[doc] 放射性物质运输容器热工设计研究

[doc] 放射性物质运输容器热工设计研究 放射性物质运输容器热工设计研究 放射性物质运输容器热工设计研究 一 室高垃工程师马志仪 随着我国原子能工业的发展,核燃料生产 和核能,核技术的开发利用,必然导出放射性 物质的运输问题,如核电站反应堆的乏燃料, 放射性同位素,辐照样品,放射性废物及新燃 料等.为了满足各种不同的要求,我们必须研 究开发一系列的运输容器,包括研究设计,制 造,试验及安垒分析. 为安垒运输,国际原子能机构(IAEA) 对放射性物质运输容器(以下简称运输容器) 的设计,制造.试验及安垒审批都作了严格的 ”放射性物质安垒运输规程》(简称 规定,即 《规程》).《规程》不仅对容器在正常运输条 件下的热工性能有严格的要求,而且还要求容 器能通过800.C的火灾考验.因此运输容器热 工研究设计是运输容器研究设计工作的重要组 成部分,其中包括热保护措施,计算程序等.早 在7O年代我院已开展了这方面的工作. 一 ,运输窖器热工设计要求 放射性物质运输容器,.特别是运输核电站 乏燃料的容器,具有较强的衰变热源.若容器 表面温度过高,会引起人员烫伤I内部温度过 高,会引起元件破坏.运输容器的火灾事故是 指在运输途中,因某种原因起火燃烧.即要求 在800.C以上的火焰温度一F,持续3omin,仍 能保持容器的放射性屏蔽,密封及各种材料的 功能,放射性橱质不致污染环境.《规程》对各 种运输容器都有具体要求,现以B型货包为 例,其主要的热工设计要求如下: (1)运输容器的设计必须适应环境温度范 围一4O,38.C. (2)在环境温度为38.C,不考虑曝晒的情 况下,对空运或非独家使用的运输情况,容器的 可接近表面的温度不得超过5O.C,对其它情 况,不得超过踮.C. ‘3)在正常运输条件下燃料元件包壳温度 不得超过它在堆内运行时所能达到的最高温 度. (4)货包的最大正常工作压力不得超过表 压7ookPa,装有液态放射性物质的空运费包应 能经受住不小于95kPa压力差的内压力而不发 生泄漏. (5)在火灾事故中铅屏蔽层最高温度一般 不得超过铅熔点327.3.C.密封部件温度不得 超过它的最高允许工作温度.元件包壳最高温 度不得超过它的破坏温度. 二,几种典型的技术措施 运输容器应该设计成在正常运输条件下, 容器内部热量很容易传出,而在火灾时,火焰 的热量尽可能少地传人.耍解决好这一对矛盾 需要采取特璩的技术措施. 1.铅熔化誊胀量容置(见图1) 日本和英国早期的运输容器曾采用这种类 型.为了保证在正常运输条件下,衰变热量能 很好地传出,要求铅和不锈钢筒有良好的贴紧 度.可采取的措施之一是搪铅,灌铅.当培铅层 具有一定厚度时,再灌铅,选样浇注的蝽融铅仅 使搪铅层表面的一部分铅熔化,而靠不锈钢筒 一 边的铅不熔.这样保证了铅耜不锈钢的良好 结台另外可在容器下部侧面设置铅膨胀小室, 当火灾发生时,铅熔化膨胀流入小室. 英国已在小的充铅钢亮容器上进行了一些 试验,并发现这种设计是不能完垒令人满意的. 铅并不总是在小室周围发生熔化,因而不能制 止在其它区域内的铅膨胀压力以及部分熔铅梳 人小室后,在铅屏层内形成孔洞,致使局部屏 蔽不能满足要求. 因此这种类的容器有其固有的缺点,近 年来设计,制造的运输容器均不允许铅熔化. 圈i铅熔化膨胀型容器 2.水套曩运输窑量 B本的EXL型容器是铅屏蔽容器.在锕 包铅的复合层内外均有水层.在火灾时,传人的 热量使水受热汽化形成空隙,产生较大的热阻, 使蚪部热量不易大量传人,使铅层在火灾事故 中不会熔化. 5.内部羲有冷却瞥的运输窑量(见图2) 日本国内运输乏燃料的主要运输容器HZ - 75T就是这种类型的容器.装运元件时充满 水,水作为乏燃料热导体,并能吸收中子.内 筒和中间圆筒之间是铅层,铅主要用来屏蔽丫 射线中间圆筒和外筒之间有水和乙二醇混台 体作为巾子屏蔽.外筒外表面焊有散热片,容器 内乏燃料产生自衰变热经筒体由散热片向外散 Hz—ttt转进謇?C?匿) 图2内部裟有抟却曾的运精容器 热.散热片是铜片外包不锈锕.在中蔺圆筒外 表面焊有冷却管,海上运输用海水循环冷却, 陆上运输用空气冷却. 在火灾时由于中间圆筒外有水和乙二醇混 合物作中子屏蔽,水受热汽化,增大热阻,减 少传人热量,保护了铅层. 4.衰面设置小水糟的运输窑矗(见图3) 法国的LK100型运输容器,它的外部设 置了一些独立的小水箱,该小水箱可拆卸,互 换,主要用于冷却,中子防护及防火.其优点 是受翻污染或发生事故时可及时更换某一部分 小水箱或垒部更换,灵活方便. 这种百吨级的运输容器,主要用于向阿格 后处理厂运送压水堆棱电站的乏燃料.每个容 器可装12个900MW压水堆燃料组件.容器 是通过空气的自然对流向外散热的. 