CN110068667A - 一种模拟后处理中高放废液氢气爆炸的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模拟后处理中高放废液(HLLW)罐氢气爆炸的实验装置及方法，所述装置包括模拟HLLW罐系统，所述模拟HLLW罐系统位于实验室内，包括耐热耐压罐、位于耐热耐压罐外围的电磁感应加热器和阀门；测试系统，所述测试系统包括位于所述耐热耐压罐内的K型热电偶、压力传感器、防爆氢气检测仪，位于所述耐热耐压罐外侧上方的在线烟气测量仪和气体浓度仪，以及电子天平；压空系统，所述压空系统用于向耐热耐压罐内充入压缩空气，且可用于模拟所述HLLW罐系统的呼排系统。本发明提供的装置可以实验模拟研究后处理中HLLW罐内生成的氢气在TBP、煤油和HNO3混合溶液的环境下，在HLLW罐内一定温度和压力条件下的爆炸行为。
Description
技术领域
本发明属于乏燃料后处理设施的核应急与核安全技术领域，具体涉及一种模拟后处理中高放废液氢气爆炸的实验装置及方法。
背景技术
1957年前苏联南乌拉尔Kyshtym曾发生过一起高放废液(high-level liquidwaste，简称HLLW)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，按其产生的集体剂量来看，是世界第二大核事故。Kyshtym的HLLW储存在混凝土水冷大罐中，罐内储存了1018Bq的放射性物质，其化学状态是硝酸盐与醋酸盐混合物。由于监测设备的腐蚀和缺陷，导致冷却系统失灵，温度升高，水被蒸发，沉淀物蒸干，温度达到330～350℃，引起爆炸，爆炸当量相当于70～100t TNT。污染面积约为15000～23000km2，27000人避迁。
这次事故得到证实后，引起了各国对HLLW储存安全的重视，并逐渐展开了全方位和深入的研究工作。美国为此开展了大量的基础性研究，进行了“废物罐可燃气体稳定计划”和“废物罐有机物安全计划”等安全项目的研究。
美国汉福特储罐场的SY-101罐周期性释放大量氢气、一氧化二氮、氨气、氮气等混合气(约每年3次，俗称“打嗝”)，其中氢气浓度大大超过了燃烧限值，应公众的要求，美国能源部组织开展了“汉福特高放废物罐241-SY-101的概率安全评价(PSA)”、以及“汉福特储存场HLLW储罐PSA”，并在储罐中加设搅拌泵以促进混合气体的及时排放，防止可燃气体的累积。英、法、德、日等国亦开展了相应的研究。
1995年洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)对汉福特储罐场的177个HLLW储罐进行了PSA，其结果表明，HLLW储存的风险中可燃气体燃烧事故风险占18％，其中包括SY-101罐的打嗝事件和单壁罐内氢气燃烧事件，这类事件发生概率不太高，但事故后果可能会很严重。
在177个储罐中，对总风险贡献最大的是SY-101罐，因为它有“打嗝”现象，假设自1993年安装搅拌泵后，消除了打嗝事件，那么它的风险将降至第52；对总风险贡献排第二的是C-103罐，主要是因罐中产生的氢气累积超过了燃烧限值，事故景象是假定氢气燃烧点燃了罐中的有机相并导致储罐失效；AX-101罐排第3，其原因也是氢气燃烧导致储罐失效。
HLLW储罐中的可燃气体主要包括废液中产生的氢气、一氧化二氮、有机蒸汽等，其中最主要的是氢气。因储存时间较长，可挥发的有机蒸汽的量已大大减少。
HLLW储罐中的氢气由以下三种机制产生：辐解、热解、腐蚀。LANL对上述三种产生机制产生氢气量的估算都给出了计算公式。
针对SY-101罐分别计算了打嗝放出体积为6922、13844和20765ft3的气团(罐顶压力为1.013bar、温度为323K)时氢气燃烧引起的压力上升。氢气、氧气、一氧化二氮发生化学反应时，其反应热较等量氢气与空气发生反应大34％，发生燃烧及燃爆事故的氢气体积百分比范围也从4％-72％扩大到3％-84％，因此事故引起的压力增加较氢气与空气反应要大。
