CN111666655B - 一种六氟化铀泄漏源项的计算方法 - Google Patents

一种六氟化铀泄漏源项的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种六氟化铀容器泄漏源项计算方法，包括：(1)根据容器的放置方式，获取容器内相态界面H的计算公式；(2)测量得到破口的直径d和破口的高度z，并计算相态界面与破口的距离h，计算公式为：h＝H‑z其中：h＝相态界面与破口的距离，m；z＝破口的高度，m；(3)根据相态界面与破口的距离h与破口的直径d确定进入破口的UF6相态成分；(4)根据进入破口的UF6相态成分计算泄漏的UF6质量流量。本发明提供的一种六氟化铀容器泄漏源项计算方法，基于分相流模型，同时考虑的破口处阻力系数的影响，能够让我们较为准确的得到事故情况下从容器破口中泄漏的UF6源项。

Description

一种六氟化铀泄漏源项的计算方法
技术领域
本发明属于燃料循环安全技术领域，具体涉及一种六氟化铀泄漏源项的计算方法。
背景技术
六氟化铀是铀燃料富集过程的中间物质，在铀转化厂、铀富集厂和核燃料元件厂中都得到了广泛的应用。它的化学性质活泼，可以和多种物质发生化学反应。UF6和水会发生剧烈的反应，生成氟化铀酰(U02F2)和氟化氢(HF)，并释放出大量的热。其反应的方程式为：
UF6(g)+2H20(l)→U02F2(s)+4HF(g)
ΔH298K＝-211.4kJ/mol
在生产实践中，UF6与潮湿空气接触立即产生冒“白烟”现象正是上述反应的结果。只有当温度低于-40时，UF6的水解反应才趋于缓和而不显得那么剧烈。正是由于UF6的这一特性，导致在发生事故时，除了要考虑UF6的放射性危害和铀的化学危害外，还需注意事故中产生的HF对人造成的伤害。因此，如何准确的预测事故时UF6的泄漏源项尤为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种六氟化铀容器泄漏源项的计算方法，能准确的预测事故时UF6的泄漏情况。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种准确的预测事故时UF6的泄漏，所述方法包括：
(1)根据容器的放置方式，获取容器内相态界面H的计算公式；
(2)测量得到破口的直径d和破口的高度z，并计算相态界面与破口的距离h，计算公式为：
h＝H-z
其中：h＝相态界面与破口的距离，m；z＝破口的高度，m；
(3)根据相态界面与破口的距离h与破口的直径d确定进入破口的UF6相态成分；
(4)根据进入破口的UF6相态成分计算泄漏的UF6质量流量，UF6质量流量的计算公式为：
Figure GDA0004147752880000021
Figure GDA0004147752880000022
Figure GDA0004147752880000023
其中：
Figure GDA0004147752880000024
kg/s；/>
Figure GDA0004147752880000025
kg/s；/>
Figure GDA0004147752880000026
Figure GDA0004147752880000027
kg/s；A＝流动面积，m2；Gl＝液体UF6的质量流速，kg/(m2·s)；Gg＝气体UF6的质量流速，kg/(m2·s)；Y＝破口处的气体体积分数。
进一步的，所述步骤(1)中具体包括：
当容器为水平放置时，容器内相态界面的计算公式为：
Figure GDA0004147752880000028
其中：H＝相态界面的高度，m；D＝容器的直径，m；L＝容器的长度，m；VT＝容器的体积，m3；Vv＝容器内气体的体积，m3。
进一步的，所述步骤(1)还包括：当容器为竖直放置时，容器内相态
界面的计算公式为：
H＝[1-(Vv/VT)]L
其中：L＝容器的长度，m；VT＝容器的体积，m3；Vv＝容器内气体的体积，m3。
进一步的，所述步骤(2)中具体包括当容器竖直放置时，
若破口在容器的下底部，则h＝H；
若破口在容器的上底部，则h＝0。
进一步的，所述步骤(3)具体包括：
当h≥d时，进入破口的UF6相态成分为液态；
当0＜h＜d时，进入破口的UF6相态为多重相态；
当h≤0时，进入破口的UF6相态为气态。
进一步的，所述步骤(4)具体包括计算破口处的气体体积分数Y，计算公式为：
当进入破口的UF6相态成分为液态时，Y＝0；
当进入破口的UF6相态为多重相态时，计算公式为：
Figure GDA0004147752880000031
其中：Y＝进入破口的UF6气体体积分数；h＝相态界面与破口的距离，m；d＝破口的直径，m；
当进入破口的UF6相态为气态，Y＝1。
进一步的，每种相态的质量流速G计算公式为：
Figure GDA0004147752880000041
