CN108176342A - 一种核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置及方法 - Google Patents

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李剑波
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    • C01F7/02—Aluminium oxide; Aluminium hydroxide; Aluminates

Abstract

本发明提供一种核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置，包括一用以装载化学产物的容器以及一搅拌器；搅拌器包括电机、搅拌棒以及由至少两组搅拌叶片形成的搅拌叶片组合；其中，搅拌棒的一端安装有电机，另一端容纳于容器中并安装有搅拌叶片组合；搅拌器的电机通电时，驱动搅拌叶片组合转动，用以搅拌化学产物并提高化学产物悬浮时间。实施本发明，具有结构简单、控制难度较低等优点，并能有效降低化学产物的沉降速率。

Description

一种核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置及方法
技术领域
本发明涉及核安全技术领域，尤其涉及一种核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置及方法。
背景技术
压水堆核电厂发生大破口失水事故(即主冷却回路直径超过34.5cm的管道突然断裂)后，高温高压的反应堆冷却剂将释放到安全壳(反应堆核岛最外层圆筒形屏障)内，同时安全壳喷淋系统在用固定在安全壳顶部的喷淋管对现场进行降温降压时也释放含有PH缓冲液的水，PH缓冲液可对释放出的反应堆冷却剂进行酸碱中和，避免释放出的反应堆冷却剂对现场发生更多的腐蚀。因此大破口失水事故后安全壳内的化学环境将变得十分复杂、恶劣。在该环境下某些安全壳内材料将腐蚀、分解，使得这些材料继续与冷却剂及PH缓冲液等溶液中的某些化学元素相互反应形成新的化学沉淀物。这些化学沉淀物在水流夹带下将进入地坑(位于安全壳底部收集泄漏水和喷淋水以便再循环使用的坑)，并且摆脱地坑过滤器拦截而到达下游管线。这些化学沉淀物，将对安全注入系统和安全壳喷淋系统的再循环功能的可靠性形成挑战。
为评估化学产物对地坑过滤器性能以及安全注入系统和安全壳喷淋系统再循环功能可靠性影响，必须制备化学产物，国内没有制备该产物的先例。同时，化学产物的沉降速率决定化学产物在水池中的悬浮时间，沉降速率越缓慢，化学产物越有机会在水流的夹带下进入过滤器下游，试验结果也越保守。国外虽然已有相关的制备工艺，但该制备工艺需要4个18.9L的容器，其中两个用来溶解原料，一个用来混合原料，一个用来接收化学产物；用3台泵进行容器间物质的运输，并有3台混合器进行物质的溶解和反应，使得装置不仅繁杂、成本高，还容易导致制备过程复杂，造成故障和人因失误。
因此，亟需一种核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置，简单便捷、操作简单，并能有效降低化学产物的沉降速率。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置及方法，具有结构简单、控制难度较低等优点，并能有效降低化学产物的沉降速率。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置，包括一用以装载化学产物的容器以及一搅拌器；其中，
所述搅拌器包括电机、搅拌棒以及由至少两组搅拌叶片形成的搅拌叶片组合；其中，所述搅拌棒的一端安装有所述电机，另一端容纳于所述容器中并安装有所述搅拌叶片组合；
其中，所述搅拌器的电机通电时，驱动所述搅拌叶片组合转动，用以搅拌所述化学产物并提高所述化学产物悬浮时间。
其中，所述搅拌叶片组合有两组搅拌叶片，包括第一搅拌叶片和第二搅拌叶片；其中，
所述第一搅拌叶片位于所述电机和所述第二搅拌叶片之间，且所述第一搅拌叶片的叶片面积大于所述第二搅拌叶片的叶片面积。