国内研究机构曾对HLLW储罐中可燃气体的安全性进行了研究，剖析了潜在危险因素，开展了事故分析。分析了HLLW储罐罐顶氢气累积的过程；分析了HLLW储罐中可能存在的火源及可燃气体被点燃的可能性；分析了HLLW储罐中的热积累。得出如下结论：
(1)我国HLLW储罐可能的严重事故危险主要来自：事故状况下可燃气体发生燃爆。
(2)HLLW储罐中产生的混合气体中还可能存在一氧化二氮，在氢气、氧气、一氧化二氮发生化学反应时，其反应热较等量氢气与空气发生反应大34％，发生燃烧及燃爆事故的氢气体积百分比范围也从4％-72％扩大到3％-84％。因此，如果储罐发生氢气燃爆事故，其后果会更加严重，并且事故后果是不可接受的。
HLLW氢气爆炸事故一般作为后处理设施的一个设计基准事故。因此，有必要发明一种模拟后处理中HLLW氢气爆炸的实验装置及方法进行研究。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种模拟后处理中HLLW氢气爆炸的实验装置及方法，去实验模拟研究后处理中HLLW生成的氢气在TBP、煤油和HNO3混合溶液的环境下，在HLLW罐内一定温度和压力条件下的爆炸行为。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种模拟后处理中HLLW氢气爆炸的实验装置，所述装置包括：
模拟HLLW罐系统，所述模拟HLLW罐系统位于实验室内，包括耐热耐压罐、位于耐热耐压罐外围的电磁感应加热器和阀门；
测试系统，所述测试系统包括位于所述耐热耐压罐内的K型热电偶、压力传感器、防爆氢气检测仪，位于所述耐热耐压罐外侧上方的在线烟气测量仪和气体浓度仪，以及电子天平；
压空系统，所述压空系统用于向耐热耐压罐内充入压缩空气，且模拟所述HLLW罐的呼排系统。
进一步的，所述阀门包括位于耐热耐压罐顶的排气阀、位于耐热耐压罐侧面的进液单向阀和进气单向阀以及耐热耐压罐底的排液阀。
进一步的，所述装置还包括数据处理系统，所述数据处理系统位于实验室外，用于采集并存储热电偶和压力传感器的测量数据。
进一步的，所述装置还包括监视系统，所述监视系统包括位于实验室顶部高速摄像机、耐热耐压罐顶部的防爆型摄像以及实验室外的监视器。
进一步的，所述装置还包括和所述进液单向阀连接的进液系统，所述进液系统包括离心泵，用于向所述耐热耐压罐内加入模拟液体。
进一步的，所述模拟液体为TBP、煤油和HNO3的混合液。
为达到以上目的，本发明采用的另一种技术方案是：
一种模拟后处理中HLLW氢气爆炸的实验方法，所述方法包括：
(1)取预设体积的模拟溶液加入耐热耐压罐内；
(2)充入已经确定量的氮气、氧气和氢气等气体；
(3)开启电磁感应加热器，将实验环境设置为预设温度；
(4)关闭电磁感应加热器，开启测试系统；
(5)开启高能点火器，记录测试项。
进一步的，所述测量项包括氢气爆炸条件，所述氢气爆炸条件包括实验前后的温度、压力、氢气质量和浓度、氧气浓度和爆炸现象。
进一步的，所述测量项还包括关键时间节点：
所述关键时间节点包括但不限于如下节点：
(1)实验环境温度达到预设温度的时间点；
(2)充入已经预设量的氮气、氧气和氢气等气体的时间点；
(3)点火能量足够，开始点火引燃氢气爆炸的时间点；
(4)排气阀开始泄压的时间点；
(5)耐热耐压罐内温度或压力达到极值的时间点。
本发明的效果在于，本发明所述的装置及方法，能实验模拟研究后处理中HLLW生成的氢气在TBP、煤油和HNO3混合溶液的环境下，在HLLW罐内一定温度和压力条件下的爆炸行为。
附图说明
图1为本发明所述装置的一实施例的结构示意图；
图2为本发明所述装置模拟HLLW氢气爆炸事故的实验研究流程图。
