CN109443984B - 高放废液储罐中氢气产生率的估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高放废液储罐中氢气产生率的估算方法，该方法通过模拟热化学反应的氢生成机理，以及水和有机组分的辐射分解和腐蚀过程，将高放废液储罐中的氢气由热解、辐解、腐蚀三种机制产生的量相加进行计算。该方法解决了对于高放废液储罐中氢气产生量的预测，对控制高放废液大罐中氢气的聚积，高放废液储罐氢气的爆炸起到预防的作用。本发明适用于后处理厂安全评价，以及为后处理厂应急准备与响应提供技术支持，具有重要的经济价值和社会价值。

Description

高放废液储罐中氢气产生率的估算方法
技术领域
本发明属于放射性废物的处置技术，具体涉及一种高放废液储罐中氢气产生率的估算方法。
背景技术
1957年前苏联南乌拉尔Kyshtym曾发生过一起高放废液储罐爆炸的严重事故，其事故后果仅次于切尔诺贝利核电站爆炸事故，事故原因是硝酸盐与醋酸盐混合体系被蒸干以后在高温下发生了爆炸。这次事故得到证实后，引起了各国对高放废液储罐安全的重视。特别是高放废液储罐会产生氢气、一氧化二氮、氮气、氨气等混合气体，其中氢气产生的浓度大大超过了爆炸限值，而氢气又属于易燃易爆气体，极易发生爆炸。
因此后处理厂进行安全评价、应急准备与响应时，需要依据氢气产生率，估算高放废液储罐中氢气浓度，用于评价高放废液储罐氢气爆炸的可能性。
现有技术中主要根据国外类似储罐产生氢气率来进行等比计算，例如：
XXX厂罐产氢率＝美国101罐产氢率×(某厂罐高放废液与罐壁接触的面积/101罐接触的面积)×(某厂腐蚀速率/101腐蚀速率)。
这种方法仅是近似估算高放废液储罐氢气产生率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高放废液储罐中氢气产生率的估算方法，对高放废液储罐中氢气的产生量进行预测，对控制高放废液储罐中氢气的聚积，高放废液储罐氢气的爆炸起到预防的作用。
本发明的技术方案如下：一种高放废液储罐中氢气产生率的估算方法，使用一套半经验的速率方程来模拟热化学反应的氢生成机理，以及水和有机组分的辐射分解以及腐蚀过程，按如下公式计算：
HGR＝HGRthm+HGRrad+HGRcorr
其中，HGR为高放废液储罐每天每千克废物总氢气产生量；
HGRthm为高放废液储罐每天每千克废物热解的产生氢气量，单位(mole/kg/天)；
HGRrad为高放废液储罐每天每千克废物辐解的产生氢气量，单位(mole/kg/天)；
HGRcorr为高放废液储罐每天每千克废物腐蚀的产生氢气量，单位(mole/kg/天)；
HGRthm＝athm×(rf×[TOC])×[Al+3]0.4×Lf×exp(-Ethm/RT)
其中，Ethm为热反应的活化能,89.6kJ/mole；
athm为热指数因子，3.94E+09mole/kg/天；
[TOC]为废液中总有机碳浓度(wt％)；
rf为总有机碳反应性系数，默认值为0.3，如果储罐含有高比例的高能有机化合物，可以调整到0.6；
[Al+3]为废液中的铝浓度(重量％)；
Lf为高放废物中的液体重量分数(无单位)；
R是气体常数，8.314J/mole/K；
T是高放废物温度(K)；
HGRcorr＝Rcorr×EH2×Awetted/Mtank×CF2
其中，Rcorr为腐蚀速率，温度在50℃时，高放废液对超低碳不锈钢的平均腐蚀速率为2.8×10-5m/年；
EH2为腐蚀产氢效率系数，如果废液为[NO3-]和[NO2-]为20％，废液中[OH-]氢氧根离子浓度大于0.1mol/L，否则为50％；
Awetted为暴露于含水分废物的钢的面积(m2)；
Mtank为废物的总质量(kg)；
CF2为从(m3/kg-年)到(mole/kg-天)的换算系数；“kg-年”表示每千克每年，“kg-天”表示每千克每天；
Figure BDA0001786993180000031
Figure BDA0001786993180000032
Figure BDA0001786993180000033
Figure BDA0001786993180000034
Figure BDA0001786993180000035
其中，arad为有机辐解前期指数项，1.11E+07H2/100eV；
Figure BDA0001786993180000036
为来自罐中β/γ的总热负荷，(单位：瓦特/公斤)；
Figure BDA0001786993180000037
为来自罐中α的总热负荷，(单位：瓦特/公斤)；
Erad为有机辐解中的活化能，48.8kJ/mole；
CF1为从100电子伏产生氢气的量(瓦/kg)到(mole/kg-day)的转换因子；
Lf为高放废物中的液体重量分数(无单位)；
[NO3 -]为废液中硝酸根离子浓度(mol/L)；
[NO2 -]为废液中的亚硝酸根离子浓度(mol/L)；
[Na+]为废液中的钠离子浓度(mol/L)。
本发明的有益效果如下：本发明构建了高放废液储罐中氢气产生率的估算方法，该方法解决了对于高放废液储罐中氢气产生量的预测，对控制高放废液大罐中氢气的聚积，高放废液储罐氢气的爆炸起到预防的作用。该方法使用一套半经验的速率方程来模拟热化学反应的氢生成机理以及水和有机组分的辐射分解以及腐蚀过程，实现对高放废液储罐中的氢气产生的三种机制(辐解、热解、腐蚀)的模拟计算。该方法适用于后处理厂安全评价，以及为后处理厂应急准备与响应提供技术支持，具有重要的经济价值和社会价值。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供了一种高放废液储罐中氢气产生率的估算方法，解决了对于高放废液储罐中氢气产生量的预测，对控制高放废液大罐中氢气的聚积，高放废液储罐氢气的爆炸起到预防的作用。本发明使用一套半经验的速率方程来模拟热化学反应的氢生成机理，以及水和有机组分的辐射分解以及腐蚀过程，对高放废液储罐中的氢气产生的三种机制(辐解、热解、腐蚀)进行模拟计算，计算公式如下：
HGR＝HGRthm+HGRrad+HGRcorr
其中，HGR为高放废液储罐每天每千克废物总氢气产生量；
HGRthm为高放废液储罐每天每千克废物热解的产生氢气量，单位(mole/kg/天)；
HGRrad为高放废液储罐每天每千克废物辐解的产生氢气量，单位(mole/kg/天)；
HGRcorr为高放废液储罐每天每千克废物腐蚀的产生氢气量，单位(mole/kg/天)；
HGRthm＝athm×(rf×[TOC])×[Al+3]0.4×Lf×exp(-Ethm/RT)
其中，Ethm为热反应的活化能,89.6kJ/mole；
athm为热指数因子，3.94E+09mole/kg/天；
[TOC]为废液中总有机碳浓度(wt％)；
rf为总有机碳反应性系数，默认值为0.3，如果储罐含有高比例的高能有机化合物，可以调整到0.6；
[Al+3]为废液中的铝浓度(重量％)；
Lf为高放废物中的液体重量分数(无单位)；
R是气体常数，8.314J/mole/K；
T是高放废物温度(K)；
HGRcorr＝Rcorr×EH2×Awetted/Mtank×CF2
其中，Rcorr为腐蚀速率，温度在50℃时，高放废液对超低碳不锈钢的平均腐蚀速率为2.8×10-5m/年；
EH2为腐蚀产氢效率系数，如果废液为[NO3-]和[NO2-]为20％，废液中[OH-]氢氧根离子浓度大于0.1mol/L，否则为50％；
Awetted为暴露于含水分废物的钢的面积(m2)；
Mtank为废物的总质量(kg)；
CF2为从(m3/kg-年)到(mole/kg-天)的换算系数；“kg-年”表示每千克每年，“kg-天”表示每千克每天；
Figure BDA0001786993180000051
Figure BDA0001786993180000052
Figure BDA0001786993180000053
Figure BDA0001786993180000054
Figure BDA0001786993180000055
其中，arad为有机辐解前期指数项，1.11E+07H2/100eV；
Figure BDA0001786993180000061
为来自罐中β/γ的总热负荷，(单位：瓦特/公斤)；
Figure BDA0001786993180000062
为来自罐中α的总热负荷，(单位：瓦特/公斤)；
Erad为有机辐解中的活化能，48.8kJ/mole；
CF1为从100电子伏产生氢气的量(瓦/kg)到(mole/kg-day)的转换因子；
Lf为高放废物中的液体重量分数(无单位)；
[NO3 -]为废液中硝酸根离子浓度(mol/L)；
[NO2 -]为废液中的亚硝酸根离子浓度(mol/L)；
[Na+]为废液中的钠离子浓度(mol/L)。
本发明提供的高放废液储罐中氢气产生率的估算方法，适用于后处理厂安全评价，以及为后处理厂应急准备与响应提供技术支持，具有重要的经济价值和社会价值。
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。

