用于各种量的粒度的一个例子 溶解NaOH在悬浮的水液滴中,其初始直径为3.2微米显示 在图2中,对于非常低的相对湿度,低于10%,颗粒接近其“种子直径”和 有很少的水。对于接近100%的相对湿度,粒度可以接近“出生” 直径“在此假设,用于NaOH初始质量浓度的探索范围。

对于水性核废料应用,溶解量的放射性物质如137℃ and 90SR可能很低,因此需要考虑所有其他溶解的杂质的存在是重要的 如图所示。

应用于浪费跳过源期限量化

应用FIA气溶胶方法的示例几何形状,以临时储存核 废物如图3所示。在该示例中,跳过具有盖子和滤波器。跳过的其他安排 他们的集装箱盒在图4中示出。

在废物中产生氢气并连续释放,产生气溶胶 通过在覆盖水表面突破气泡。气溶胶的质量(或体积)率 生成与气泡流动时的气体释放速率直接成比例 政权得到了,参见(Ginsberg,1985)和(Garner等,1954)。此外,滴尺寸谱非常 少于1微米的可测量颗粒很少,直径大于10微米。这 几何平均值,约3.2微米,是用于源液滴的保守直径 因为它小于通过假设均匀液滴获得的体积平均值 PSD over the range.

对于MSS和FGMSP,FAI为废物创建了详细的热和化学反应模型 在临时存储期间,此造型提供了废物和顶空的技术基础 温度,气体产生速率,呼吸率和需要施加的相对湿度 FIA气溶胶方法论。

使用来自的夹带系数来自泡沫突发的气溶胶源速率 上面引用的参考文献。考虑到氢源率和气压呼吸 可以在临时存储期间发生,可以使用方程获得泄漏衰减常数 这里描述。通过湿镜的方法发现平衡悬浮粒度 粒径上方,给定跳过顶部空间的相对湿度,所以沉降衰减常数 可以使用这里描述的等式获得。这允许去污因子 通过解决DFS来量化和源术语Wrel..

对于图4所示的其他几何类型,外部的盒子中也可能发生气溶胶沉降 跳过时,有一系列卷的排列。在这种情况下,从跳过到的源术语  盒子是盒子里的气溶胶源,相对湿度,粒度,呼吸率和 泄漏常量泄漏和沉降将与盒子不同,而不是跳过。

应用于临时存储拱顶污染和释放到环境

在临时存储库中的框外,可以应用上述相同的原理, 见图5.从废物箱中释放的气溶胶可以在箱顶上沉淀或泄漏到混合良好的混合中 框堆栈之间的空间。可以通过考虑体积来量化盒顶盒顶部 在两个垂直堆叠的盒子之间是一个良好混合的控制量。体积和空气流量 该水平间隙内的速率限定泄漏衰减常数。使用适当的粒度 确定稳定速度,间隙厚度是沉降高度,允许沉降 衰减常数要确定。

在废物盒上方的拱顶中,箱堆内释放的气溶胶可能是 被认为是良好的混合,使得气溶胶平衡方法可以作为整体应用于拱顶。这 拱顶音量和通风速率决定了泄漏衰减常数和适当的粒子 尺寸和沉降高度确定沉降衰减常数。

概括
这里描述的FIA气溶胶方法已被用于SellaField Ltd以量化污染 在正常临时存储操作期间发布,用于源自MSS和FGMSP的废物, 包括定量沉积的局部沉积和空气污染的量化,用于确定 设施的污染分类水平,以及量化对环境的排放。

相同的方法通常可以用于水性和湿污泥/盐饼类型 正常和事故情景的核废料过程运营和临时存储。

Sellafield Ltd客户已受益于最初开发的这项技术的转移 适用于LWR安全应用,现在用于核废料修复。

参考
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爱泼斯坦,M.和P.G.埃里森,凝结和沉积气溶胶的去除率的相关性
     应用于核反应堆安全问题,核工程和设计,卷。 107,pp。327-
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FOUSKE.&Associates,Inc。,发行问题的技术支持,FAI / 85-27,提交给行业
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Garner,F.H.,S. R. M. Ellis和J.A. Lacey,“液滴的大小分布和夹带”,Trans。居所。
     化学。 Engrs。 32,pp。222-229(1954)。
Ginsberg,T.,液体破碎产生气溶胶产生,从而培养了核心的熔池
     核心/混凝土互动,核科学和工程卷中释放的气体。 89,pp。36-
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     1983.
Jokiniemi,J。,严重核心熔体事故中的吸湿粉碎布红粉粉,核技术Vol。
     1988年10月83日,第16-23页。
Mason,B.J.,云层的物理学,Clarendon Press,1971年。
在严重的严重之后,Sher,R.和Hobbins,R.,运输和核发生厂的气溶胶清除
     意外,美国核协会,La Grange Park,IL,美国,2011年。

 

图1:FIA气溶胶与AB-5实验数据的相关性比较

图2:吸湿气溶胶粒度作为各种相对湿度的功能
NaOH质量浓度在颗粒中,初始直径为3.2微米。

图3:废物跳过顶部空气的气溶胶行为

         

图4:各种跳过和箱体配置的气溶胶行为  图5:临时储存库中的气溶胶行为


了解更多信息 或者讨论,请联系Dr. Martin G. Plys, (630) 887-5207, [email protected].  www.yqlife.cn.

 

 

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