图中：1-耐热耐压罐；2-电磁感应加热器；3-K型热电偶；4-压力传感器；5-高能点火器；6-防爆摄像机；7-防爆氢气检测仪；8-排气阀；9-进液单向阀；10-进气单向阀；11-排液阀；12-在线烟气测量仪；13-气体浓度仪；14-高速摄像机；15-空气压缩机；16-监视器；17-数据采集器；18-电子天平；19-离心泵。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
参阅图1，为本发明所述装置的一实施例的结构示意图。
需要说明的是，实验研究装置需布置专用实验室，有一定的面积需求；专用实验室需要满足相关标准、规范对建筑、结构、给水排水、供暖通风与空气调节、电气等的具体要求；专用实验室还需要满足相关法律条例规章制度对于环境保护、职业安全、职业卫生、消防、节能等方面的具体要求。
所述装置包括：模拟HLLW罐系统、测试系统和压空系统。
所述模拟HLLW罐系统位于实验室包括位于实验室中部的耐热耐压罐1、位于耐热耐压罐1外侧中下部的电磁感应加热器2和阀门。具体的，模拟HLLW罐系统由耐热耐压罐1、及其附属的阀门、管线和电磁感应加热器2组成。
在一个具体的实施例中，耐热耐压罐1的大小为D*H＝2000mm*2000mm；耐压1Mpa，耐高温1000℃。
其中，所述阀门包括位于耐热耐压罐顶的排气阀8、位于耐热耐压罐侧壁的上部的进液单向阀9和侧壁的中部的进气单向阀10以及侧壁底部的排液阀11。
模拟HLLW罐系统可进气、进液，排气、排液，并可对容器内的模拟液体进行加热。
所述测试系统包括位于所述耐热耐压罐1内的K型热电偶3、压力传感器4、防爆氢气检测仪7，位于所述耐热耐压罐1外侧上方的在线烟气测量仪12和气体浓度仪13，以及电子天平18。测试系统主要测试爆炸前后的物理参数的变化。这些设备可以对实验前后的温度、压力、氢气质量和浓度、氧气浓度进行测量。所述测试系统还包括位于耐热耐压罐内的高能点火器5。优选的，高能点火器5为遥控点火装置，遥控端在实验室外。
在一个具体的实施例中，K型热电偶量程为0-1300℃，压力传感器量程为0-1Mpa。
所述压空系统用于向耐热耐压罐内充入压缩空气，且模拟所述HLLW罐的呼排系统。具体的，压空系统由空气压缩机15和相应的管线组成，和进气单向阀10连接，可以向耐热耐压罐充入压缩空气，增大贮罐内的压强。同时也可用于模拟HLLW罐的呼排系统。具体的，排气压力为5bar。
所述装置还包括数据处理系统，所述数据处理系统主要是数据采集器17位于实验室外，和K型热电偶3以及压力传感器4的数据采集端连接，用于采集并存储热电偶和压力传感器的测量数据。
所述装置还包括监视系统，所述监视系统包括位于实验室顶部高速摄像机14、耐热耐压罐1顶部的防爆型摄像6以及实验室外的监视器16，用于对实验室及实验过程进行视频监视。在一个具体的实施例中，监视系统包括三台高速摄像机14，均匀的设置于实验室顶部，用于全方位的拍摄。且，高速摄像14机帧率≥1000帧/s。监视系统用于观测爆炸前后的实验现象。
所述装置还包括和所述进液单向阀9连接的进液系统，所述进液系统包括离心泵19，用于向所述耐热耐压罐1内加入模拟液体。优选的，离心泵19扬程≥5m。
所述模拟液体为TBP、煤油和HNO3的混合液，具体的配比与实验目的有关，在此不做限定。
区别于现有技术，本发明提供的一种模拟后处理中HLLW氢气爆炸的实验装置，可实验模拟研究后处理中HLLW生成的氢气在TBP、煤油和HNO3混合溶液的环境下，在HLLW罐内一定温度和压力条件下的爆炸行为。
图2为本发明所述装置模拟HLLW氢气爆炸事故的实验研究流程图。
一种模拟后处理中HLLW氢气爆炸的实验方法，包括以下步骤：
步骤101：取预设体积的模拟溶液加入耐热耐压罐内。
在本方法中可进行不同质量不同配比的HLLW模拟液体对氢气爆炸的影响实验，故模拟溶液的体积和配比方式与实验目的相关，在此不做限定。
步骤102：充入已经确定量的氮气、氧气和氢气等气体。
步骤103：开启电磁感应加热器，将实验环境设置为预设温度。
步骤104：关闭电磁感应加热器，开启测试系统。
