CN112699335A - 后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故释放源项估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故释放源项估算方法，所述方法包括如下步骤：根据氢气浓度监测值判断是否可能发生爆炸；若可能发生爆炸，则计算爆炸冲击波超压；根据冲击波超压判断贮槽完整性；若贮槽被破坏，则计算蒸发的高放废液质量，以及释放至设备室和环境的各核素的活度。利用本发明提供的估算方法，能够快速获取后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故的释放源项，为应急响应和后果评价提供基础的输入条件。

Description

后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故释放源项估算方法

技术领域

本发明属于后处理厂应急工况释放源项研究技术领域，具体涉及一种后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故释放源项估算方法。

背景技术

高放废液指放射性核素的含量或浓度高，释热量大，操作和运输过程中需要特殊屏蔽的液态放射性废物。高放废液多数以碱性废液为主，大部分未经过蒸发浓缩，放射性浓度偏低，废液贮槽包括：碳钢衬里的混凝土槽、碳钢槽和不锈钢贮槽，在高放废液贮存过程中，大量的裂变核素在发生衰变的过程中，会自发的释放能量，释放的能量会使得高放废液的温度升高，从而使得贮存的高放废液蒸发，蒸发的高放废液会腐蚀贮存高放废液的废物桶，从而对高放废液的安全贮存产生直接危害。同时，高放废液在贮存过程中会产生可燃性气体氢气，若高放废液贮槽中的氢气未能及时排出或稀释，当混合气体中氢气浓度达到爆炸极限，遇明火有爆炸的可能。印度学者的研究认为，当氢气体积百分比为4％-74％可能发生燃烧，体积百分比达到13％以上可能发生爆炸。

高放废液的工艺控制在其贮存过程中至关重要，对高放废液贮存中的参数控制影响废液的安全性，并对监测参数进行在线检测，确保废液运行参数的真实性，根据运行的工艺参数分析高放废液贮存状况。高放废液控制主要工艺参数包括液温、负压、氢浓度、液位等。

氢气爆炸理论已较为成熟，针对此类化学爆炸可使用蒸汽云爆炸模型。蒸汽云爆炸是由于气体或易于挥发的液体燃料的大量快速泄漏，与周围空气混合行程覆盖很大的范围的“预混云”，在某一有限空间遇点火而导致的爆炸。气云点燃后的燃烧模式最可能是爆燃，而不是爆轰。爆燃是沿着波的前锋在压力和密度上都减小的膨胀波，属于亚声速的范围。可燃气云和空气的预混物在低能量点火下就会发生爆燃。蒸汽云爆炸造成伤害的主要因素是冲击波，冲击波伤害、破坏作用评定准则有超压准则、冲量准则和超压-冲量准则。

历史上未发生过高放废液贮槽氢气爆炸事故。1957年，苏联高放废物罐冷却系统失效引起化学爆炸，依据国际核事件分级表，这一事件被定为重大核事故6级。Kyshtym的高放废液储存在混凝土水冷贮槽中，按其产生的集体剂量来看，是世界第二大核事故。储存罐内储存了1EBq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。目前未见公开文献报道专用于贮槽氢气爆炸事故的释放源项分析软件及方法。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故释放源项估算方法，以快速获取后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故的释放源项，为应急决策提供支持。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故释放源项估算方法，所述方法包括如下步骤：

步骤(1)，根据氢气浓度监测值判断是否可能发生爆炸；

步骤(2)，若可能发生爆炸，则计算爆炸冲击波超压，若不可能发生爆炸，则结束计算；

步骤(3)，根据冲击波超压判断贮槽完整性：若高放废液贮槽壁面承受的冲击波超压大于其设计压力，则认为贮槽破裂，否则认为贮槽完整，则结束计算；

步骤(4)，若贮槽被破坏，则计算爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量，以及后续蒸发的高放废液质量，根据爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量以及后续蒸发的高放废液质量，计算爆炸后瞬间释放至设备室的各核素的活度，以及后续释放至设备室的各核素的活度；