21 凰3表面设置小水箱的运辅窖器 当发生火灾事故时,盛满水的小水箱温度 增高,随着温度的升高,压力也同时增加.这 时水箱里的中心管由于压力增加而发生断裂, 随之蒸汽和水被喷射到容器的钢筒捧上,水箱 的温度又重新降低,使铅层不致熔化. 5.具有”热控开关层的容器 欧洲的一些国家在容器外筒和铅层之间填 充一种特殊的导热材料,称为”热控开关层. 这种材料应具有相互矛盾的两个方面的性能, 才能满足要求.第一,在正常工作条件下,应 是良好的热导体,以导出容器内的放射性物质 产生的热量,避免对铅屏蔽产生任何过热现 象.第二,在容器遭受火灾的情况下,这种材 料的导热性能很差,以便对铅屏蔽起热屏障作 用.一旦火灾事故结束,这种材料仍应保持足 够的导热能力,以便能导出容器内放射性物质 放出的热量. 法国RoBATEL公司进行了30年的研 制工作.在正常运输条件下,热控开关层起着 铅和外壳之间的传热作用(导热系教为2.91 WfmK),它虽然是在干的状态,但是j匝包含 大量的结晶水.这种材料凝固时,在两层之间 保持了良好的接触.在火灾情况下,材料中包 含的水蒸发,通过安垒口逸出,使热阻增加, 形成热屏蔽,使铅层不致熔化.当火灾消除, 则导热系数能恢复到1.74W『_mK.这种热控 开关屠的材料在国外是专利. 我院和兄弟单位合作经过一年多的努力, 研制出了这种材料,在100.C以下时,导热系 22 教为2.33W/mK,在热面温度800.C时,导 热系教下降5倍以上,满足设计要求.但目前 我们的工作是在实验室小试样完成的,要用于 工程还需擞一些工作. 6.具有隔热材料的运窖貉 容器内部放置的放射性物质,当发热量低 或本身耐高温时,可考虑采用具有隔热材料的 容器.倒如我腕研制的一种乏燃料运输容器,因 乏燃料存放时间较长,衰变热比较小,正常传 热问题容易解决.因此热设计中主要解决的问 题是耐火问题,在火灾事故中采用隔热材料对 防止铅熔化有十分明显的作用.我们选用了一 种纤维型材料,具有良好的隔热性能,耐高温, 与不锈钢相容性好,和维护方便等特点.隔 热材料内外均有不镑钢筒保护.该材料的导热 系数为0.084,0.187W/mK,采取这一措施是 用来防止火灾时大量热量从容器表面传人,而 导致铅屏温度,燃料元件温度和内腔压力过高. 隔热层的厚度是由正常传热分析及火灾分析综 合权衡后来确定的. 另外也可以用选种隔热材料制成防火罩 型.即在容器的散热片外加一个防火罩,防火 罩中间用隔热材料,内外为钢材.在正常运输 条件下,在防火罩,容器壁及肋条组成的流道 中形成空气的自然循环.内部的衰变热量靠自 然循环带走.当火灾发生时,用一种膨胀材料 使通道堵塞,火焰不能直接进入穗道,而要通 过防火罩传人,这样可防止铅层及内部温度过 高.我院设计的Co运输容器就是采用这种 水力压裂法处置中放废液前景诱人 一 ,前言 六室高缒工程张陈瑞麟 水力压裂法处置中放废液成本低廉,速度 快,处置能力大,每8h可以处置中放废液 300—35om.,单口注射井的容量大,每口注 射井可处置IOooo一20ooom.. 水力压裂法处置中放废液的方法,是在美 国大陆石油公司的建议下,由美国ORNL试验 成功的.根据资料初步统计,从1965年至1984 年,美国ORNL已注射中放暖液42次,处置 了189oom.,总放射性约55.5PBq,I969年 至1971年还在西谷地区泥盆纪页岩中进行了5 次注水和1次灰浆注射.美国ORNr』采用水 力压裂法处置中放废液已有20多年的经验,取 得了很大成功. :我国的水力压裂法处置牛放废液的研究, 也有近10年的历史.由于西南核燃料厂地处长 江流域的上游,积存了一定数量的中放废液和 化学淤泥,贮存在靠阿边的碳钢犬罐组内,一 旦发生泄漏事故,盾果不堪设想,有可能污染 广大江河水系,因此,必须认真对待,及时进 行处理和处置.但币放废液的固化处理,固化 块运输,长期安垒贮存都存在相当大的困难.鉴 于西南核燃料厂与美国ORNL有非常相近的 地质构造,地处页岩层地带的良好地质条件, 经过论证,认为采用水力压裂法处置中放废渡 是较好的方法.这样,我院和西南核燃料厂从 1981年初开始了水力压裂法处置中放废液的可 型式(参见图4). 图4防火罩型适输窖器 三,运输容器热工计算程序 在运输客器热分析方面,国外一般使用的 程序有TRUMP,NOHEATHEATING ?,PV]083,PVlO85等. 我脘近年来为了运输容器热设计的需要, 编制及引进开发了如下计算机程序: ?RYTDOT—NJ ?RYTDOT~F- ◎INCOT-Nr ?FTRANC, ?FMAINp. @SCOI~E, ?8CALE—HEAT王Na. 上述程序基本配套,毙对容器的正常及火 灾懈况下的传热进行分析.可用于运输容器的 稳态和瞬态热分折及安垒评价.其中太部分是 用『FORTRAN一5语言编写,在CYBER- 180/830上执行.