Claims (1)

1.一种高放废液储罐中氢气产生率的估算方法，其特征在于：该方法通过模拟热化学反应的氢生成机理，以及水和有机组分的辐射分解和腐蚀过程，将高放废液储罐中的氢气由热解、辐解、腐蚀三种机制产生的量相加进行计算，
计算公式如下：
HGR＝HGRthm+HGRrad+HGRcorr
其中，HGR为高放废液储罐每天每千克废物总氢气产生量；
HGRthm为高放废液储罐每天每千克废物热解的产生氢气量；
HGRrad为高放废液储罐每天每千克废物辐解的产生氢气量；
HGRcorr为高放废液储罐每天每千克废物腐蚀的产生氢气量；
HGRthm＝athm×(rf×[TOC])×[Al+3]0.4×Lf×exp(-Ethm/RT)
其中，Ethm为热反应的活化能；
athm为热指数因子；
[TOC]为废液中总有机碳浓度；
rf为总有机碳反应性系数；
[Al+3]为废液中的铝浓度；
Lf为高放废物中的液体重量分数；
R是气体常数；
T是高放废物温度；
HGRcorr＝Rcorr×EH2×Awetted/Mtank×CF2
其中，Rcorr为腐蚀速率；
EH2为腐蚀产氢效率系数；
Awetted为暴露于含水分废物的钢的面积；
Mtank为废物的总质量；
CF2为从(m3/kg-年)到(mole/kg-天)的换算系数；
Figure FDA0002758136670000021
Figure FDA0002758136670000022
Figure FDA0002758136670000023
Figure FDA0002758136670000024
Figure FDA0002758136670000025
其中，arad为有机辐解前期指数项；
Figure FDA0002758136670000026
为来自罐中β/γ的总热负荷；
Figure FDA0002758136670000027
为来自罐中α的总热负荷；
Erad为有机辐解中的活化能；
CF1为从100电子伏产生氢气的量(瓦/kg)到(mole/kg-day)的转换因子；
Lf为高放废物中的液体重量分数；
[NO3 -]为废液中硝酸根离子浓度；
[NO2 -]为废液中的亚硝酸根离子浓度；
[Na+]为废液中的钠离子浓度。
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