CN112488459B - 一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法 - Google Patents

一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法，所述方法包括以下步骤：(1)先确定硝酸铀酰溶液系统是否发生临界事故；(2)若体积未明确，优先采用NUREG‑CR/6504中的方法，然后是RASCAL中的方法；(3)若体积明确，判断能否优先使用Barbry公式，其次是Oslen公式、Nomura公式、Tuck公式；(4)若Tuck公式不适用，判断能否使用NUREG‑CR/6504中的方法，然后是RASCA中的方法；(5)判断临界是否结束，若未结束，当前获取的临界信息一旦有更新，再从步骤(1)开始依次执行，估算临界裂变次数。本发明提供的方法与事故进行相结合，为应急决策者提供更准确的技术支持。

Description

一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法
技术领域
本发明属于核临界事故裂变次数估算技术领域，具体涉及一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法。
背景技术
根据国外公开报道，核燃料工艺过程共发生22起核临界事故。其中，21起发生在易裂变材料处于溶液或浆液，1起发生在易裂变材料处于金属锭。共有9人死亡，4人严重照射，超过25人受大剂量照射。因此核临界事故虽然发生概率很小，但一旦发生，事故危害大，影响范围广，因此必须做好相应的防护措施。核临界事故应急评价技术是核燃料循环设施应急准备与响应的重要组成部分，且我国应急管理也要求，对存在潜在核临界事故的设施需要具备该事故的应急评价能力。硝酸铀酰溶液临界事故是后处理溶解槽可能发生的事故，需要做好相应的应急工作。临界总裂变次数是核临界事故应急评价的重要内容，也是技术难点之一。它反映了核临界事故的大小和规模，直接影响事故应急防护行动决策。
发生临界事故时，往往开始获取的数据有限，随着时间的推移，获取的数据越来越丰富，因此总裂变次数估算非常有必要与事故进程相结合，建立一套基于进程信息的估算方法，为应急决策者提供更有力的技术支持。
发明内容
针对现有技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种与事故进程相结合的硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法，为应急决策者提供更有力的技术支持。
为达到以上目的，本发明采用的一种技术方案是：一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法，所述方法与事故进程相结合，所述方法包括以下步骤：
(1)确定硝酸铀酰溶液系统是否发生临界事故；
(2)如果发生临界事故，确定硝酸铀酰溶液体积是否已知，如果体积未知，能够获取临界γ报警仪读数，且硝酸铀酰溶液为高富集，则采用NUREG-CR/6504中基于γ剂量率与时间和距离的关系曲线图的估算方法；
如果体积未知，且不能获取临界γ报警仪读数或硝酸铀酰不满足高富集要求，则采用RASCAL基于系统情景的估算方法；
(3)若体积明确，临界持续时长未知，确定溶液是否沸腾，若溶液沸腾，根据Nomura沸腾公式的适用条件判断能否使用Nomura沸腾公式，若溶液无沸腾，根据Nomura无沸腾公式的适用条件判断能否使用Nomura无沸腾公式，若Nomura沸腾公式或Nomura无沸腾公式均不适用，判断能否使用Tuck公式；
(4)若临界持续时长明确，确定硝酸铀酰溶液容器是否是内径30cm或80cm的柱形容器或内径36cm的环形容器，如果不满足上述条件，则返回步骤(3)，如果满足上述条件，则根据Barbry公式的其余适用条件判断能否使用Barbry公式；
(5)若Barbry公式不适用，则根据Olsen公式的适用条件判断能否使用Olsen公式；