其中，所述搅拌棒位于所述电机和所述第一搅拌叶片之间的径向直径大于其位于所述第一搅拌叶片和所述第二搅拌叶片之间的径向直径。
其中，所述电机外部包裹有用于防水、防尘的外壳。
其中，所述搅拌棒、第一搅拌叶片和第二搅拌叶片均采用不锈钢制作而成。
本发明实施例还提供了一种核电站事故下化学沉淀替代物制备的方法，其在前述的核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置中实现，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、确定化学产物及其预估产量，并根据所述化学产物及其预估产量，计算出制备所述化学产物所需的化学添加物及其产量；
步骤S2、将所述计算出的化学添加物及其产量投入所述装置中进行充分搅拌一定时间后，制备出所述化学产物并称重。
其中，所述步骤S1具体包括：
确定化学产物为AlOOH，并从历史数据中提取分配到单燃料组件的Al元素质量，且进一步根据所述提取的Al元素质量，计算出所述化学产物为AlOOH的预估产量；
确定制备出化学产物为AlOOH的化学添加物为Al(NO3)3·9H2O和NaOH，并确定化学添加物为Al(NO3)3·9H2O和NaOH分别与化学产物为AlOOH的配比关系，且进一步根据所述化学产物为AlOOH的预估产量，分别计算出Al(NO3)3·9H2O和NaOH的产量。
其中，通过公式“MAlOOH＝M/Al元素单位粒子原子×AlOOH单位粒子原子数”，计算出AlOOH的质量MAlOOH；其中，M为所述Al元素质量；所述Al元素单位粒子原子数为固定值27；所述AlOOH单位粒子原子数为固定值60。
其中，所述确定化学添加物为Al(NO3)3·9H2O和NaOH分别与化学产物为AlOOH的配比关系，且进一步根据所述化学产物为AlOOH的预估产量，分别计算出Al(NO3)3·9H2O和NaOH的产量的具体步骤包括：
确定Al(NO3)3·9H2O与AlOOH的配比关系为1：1；
确定NaOH与AlOOH的配比关系为3：1；
通过公式“MAl(NO3)3·9H2O＝MAlOOH/AlOOH单位粒子原子数×Al(NO3)3·9H2O单位粒子原子数”，计算出Al(NO3)3·9H2O的质量MAl(NO3)3·9H2O；其中，所述Al(NO3)3·9H2O单位粒子原子数为固定值375；
通过公式“MNaOH＝3*mNaOH＝3*(MAlOOH/AlOOH单位粒子原子数×NaOH单位粒子原子数)”，计算出NaOH的质量MNaOH；其中，所述NaOH单位粒子原子数为固定值40。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明实施例中，由于只需采用一容器及一搅拌器即可实现核电站事故下化学沉淀替代物的制备，不仅结构简单，操作方便，而且成本低廉，同时搅拌器上采用搅拌叶片组合(包括第一搅拌叶片和第二搅拌叶片)，用以搅拌化学产物并提高化学产物悬浮时间，能有效降低化学产物的沉降速率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置的平面结构示意图；
图2为图1中搅拌器的平面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置与美国西屋公司的制备装置所得固体悬浮物的悬浮体积与悬浮时间的对比图；
图4为本发明实施例提供的核电站事故下化学沉淀替代物制备的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1和图2所示，为本发明实施例中，提供的一种核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置，包括一用以装载化学产物的容器1以及一搅拌器2；其中，
搅拌器2包括电机21、搅拌棒22以及由至少两组搅拌叶片形成的搅拌叶片组合23；其中，搅拌棒22的一端安装有电机21，另一端容纳于容器1中并安装有搅拌叶片组合23；
其中，搅拌器2的电机21通电时，驱动搅拌叶片组合23转动，用以搅拌化学产物并提高化学产物悬浮时间。