其中：G＝质量流速，kg/(m2·s)，Pi＝中间压力，kPa，P1＝入口压力，kPa，P2＝出口压力，数值等于大气压力，kPa，
Figure GDA0004147752880000042
m3/kg。
进一步的，当在达到临界流速时，每种相态的质量流速公式为：
Figure GDA0004147752880000043
其中：Gmax＝质量流速，kg/(m2·s)；P1，P2＝入口和出口压力，kPa；
Figure GDA0004147752880000044
Figure GDA0004147752880000045
m3/kg；Pi＝中间压力，kPa。
进一步的，中间压力Pi计算公式为：
Figure GDA0004147752880000046
其中：Pi＝中间压力，kPa，P1，P2＝入口和出口压力，kPa。
进一步的，当进入破口的UF6相态成分为液态时，入口压力P1，l的计算公式为：
Figure GDA0004147752880000047
其中：P1，l＝液态UF6进入破口时的压力，Pa；P0＝UF6的气体压力，Pa；ρc＝液体UF6的密度，kg/m3；g＝当地的重力加速度，取9.8m/s2。
进一步的，所述液体UF6的密度ρc计算公式为：
ρc＝m(1-X)/(VT-Vv)
其中：ρc＝液体UF6的密度，kg/m3，m＝容器内UF6的质量，kg，X＝容器内气体UF6的质量分数，VT＝容器的体积，m3，Vv＝容器内气体的体积，m3。
进一步的，所述容器内气体UF6的质量分数X计算公式为：
Figure GDA0004147752880000051
其中：X＝气体质量分数，VT＝容器的体积，m3，ρv＝容器内气体UF6的密度，kg/m3，ρc＝容器内压缩相(固体或者液体)UF6的密度，kg/m3，m＝容器内UF6的总质量。
进一步的，当进入破口的UF6相态成分为气态时，入口压力P1为容器内UF6的气体压力。
本发明的效果在于，基于分相流模型，同时考虑的破口处阻力系数的影响，能够让我们较为准确的得到事故情况下从容器或管道破口中泄露的UF6源项，此方法也能够用于事故前的演练计算。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程示意图；
图2为容器水平放置时容器结构主视图；
图3为容器水平放置时容器左视图；
图4为液面与破口相对位置示意图；
图5为用于计算通过容器破口的流动模型示意图。
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，图1为本发明所述方法的流程示意图。本发明所提供的六氟化铀容器泄露源项计算方法包括以下步骤：
步骤101：根据容器的放置方式，获取容器内相态界面H的计算公式。
大部分用于储存，运输和加工的UF6容器都是圆柱体。参阅图2，图2为容器水平放置时容器结构主视图。从图2可以快速了解UF6容器的结构。对于容器而言，破口可能出现在2种位置：
(1)在容器的圆形底面；
(2)在容器的圆柱体侧面。
同样，容器在使用过程中，有2种放置方式，水平放置和竖直放置。
参阅图3，图3为容器水平放置时容器左视图。如果容器是水平放置的，我们可以根据已给定的容器的体积，直径，长度和容器内当前气体的体积，可以得到容器内相态界面的计算公式：
Figure GDA0004147752880000061
其中：
H＝相态界面的高度，m；
D＝容器的直径，m；
L＝容器的长度，m；
VT＝容器的体积，m3；
Vv＝容器内气体的体积，m3。
如果容器是竖直放置的，此时，相态界面的计算较水平放置的容器而言简单，计算公式为：
H＝[1-(Vv/VT)]L
其中：
L＝容器的长度，m；
VT＝容器的体积，m3；
Vv＝容器内气体的体积，m3。
步骤102：测量得到破口的直径d和破口的高度z，并计算相态界面与破口的距离h。
在六氟化铀泄漏过程中，我们假设没有夹带现象发生，此时，如果UF6的相态界面在破口的上方，那么非气体的六氟化铀(一般为液体)将会从破口处流出，如果UF6的相态界面在破口以下，那么从破口流出将会是气体的六氟化铀。如果UF6的相态界面位于破口处，那么多种相态的六氟化铀混合物(气体和液体混合物)将会从破口流出。UF6泄漏的相态成分，可以看成是破口位置相对于界面高度(气体和液体或固体的界面)的函数。
先考虑破口位于容器底面的情况。
对于水平放置的容器，如果破口在容器的一个底面上，如图3所示。我们可以通过测量得到破口的直径d，破口的高度和破口的角度。我们还可以得到相态界面与破口底部的距离：
h＝H-z
其中：
h＝相态界面与破口的距离，m；
z＝破口的高度，m。
如果容器竖直放置，如果破口在容器的下底面(底部)，那么h＝H，如果破口在上底面(顶部)，那么h＝0，气体UF6将会从破口流出。
同样的，当破口位于容器侧面时，我们也可以得到相态界面与破口的距离，由于计算公式相同，在此不展开叙述。
故，计算公式为：
h＝H-z