(6)若Olsen公式不适用，则根据Nomura沸腾公式或Nomura无沸腾公式的适用条件判断能否使用Nomura沸腾公式或Nomura无沸腾公式；
(7)若Nomura沸腾公式或Nomura无沸腾公式不适用，则根据Tuck公式的适用条件判断能否使用Tuck公式；
(8)若Tuck公式不适用，判断能否使用NUREG-CR/6504中基于γ剂量率与时间和距离的关系曲线图的估算方法；
(9)若NUREG-CR/6504中基于γ剂量率与时间和距离的关系曲线图的估算方法不适用，则采用RASCAL基于系统情景的估算方法；
(10)判断临界是否结束，若未结束，当前获取的临界信息是否有更新，一旦有更新，再从步骤(1)开始依次执行，估算临界裂变次数。
进一步的，所述步骤(2)中NUREG-CR/6504中基于γ剂量率与时间和距离的关系曲线图的估算方法具体步骤为：
a)根据NUREG-CR/6504中基于γ剂量率与时间和距离的关系曲线图建立硝酸铀酰溶液临界裂变次数为1017时，γ剂量率随时间、距离变化的拟合公式；
b)根据上述拟合公式估算出裂变次数为1017下，不同时间、不同临界报警仪与事故点距离对应的γ剂量率；
c)计算实际临界事故总裂变次数，计算公式为：
Figure BDA0002776733650000031
式中：
D实际-实际临界γ报警仪读数；
D估算-估算的γ剂量率。
进一步的，所述步骤(2)中RASCAL基于系统情景的估算方法为：
当溶液体积＜378.5L时，估算首次裂变次数为1×1017，总裂变次数为3×1018；
当溶液体积＞378.5L时，估算首次裂变次数为1×1018，总裂变次数为3×1019；
当不知道溶液体积范围时，则假定溶液体积＞378.5L。
进一步的，所述步骤(3)中Nomura沸腾公式为：
F＝6×V×1016 (2)
式中：V-燃料溶液体积，单位为L；
适用条件：①燃料溶液密度<1.85g/cm3；②燃料溶液沸腾期间蒸发量<25％；③燃料溶液自然冷却；④燃料溶液沸腾期间未发生冷凝。
进一步的，所述步骤(3)中Nomura无沸腾公式为：
F＝2.6×V×1016 (3)
式中：V-燃料溶液体积，单位为L；
适用条件：①燃料溶液密度<1.85g/cm3；②燃料溶液自然冷却。
进一步的，所述步骤(3)中Tuck公式为：
F＝V×1017 (4)
式中：V-燃料溶液体积，单位为L；
适用条件：①燃料溶液密度<1.2g/cm3；②燃料溶液自然冷却；③燃料溶液沸腾期间未发生冷凝。
进一步的，所述步骤(4)中Barbry公式为：
F＝Vt/(3.55×10-15+6.38×10-17t) (5)
式中：
V-燃料溶液体积，单位为L；
t-临界持续时间，单位为s；
适用条件：①均匀的硝酸铀酰溶液；②燃料溶液为高富集度；③燃料溶液浓度20～360gU/L；④内径为30或80cm的柱形容器，或内径为36cm的环形容器；⑤燃料溶液体积为20～260L；⑥燃料溶液未沸腾；⑦t<600s；⑧未发生阶跃临界事故。
进一步的，所述步骤(5)中Olsen公式为：
Figure BDA0002776733650000041
式中：
VB-瞬爆阶段的燃料溶液体积，单位为L；
t-功率缓慢下降阶段的持续时间，单位为s；
适用条件：①燃料溶液为高富集度或低富集度；②柱形容器内径为30～80cm；③燃料溶液进料速率为97～1872L/h。
本发明的有益效果在于：1、本方法与事故进程相结合，根据不同的进程和所获得的数据，选择合适的估算方法，为应急决策者提供更准确的技术支持。2、建立了硝酸铀酰溶液临界裂变次数为1017下，γ剂量率随时间、距离变化的拟合公式，较NUREG-CR/6504中从曲线图中读取剂量率的方法更方便、准确。
附图说明
图1为本发明所述一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法的流程图；
图2为NUREG/CR-6504给出的U(93.2)O2(NO3)2@H/235U＝500情景下γ剂量率与时间距离的关系曲线图。