在本发明实施例中，搅拌叶片组合23有两组搅拌叶片，包括第一搅拌叶片231和第二搅拌叶片232；其中，第一搅拌叶片231位于电机21和第二搅拌叶片232之间，且第一搅拌叶片231的叶片面积大于第二搅拌叶片232的叶片面积，这样就可以使得化学产物搅拌时间更长，在容器中悬浮的时间更长。
在本发明实施例中，搅拌棒22位于电机21和第一搅拌叶片231之间的径向直径大于其位于第一搅拌叶片231和第二搅拌叶片232之间的径向直径，这样就可以降低第二搅拌叶片232运动的阻力，加快搅拌速度，增加化学产物的悬浮时间。
在本发明实施例中，电机21外部包裹有用于防水、防尘的外壳，这样有利于延长电机21使用寿命。
在本发明实施例中，搅拌棒22、第一搅拌叶片231和第二搅拌叶片232均采用不锈钢制作而成，这样可以增强搅拌器2的抗腐蚀性，延长使用寿命。
在本发明实施例中，对本发明实施例中的核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置的应用场景做进一步说明：
第一步、对核电站事故下化学沉淀替代物做制备前的研究：
1、根据化学产物形成报告，各电厂事故后30天内安全壳各材料Al元素的释放结果，如见下表1所示：
表1
大亚湾 岭澳一期 岭澳二期
Al元素释放量kg 5.14 5.47 5.42
表1显示：岭澳一期核电厂在事故后30天内，安全壳内各材料释放Al元素数量最多，因此，采用岭澳一期的数据Al元素释放量5.47kg开展试验。
首先，由于事故后沉淀产物分布均匀，所以可以通过分析局部来反映总体，Al元素主要由燃料组件(反应堆内一种组件)产生，该组件共有157组，因此分配到单燃料组件的Al元素质量M：M＝5.47/157＝0.035kg。
接下来，要通过已知Al元素质量M来计算出需要制备的AlOOH质量，由于每种元素单位粒子所含的原子数不同，但每个原子(质子或中子)的质量近乎相等，因此可以通过计算Al元素单位粒子中单位原子含有的总质量再乘AlOOH含有的原子数而得出结果。每种元素单位粒子含有的原子数见下表2所示：
表2
元素 原子数(个)
Al 27
O 16
H 1
N 14
Na 23
即AlOOH单位粒子含有27+16+16+1＝60个原子，所需AlOOH质量MAlOOH为：MAlOOH＝M/Al元素单位粒子原子数×AlOOH单位粒子原子数＝M/27×60＝0.078kg。因此，试验过程中需要的AlOOH的质量为0.078kg。
2、确定化学添加物的添加量
可通过Al(NO3)3·9H2O与NaOH反应制备AlOOH，化学添加物Al(NO3)3·9H2O与产物AlOOH的配比关系为1:1，化学添加物NaOH与产物AlOOH的配比关系为3:1，反应过程：
该式表明一个单位的Al(NO3)3·9H2O可以通过与三个单位的NaOH反应制备出一个单位的AlOOH。
由于所需AlOOH的质量已知，则计算出所需Al(NO3)3·9H2O与NaOH的质量。即：
MAl(NO3)3·9H2O＝MAlOOH/AlOOH单位粒子原子数×Al(NO3)3·9H2O单位粒子原子数＝M/60×(27+(14+16×3)×3+9×(1×2+16))＝0.4875kg＝487.5g；
mNaOH＝MAlOOH/AlOOH单位粒子原子数×NaOH单位粒子原子数＝M/60×(23+16+1)＝0.052kg＝52g；
由于一个单位的AlOOH需要三个单位的NaOH制备所以实际需要的NaOH质量为：MNaOH＝3×mNaOH＝156g。
第二步、对核电站事故下化学沉淀替代物进行制备
为模拟化学沉淀物原始的沉降行为，AlOOH原则上不应超过11g/L，最终制定了如下化学产物的添加程序：
(1)选取本发明实施例中的核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置中的容量为10L的容器1和搅拌器2，清洁备用；
(2)称取487.5g的Al(NO3)3·9H2O和156g的NaOH，备用；
(3)将Al(NO3)3·9H2O和NaOH全部倒入10L的容器1中，加入纯水，稀释溶液至AlOOH浓度达到11g/L(溶液总容积约7.1L)；
只需在溶液容积达到7.1L时即可达到所需浓度，在容器上游刻度，无需配比关系，通过已知的11g/L可计算得知所需溶液容积为7.1L。