其中：h＝相态界面与破口的距离，m；z＝破口的高度，m。
步骤103：根据相态界面与破口的距离h与破口的直径d确定进入破口的UF6相态成分。
参阅图4，图4为液面与破口相对位置示意图。当h≥d时，进入破口的UF6相态成分为非气态；当0＜h＜d时，进入破口的UF6相态为多重相态；当h≤0时，进入破口的UF6相态为气态。
步骤104：根据进入破口的UF6相态成分计算泄漏的UF6质量流量。
具体的，在计算泄漏的UF6质量流量之前，还需要计算破口处的气体体积分数Y，其计算公式为：
当进入破口的UF6相态成分为液态时，Y＝0；
当进入破口的UF6相态为多重相态时，计算公式为：
Figure GDA0004147752880000081
其中：
Y＝进入破口的UF6气体体积分数；
h＝相态界面高于破口底面的距离，m；
d＝破口的直径，m；
当进入破口的UF6相态为气态，Y＝1。
UF6质量流量的计算公式为：
Figure GDA0004147752880000082
Figure GDA0004147752880000083
Figure GDA0004147752880000084
其中：
Figure GDA0004147752880000085
kg/s；
Figure GDA0004147752880000091
kg/s；
Figure GDA0004147752880000092
kg/s；
A＝流动面积，m2；
Gl＝液体UF6的质量流速，kg/(m2·s)；
Gg＝气体UF6的质量流速，kg/(m2·s)。
上述公式中的每种相态的质量流速G，可以使用下面的公式得到：
Figure GDA0004147752880000093
其中：
G＝质量流速，kg/(m2·s)，
Pi＝中间压力，kPa；
P1＝入口压力，kPa；
P2＝出口压力，等于大气压力，kPa；
Figure GDA0004147752880000094
m3/kg。
当在达到临界流速时上述质量流速公式不适用，质量流速公式变更为：
Figure GDA0004147752880000095
其中：
Gmax＝质量流速，kg/(m2·s)；
P1，P2＝入口和出口压力，kPa；
Figure GDA0004147752880000096
m3/kg；
Pi＝中间压力，kPa。
参阅图5，上述公式中中间压力Pi计算公式为：
Figure GDA0004147752880000101
其中：
Pi＝中间压力，kPa；
P1，P2＝入口和出口压力，kPa。
继续参阅图4(a)，当进入破口的UF6相态成分为液态时，仅需对液态UF6质量流量进行计算，进入破口处压力值的计算公式为：
Figure GDA0004147752880000102
其中：
P1，l＝液体UF6进入破口时的压力，Pa；
P0＝UF6的气体压力，Pa；
ρc＝液体UF6的密度，kg/m3；
g＝当地的重力加速度，取9.8m/s2。
上述公式中的ρc可以使用下面的公式得到：
ρc＝m(1-X)/(VT-Vv)
其中：
ρc＝液体UF6的密度，kg/m3；
m＝容器内UF6的质量，kg；
X＝容器内气体UF6的质量分数；
VT＝容器的体积，m3；
Vv＝容器内气体的体积，m3。
上述公式中的容器内气体UF6的质量分数X可以使用下面的公式得到：
Figure GDA0004147752880000103
其中：X＝气体质量分数，VT＝容器的体积，m3，ρv＝容器内气体UF6的密度，kg/m3，ρc＝容器内压缩相(固体或者液体)UF6的密度，kg/m3，m＝容器内UF6的总质量。
继续参阅图4(c)，当进入破口的UF6相态成分为气态时，仅需对气态UF6质量流速进行计算，入口压力P1为容器内UF6的气体压力。
继续参阅图4(b)，当进入破口的UF6相态成分为多重相态时，分别对进入破口的液态和气态UF6质量流速进行计算，此时液体UF6质量流速的计算适用于图4(a)的情形，气体UF6质量流速的计算适用于图4(c)的情形。
区别于现有技术，本发明提供的一种六氟化铀泄漏源项的计算方法，此方法基于分相流模型，同时考虑的破口处阻力系数的影响，能够让我们较为准确的得到事故情况下从容器破口中泄漏的UF6源项，此方法也能够用于事故前的演练计算。
本领域技术人员应该明白，本发明所述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 (8)

1.一种六氟化铀容器泄漏源项计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)根据容器的放置方式，获取容器内相态界面H的计算公式，容器的放置方式包括水平放置和竖直放置，
当容器为水平放置时，容器内相态界面的计算公式为：
Figure FDA0004164269460000011
当容器为竖直放置时，容器内相态界面的计算公式为：
H＝[1-(Vv/VT)]L