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为本发明所述方法一实施例的流程示意图，所述方法包括以下步骤：
步骤(1)：确定硝酸铀酰溶液系统是否发生临界事故。γ临界报警仪会设置阈值，当读数超过该值会发出声光报警，表示硝酸铀酰溶液系统已发生临界事故。
步骤(2)：确定硝酸铀酰溶液体积是否已知，如果体积未知，能够获取临界γ报警仪读数，且硝酸铀酰溶液为高富集，则采用NUREG-CR/6504中基于γ剂量率与时间和距离的关系曲线图的估算方法；
如果燃料溶液体积未知，且不能获取临界γ报警仪读数或硝酸铀酰不满足高富集条件，则采用RASCAL基于系统情景的估算方法。
NUREG-CR/6504推荐的基于γ剂量率与时间和距离的关系曲线图的估算方法具体计算步骤为：
a)参阅图2，图2为NUREG/CR-6504给出的U(93.2)O2(NO3)2@H/235U＝500情景下γ剂量率与时间距离的关系曲线图，根据图2建立硝酸铀酰溶液临界裂变次数为1017时，γ剂量率随时间、距离变化的拟合公式，拟合公式见表1；
表1 γ剂量率随时间、距离变化的拟合公式表
Figure BDA0002776733650000051
式中:D-估算的剂量率，X-时间
b)根据上述拟合公式估算出裂变次数为1017时，不同时间、不同临界报警仪与事故点距离对应的γ剂量率。例如，当临界发生后10s，临界报警γ剂量率监测仪表距事故点的距离为1.52m，则采用拟合公式D＝700000/x0.4649估算γ剂量率；
c)根据估算的γ剂量率与实际临界γ报警仪读数，计算实际临界事故总裂变次数，计算公式为：
Figure BDA0002776733650000061
式中：
D实际-实际临界γ报警仪读数；
D估算-估算的γ剂量率。
一般一次临界发生的瞬间，临界报警仪表会报警，但可能获取不到数据，因为剂量太高仪表堵死，但临界发生后数十秒或几分钟以后仪表会显示数据，这与仪器本身有关。当不能获取临界γ报警仪读数，且不满足高富集条件时，则采用RASCAL基于情景的估算方法，参阅表2。
表2 不同系统情景对应的裂变次数
系统情景 首次脉冲裂变次数 总裂变次数
溶液体积小于378.5L 1×10<sup>17</sup> 3×10<sup>18</sup>
溶液体积大于378.5L 1×10<sup>18</sup> 3×10<sup>19</sup>
当硝酸铀酰溶液体积范围也不明确时，则假定溶液体积＞378.5L。通过保守估算出最坏的事故情景，为应急决策提供辅助支持，决策者预估出最大的应急准备与响应。
步骤(3)：若硝酸铀酰溶液体积明确，临界持续时长未知，确定溶液是否沸腾，若溶液沸腾，根据Nomura沸腾公式的适用条件判断能否使用Nomura沸腾公式，若溶液无沸腾，根据Nomura无沸腾公式的适用条件判断能否使用Nomura无沸腾公式，若Nomura沸腾公式或Nomura无沸腾公式均不适用，判断能否使用Tuck公式。
所述Nomura沸腾公式为：
F＝6×V×1016 (2)
式中：V-燃料溶液体积，单位为L；
适用条件：①燃料溶液密度<1.85g/cm3；②燃料溶液沸腾期间蒸发量<25％；③燃料溶液自然冷却；④燃料溶液沸腾期间未发生冷凝。
所述Nomura无沸腾公式为：
F＝2.6×V×1016 (3)
式中：V-燃料溶液体积，单位为L；
适用条件：①燃料溶液密度<1.85g/cm3；②燃料溶液自然冷却。
所述Tuck公式为：
F＝V×1017 (4)
式中：V-燃料溶液体积，单位为L；
适用条件：①燃料溶液密度<1.2g/cm3；②燃料溶液自然冷却；③燃料溶液沸腾期间未发生冷凝。
步骤(4)：若临界持续时长明确，确定溶液容器是否是内径30cm或80cm的柱形容器或内径36cm的环形容器，如果不是，则返回步骤(3)，如果是，则根据Barbry公式的其余适用条件判断能否使用Barbry公式。
所述Barbry公式为：
F＝Vt/(3.55×10-15+6.38×10-17t) (5)
式中：
V-燃料溶液体积，单位为L；