(4)通过搅拌器2搅拌稀释溶液，使其均匀，观察得到的样品AlOOH的沉降行为，此时得到反应后所得AlOOH沉降物，沉降物AlOOH为白色固体悬浮物，至其完全沉淀后过滤，得到沉降物AlOOH，称其重量应为78g，则结果合理。
该工艺只需要一个容器1和一个搅拌器2，相比国外的工艺做了简化，并且该工艺没有复杂的操作方法，只需称量出反应物的质量将其倒入容器1内再开启搅拌器2即可，操作简便。
如图3所示，与美国西屋公司的制备装置所得结果进行对比，横坐标为时间，纵坐标为溶液中固体悬浮物的体积，a1为本发明实施例中的核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置所得结果，a2为西屋公司所得结果。从图3中可见，在反应10分钟后，a1要明显高于a2，即本发明实施例中的核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置所得悬浮物的体积要多于美国西屋公司，悬浮时间提高。达到了更高的技术指标。
如图4所示，为本发明实施例中，提供的一种核电站事故下化学沉淀替代物制备的方法，其在前述的核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置中实现，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、确定化学产物及其预估产量，并根据所述化学产物及其预估产量，计算出制备所述化学产物所需的化学添加物及其产量；
具体过程为，确定化学产物为AlOOH，并从历史数据中提取分配到单燃料组件的Al元素质量，且进一步根据提取的Al元素质量，计算出化学产物为AlOOH的预估产量；
确定制备出化学产物为AlOOH的化学添加物为Al(NO3)3·9H2O和NaOH，并确定化学添加物为Al(NO3)3·9H2O和NaOH分别与化学产物为AlOOH的配比关系，且进一步根据化学产物为AlOOH的预估产量，分别计算出Al(NO3)3·9H2O和NaOH的产量。
在本发明实施例中，通过公式“MAlOOH＝M/Al元素单位粒子原子×AlOOH单位粒子原子数”，计算出AlOOH的质量MAlOOH；其中，M为Al元素质量；Al元素单位粒子原子数为固定值27；AlOOH单位粒子原子数为固定值60。
在本发明实施例中，确定Al(NO3)3·9H2O与AlOOH的配比关系为1：1及确定NaOH与AlOOH的配比关系为3：1；
通过公式“MAl(NO3)3·9H2O＝MAlOOH/AlOOH单位粒子原子数×Al(NO3)3·9H2O单位粒子原子数”，计算出Al(NO3)3·9H2O的质量MAl(NO3)3·9H2O；其中，Al(NO3)3·9H2O单位粒子原子数为固定值375；
通过公式“MNaOH＝3*mNaOH＝3*(MAlOOH/AlOOH单位粒子原子数×NaOH单位粒子原子数)”，计算出NaOH的质量MNaOH；其中，NaOH单位粒子原子数为固定值40。
步骤S2、将所述计算出的化学添加物及其产量投入所述装置中进行充分搅拌一定时间后，制备出所述化学产物并称重。
具体过程为，将Al(NO3)3·9H2O和NaOH全部倒入前述装置10L的容器中，并加入纯水稀释溶液至AlOOH浓度达到11g/L，通过前述装置中的搅拌器搅拌稀释溶液使其均匀，观察得到的样品AlOOH的沉降行为，此时得到反应后所得AlOOH沉降物，沉降物AlOOH为白色固体悬浮物，至其完全沉淀后过滤，得到沉降物AlOOH，称其重量。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明实施例中，由于只需采用一容器及一搅拌器即可实现核电站事故下化学沉淀替代物的制备，不仅结构简单，操作方便，而且成本低廉，同时搅拌器上采用两个搅拌叶片(如第一搅拌叶片和第二搅拌叶片)，用以搅拌化学产物并提高化学产物悬浮时间，能有效降低化学产物的沉降速率。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置，其特征在于，包括一用以装载化学产物的容器(1)以及一搅拌器(2)；其中，
所述搅拌器(2)包括电机(21)、搅拌棒(22)以及由至少两组搅拌叶片形成的搅拌叶片组合(23)；其中，所述搅拌棒(22)的一端安装有所述电机(21)，另一端容纳于所述容器(1)中并安装有所述搅拌叶片组合(23)；