步骤105：开启高能点火器，记录测试项。
所述测量项包括氢气爆炸条件。所述氢气爆炸条件包括实验前后的温度、压力、氢气质量和浓度、氧气浓度和爆炸现象。
所述测量项还包括关键时间节点：
所述关键时间节点包括但不限于如下节点：
(1)实验环境温度达到预设温度的时间点；
(2)充入已经预设量的氮气、氧气和氢气等气体的时间点；
(3)点火能量足够，开始点火引燃氢气爆炸的时间点；
(4)排气阀开始泄压的时间点；
(5)耐热耐压罐内温度或压力达到极值的时间点。
通过对实验数据进行分析，除了可进行不同质量不同配比的HLLW模拟液体对氢气爆炸的影响实验，还可以观测不同量氢气爆炸后的HLLW泄漏后果实验。
区别于现有技术，本发明提供的一种模拟后处理中HLLW氢气爆炸的实验方法，可实验模拟研究后处理中HLLW生成的氢气在TBP、煤油和HNO3混合溶液的环境下，在HLLW罐内一定温度和压力条件下的爆炸行为。
本领域技术人员应该明白，本发明所述的装置及方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种模拟后处理中HLLW罐氢气爆炸的实验装置，其特征在于，所述装置包括：
模拟HLLW罐系统，所述模拟HLLW罐系统位于实验室内，包括耐热耐压罐、位于耐热耐压罐外围的电磁感应加热器和阀门；
测试系统，所述测试系统包括位于所述耐热耐压罐内的K型热电偶、压力传感器、防爆氢气检测仪，位于所述耐热耐压罐外侧上方的在线烟气测量仪和气体浓度仪，以及电子天平；
压空系统，所述压空系统用于向耐热耐压罐内充入压缩空气，且模拟所述HLLW罐的呼排系统。
2.根据权利要求1所述一种模拟后处理中HLLW氢气爆炸的实验装置，其特征在于，
所述阀门包括位于耐热耐压罐顶的排气阀、位于耐热耐压罐侧面的进液单向阀和进气单向阀以及耐热耐压罐底的排液阀。
3.根据权利要求1所述一种模拟后处理中HLLW氢气爆炸的实验装置，其特征在于，
所述装置还包括数据处理系统，所述数据处理系统位于实验室外，用于采集并存储热电偶和压力传感器的测量数据。
4.根据权利要求1所述一种模拟后处理中HLLW氢气爆炸的实验装置，其特征在于，
所述装置还包括监视系统，所述监视系统包括位于实验室顶部高速摄像机、耐热耐压罐顶部的防爆型摄像以及实验室外的监视器。
5.根据权利要求2所述一种模拟后处理中HLLW氢气爆炸的实验装置，其特征在于，
所述装置还包括和所述进液单向阀连接的进液系统，所述进液系统包括离心泵，用于向所述耐热耐压罐内加入模拟液体。
6.根据权利要求4所述一种模拟后处理中HLLW氢气爆炸的实验装置，其特征在于，
所述模拟液体为TBP、煤油和HNO3的混合液。
7.一种模拟后处理中HLLW罐氢气爆炸的实验方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)取预设体积的模拟溶液加入耐热耐压罐内；
(2)充入已经预设量的氮气、氧气和氢气等气体；
(3)开启电磁感应加热器，将实验环境设置为预设温度；
(4)关闭电磁感应加热器，开启测试系统；
(5)开启高能点火器，记录测试项。
8.根据权利要求7所述的一种模拟后处理中HLLW氢气爆炸的实验方法，其特征在于，所述测量项包括氢气爆炸条件；
所述氢气爆炸条件包括实验前后的温度、压力、氢气质量和浓度、氧气浓度和爆炸现象。
9.根据权利要求7所述的一种模拟后处理中HLLW氢气爆炸的实验方法，其特征在于，所述测量项还包括关键时间节点：
所述关键时间节点包括但不限于如下节点：
(1)实验环境温度达到预设温度的时间点；
(2)充入已经预设量的氮气、氧气和氢气等气体的时间点；
(3)点火能量足够，开始点火引燃氢气爆炸的时间点；
(4)排气阀开始泄压的时间点；
(5)耐热耐压罐内温度或压力达到极值的时间点。
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