t-临界持续时间，单位为s；
适用条件：①均匀的硝酸铀酰溶液；②燃料溶液为高富集度；③燃料溶液浓度20～360gU/L；④内径为30或80cm的柱形容器，或内径为36cm的环形容器；⑤燃料溶液体积为20～260L；⑥燃料溶液未沸腾；⑦t<600s；⑧未发生阶跃临界事故。
步骤(5)：若Barbry公式不适用，则根据Olsen公式的适用条件判断能否使用Olsen公式。Olsen公式为：
Figure BDA0002776733650000071
式中：
VB-瞬爆阶段的燃料溶液体积，单位为L；
t-功率缓慢下降阶段的持续时间，单位为s；
适用条件：①燃料溶液为高富集度度或低富集度；②柱形容器内径为30～80cm；③燃料溶液进料速率为97～1872L/h。
步骤(6)：若Olsen公式不适用，则根据Nomura公式的适用条件判断能否使用Nomura公式。
步骤(7)：若Nomura公式不适用，则根据Tuck公式的适用条件判断能否使用Tuck公式。
步骤(8)：若Tuck公式不适用，判断能否使用NUREG-CR/6504中基于γ剂量率与时间和距离的关系曲线图的估算方法。
步骤(9)：若NUREG-CR/6504中基于γ剂量率与时间和距离的关系曲线图的估算方法不适用，采用RASCAL基于系统情景的估算方法。
步骤(10)：判断临界是否结束，若未结束，当前获取的临界信息是否有更新，一旦有更新，再从步骤(1)开始依次执行，估算临界裂变次数。
本领域技术人员应该明白，本发明所述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 (10)

1.一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法，其特征在于，所述方法与事故进程相结合，所述方法包括以下步骤：
(1)确定硝酸铀酰溶液系统是否发生临界事故；
(2)如果发生临界事故，确定硝酸铀酰溶液体积是否已知，如果体积未知，能够获取临界γ报警仪读数，且硝酸铀酰溶液富集度达到一定要求，则采用NUREG-CR/6504中基于γ剂量率与时间和距离的关系曲线图的估算方法；
如果硝酸铀酰溶液体积未知，且不能获取临界γ报警仪读数或硝酸铀酰溶液富集度达不到一定要求，则采用RASCAL基于系统情景的估算方法；
(3)若硝酸铀酰溶液体积明确，临界事故持续时长未知，确定溶液是否沸腾，若溶液沸腾，根据Nomura沸腾公式的适用条件判断能否使用Nomura沸腾公式，若溶液无沸腾，根据Nomura无沸腾公式的适用条件判断能否使用Nomura无沸腾公式，若Nomura沸腾公式或Nomura无沸腾公式均不适用，判断能否使用Tuck公式；
(4)若临界事故持续时长明确，确定盛放硝酸铀酰溶液的容器是否是内径30cm或80cm的柱形容器或内径36cm的环形容器，如果不满足上述条件，则返回到 步骤(3)中的确定溶液是否沸腾处继续执行 ，如果满足上述条件，则根据Barbry公式的其余适用条件判断能否使用Barbry公式；
(5)若Barbry公式不适用，则根据Olsen公式的适用条件判断能否使用Olsen公式；
(6)若Olsen公式不适用，则根据Nomura沸腾公式或Nomura无沸腾公式的适用条件判断能否使用Nomura沸腾公式或Nomura无沸腾公式；
(7)若Nomura沸腾公式或Nomura无沸腾公式不适用，则根据Tuck公式的适用条件判断能否使用Tuck公式；
(8)若Tuck公式不适用，判断能否使用NUREG-CR/6504中基于γ剂量率与时间和距离的关系曲线图的估算方法；
(9)若NUREG-CR/6504中基于γ剂量率与时间和距离的关系曲线图的估算方法不适用，则采用RASCAL基于系统情景的估算方法；
(10)判断临界是否结束，若未结束，当前获取的临界信息是否有更新，一旦有更新，再从步骤(1)开始依次执行，估算临界裂变次数。
2.根据权利要求1所述的一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法，其特征在于，所述NUREG-CR/6504中基于γ剂量率与时间和距离的关系曲线图的估算方法具体步骤为：