其中，所述搅拌器(2)的电机(21)通电时，驱动所述搅拌叶片组合(23)转动，用以搅拌所述化学产物并提高所述化学产物悬浮时间。
2.如权利要求1所述的核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置，其特征在于，所述搅拌叶片组合(23)有两组搅拌叶片，包括第一搅拌叶片(231)和第二搅拌叶片(232)；其中，
所述第一搅拌叶片(231)位于所述电机(21)和所述第二搅拌叶片(232)之间，且所述第一搅拌叶片(231)的叶片面积大于所述第二搅拌叶片(232)的叶片面积。
3.如权利要求2所述的核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置，其特征在于，所述搅拌棒(22)位于所述电机(21)和所述第一搅拌叶片(231)之间的径向直径大于其位于所述第一搅拌叶片(231)和所述第二搅拌叶片(232)之间的径向直径。
4.如权利要求3所述的核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置，其特征在于，所述电机(21)外部包裹有用于防水、防尘的外壳。
5.如权利要求4所述的核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置，其特征在于，所述搅拌棒(22)、第一搅拌叶片(231)和第二搅拌叶片(232)均采用不锈钢制作而成。
6.一种核电站事故下化学沉淀替代物制备的方法，其特征在于，其在如权利要求1-5中任一项所述的核电站事故下化学沉淀替代物制备的装置中实现，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、确定化学产物及其预估产量，并根据所述化学产物及其预估产量，计算出制备所述化学产物所需的化学添加物及其产量；
步骤S2、将所述计算出的化学添加物及其产量投入所述装置中进行充分搅拌一定时间后，制备出所述化学产物并称重。
7.如权利要求6所述的核电站事故下化学沉淀替代物制备的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
确定化学产物为AlOOH，并从历史数据中提取分配到单燃料组件的Al元素质量，且进一步根据所述提取的Al元素质量，计算出所述化学产物为AlOOH的预估产量；
确定制备出化学产物为AlOOH的化学添加物为Al(NO3)3·9H2O和NaOH，并确定化学添加物为Al(NO3)3·9H2O和NaOH分别与化学产物为AlOOH的配比关系，且进一步根据所述化学产物为AlOOH的预估产量，分别计算出Al(NO3)3·9H2O和NaOH的产量。
8.如权利要求7所述的核电站事故下化学沉淀替代物制备的方法，其特征在于，通过公式“MAlOOH＝M/Al元素单位粒子原子×AlOOH单位粒子原子数”，计算出AlOOH的质量MAlOOH；其中，M为所述Al元素质量；所述Al元素单位粒子原子数为固定值27；所述AlOOH单位粒子原子数为固定值60。
9.如权利要求8所述的核电站事故下化学沉淀替代物制备的方法，其特征在于，所述确定化学添加物为Al(NO3)3·9H2O和NaOH分别与化学产物为AlOOH的配比关系，且进一步根据所述化学产物为AlOOH的预估产量，分别计算出Al(NO3)3·9H2O和NaOH的产量的具体步骤包括：
确定Al(NO3)3·9H2O与AlOOH的配比关系为1：1；
确定NaOH与AlOOH的配比关系为3：1；
通过公式“MAl(NO3)3·9H2O＝MAlOOH/AlOOH单位粒子原子数×Al(NO3)3·9H2O单位粒子原子数”，计算出Al(NO3)3·9H2O的质量MAl(NO3)3·9H2O；其中，所述Al(NO3)3·9H2O单位粒子原子数为固定值375；
通过公式“MNaOH＝3*mNaOH＝3*(MAlOOH/AlOOH单位粒子原子数×NaOH单位粒子原子数)”，计算出NaOH的质量MNaOH；其中，所述NaOH单位粒子原子数为固定值40。
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