其中：H＝相态界面的高度，m；D＝容器的直径，m；L＝容器的长度，m；VT＝容器的体积，m3；Vv＝容器内气体的体积，m3；
(2)测量得到破口的直径d和破口的高度z，并计算相态界面与破口的距离h，计算公式为：
h＝H-z
其中：h＝相态界面与破口的距离，m；z＝破口的高度，m；
(3)根据相态界面与破口的距离h与破口的直径d确定进入破口的UF6相态成分；
(4)根据进入破口的UF6相态成分计算泄漏的UF6质量流量，UF6质量流量的计算公式为：
Figure FDA0004164269460000012
Figure FDA0004164269460000013
Figure FDA0004164269460000014
其中：
Figure FDA0004164269460000021
的总质量流量，kg/s；/>
Figure FDA0004164269460000022
的质量流量，kg/s；/>
Figure FDA0004164269460000023
Figure FDA0004164269460000024
的质量流量，kg/s；A＝流动面积，m2；Gl＝液体UF6的质量流速，kg/(m2·s)；Gg＝气体UF6的质量流速，kg/(m2·s)；Y＝进入破口处的气体体积分数；
进入破口处的气体体积分数Y的计算公式为：
当进入破口的UF6相态成分为液态时，Y＝0；
当进入破口的UF6相态为气态，Y＝1；
当进入破口的UF6相态为多重相态时，计算公式为：
Figure FDA0004164269460000025
其中：h＝相态界面与破口的距离，m；d＝破口的直径，m；
每种相态的质量流速G的计算公式为：
Figure FDA0004164269460000026
其中：G＝质量流速，kg/(m2·s)，Pi＝中间压力，kPa，P1＝入口压力，kPa，P2＝出口压力，数值等于大气压力，kPa，
Figure FDA0004164269460000027
m3/kg；
当在达到临界流速时，每种相态的质量流速计算公式为：
Figure FDA0004164269460000028
其中：Gmax＝质量流速，kg/(m2·s)；P1，P2＝入口和出口压力，kPa；
Figure FDA0004164269460000029
Figure FDA00041642694600000210
m3/kg；Pi＝中间压力，kPa。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中具体包括当容器竖直放置时，
若破口在容器的下底部，则h＝H；
若破口在容器的上底部，则h＝0。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：
当h≥d时，进入破口的UF6相态成分为液态；
当0<h<d时，进入破口的UF6相态为多重相态；
当h≤0时，进入破口的UF6相态为气态。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，中间压力Pi计算公式为：
Figure FDA0004164269460000031
其中：Pi＝中间压力，kPa，P1，P2＝入口和出口压力，kPa。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当进入破口的UF6相态成分为液态时，入口压力P1,l的计算公式为：
Figure FDA0004164269460000032
其中：P1,l＝液态UF6进入破口时的压力，Pa；P0＝UF6的气体压力，Pa；ρc＝液体UF6的密度，kg/m3；g＝当地的重力加速度，取9.8m/s2。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述液体UF6的密度ρc计算公式为：
ρc＝m(1-X)/(VT-Vv)
其中：ρc＝液体UF6的密度，kg/m3，m＝容器内UF6的质量，kg，X＝容器内气体UF6的质量分数，VT＝容器的体积，m3，Vv＝容器内气体的体积，m3。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述容器内气体UF6的质量分数X计算公式为：
Figure FDA0004164269460000033
其中：X＝气体质量分数，VT＝容器的体积，m3，ρv＝容器内气体UF6的密度，kg/m3，vc＝容器内固体或者液体的压缩相UF6的密度，kg/m3，m＝容器内UF6的总质量。
8.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，当进入破口的UF6相态成分为气态时，入口压力P1为容器内UF6的气体压力。
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