a)根据NUREG-CR/6504中基于γ剂量率与时间和距离的关系曲线图建立硝酸铀酰溶液临界裂变次数为1017时，γ剂量率随时间、距离变化的拟合公式；
b)根据上述拟合公式估算出裂变次数为1017时，不同时间、不同临界报警仪与事故点距离对应的γ剂量率；
c)计算实际临界总裂变次数，计算公式为：
Figure FDA0002776733640000021
式中：
D实际-实际临界γ报警仪读数；
D估算-估算的γ剂量率。
3.根据权利要求1所述的一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法，其特征在于，所述步骤(2)中RASCAL基于系统情景的估算方法为：当硝酸铀酰溶液体积＜378.5L时，保守估算首次裂变次数为1×1017，总裂变次数为3×1018。
4.根据权利要求1所述的一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法，其特征在于，所述步骤(2)中RASCAL基于系统情景的估算方法为：当硝酸铀酰溶液体积＞378.5L时，保守估算首次裂变次数为1×1018，总裂变次数为3×1019。
5.根据权利要求1所述的一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法，其特征在于，所述步骤(2)中RASCAL基于系统情景的估算方法为：当不知道硝酸铀酰溶液体积范围时，则假定硝酸铀酰溶液体积＞378.5L。
6.根据权利要求1所述的一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法，其特征在于，所述Nomura沸腾公式为：
F＝6×V×1016 (2)
式中：V-燃料溶液体积，单位为L；
适用条件：①燃料溶液密度<1.85g/cm3；②沸腾期间燃料溶液蒸发量<25％；③燃料溶液自然冷却；④燃料溶液沸腾期间未发生冷凝。
7.根据权利要求1所述的一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法，其特征在于，所述Nomura无沸腾公式为：
F＝2.6×V×1016 (3)
式中：V-燃料溶液体积，单位为L；
适用条件：①燃料溶液密度<1.85g/cm3；②燃料溶液自然冷却。
8.根据权利要求1所述的一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法，其特征在于，所述Tuck公式为：
F＝V×1017 (4)
式中：V-燃料溶液体积，单位为L；
适用条件：①燃料溶液密度<1.2g/cm3；②燃料溶液自然冷却；③燃料溶液沸腾期间未发生冷凝。
9.根据权利要求1所述的一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法，其特征在于，所述Barbry公式为：
F＝Vt/(3.55×10-15+6.38×10-17t) (5)
式中：
V-燃料溶液体积，单位为L；
t-临界持续时间，单位为s；
适用条件：①均匀的硝酸铀酰溶液；②燃料溶液富集度达到一定要求；③燃料溶液浓度20～360gU/L；④内径为30或80cm的柱形容器，或内径为36cm的环形容器；⑤燃料溶液体积为20～260L；⑥燃料溶液未沸腾；⑦t<600s；⑧未发生阶跃临界事故。
10.根据权利要求1所述的一种硝酸铀酰溶液临界事故应急时总裂变次数估算方法，其特征在于，所述Olsen公式为：
Figure FDA0002776733640000031
式中：
VB-瞬爆阶段的燃料溶液体积，单位为L；
t-功率缓慢下降阶段的持续时间，单位为s；
适用条件：①燃料溶液富集度达到一定要求；②柱形容器内径为30～80cm；③燃料溶液进料速率为97～1872L/h。
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