步骤(5)，根据爆炸后瞬间释放至设备室的各核素的活度，以及后续释放至设备室的各核素的活度，计算爆炸后瞬间从设备室释放至外界环境的各核素的活度，以及后续从设备室释放至外界环境的各核素的活度。

进一步地，所述步骤(1)的具体方法为：

根据高放废液贮槽氢气浓度监测值c_H2判断是否会发生氢气爆炸，假设爆炸极限上限为

爆炸极限下限为

若

则认为可能发生氢气爆炸，否则认为不可能发生爆炸。

进一步地，所述步骤(2)的冲击波超压的计算方法为：

步骤(a)，计算火焰表面积A_f，m²：

若在贮槽壁面点火A_f＝0.5A_in，若在贮槽中心点火A_f＝0.5A_in；

其中，A_in为贮槽内表面积，m²；

步骤(b)，计算爆炸云半径R_cl，m：

R_cl＝0.5V^0.3；

其中V为贮槽体积，m³

步骤(c)，使用公式(1)计算冲击波超压p；

式中：

F₁、F₂是与氢气浓度相关的参数；

β₁、β₂是与氢气状态及贮槽内障碍物相关的参数；

A_V为泄压面积，m²；

L为贮槽特征长度，m。

进一步地，所述步骤(4)计算爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量的具体方法包括：

步骤(a)使用公式(2)计算设备室压力对应的高放废液饱和温度；

式中：

T_W为高放废液某一压力下对应的饱和温度，K；

P₀为设备室压力，Pa；

A、B、C为常数，当高放废液温度大于483K时，A、B、C的值分别为17.65216、5204.082、32.5，当高放废液温度小于或等于483K时，A、B、C的值分别为16.37379、3876.659、-43.42。

步骤(b)使用公式(3)计算爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量：

式中：

M_evap为爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量，kg；

C_{p_HLLW}为高放废液比热容，J/(kg·K)；

T为高放废液温度，K；

H_{fg_HLLW}为高放废液汽化潜热，J/kg。

进一步地，所述步骤(4)计算后续蒸发的高放废液质量的具体方法包括：步骤(a)，根据公式(4)计算高放废液的饱和压力

p_w＝1000×exp(A-B/(T+C))，公式(4)

式中：T为高放废液温度，K；A、B、C均为常数，当高放废液温度大于483K时，A、B、C的值分别为17.65216、5204.082、32.5；当高放废液温度小于或等于483K时，A、B、C的值分别为16.37379、3876.659、-43.42。

步骤(b)，根据公式(5)计算高放废液蒸发速率：

式中：

M_W为高放废液蒸发速率，kg/s；

D为高放废液扩散系数，m²/s；

P₀为设备室压力，Pa；

R_W为高放废液蒸汽的气体常数，m²/(s·K)；

h为设备室高度，m；

S为设备室地面面积，m²。

步骤(c)，用步骤(b)中计算的蒸发速率乘以蒸发时间即后续蒸发的高放废液质量，爆炸事故一旦发生，如果贮槽破损高放废液就会洒落至设备室地面，所以事故开始的时刻即为蒸发开始的时刻，蒸发时间取事故持续时间。

本发明的有益效果在于：本发明针对现有技术的空白，提供了一种后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故释放源项估算方法，能够快速获取后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故的释放源项，为应急响应和后果评价提供基础的输入条件。

附图说明

图1为本发明提供的后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故释放源项估算方法的流程框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

如图1所示，本发明提供一种后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故释放源项估算方法，包括如下步骤：

步骤100：根据氢气浓度监测值判断是否可能发生爆炸：具体方法为：

根据高放废液贮槽氢气浓度监测值c_H2判断是否会发生氢气爆炸，假设爆炸极限上限为

爆炸极限下限为

若

则认为可能发生氢气爆炸，否则认为不可能发生爆炸。

步骤200，若可能发生爆炸，则计算爆炸冲击波超压，若不可能发生爆炸，则结束计算；冲击波超压的计算方法为：

步骤101，计算火焰表面积A_f，m²：

若在贮槽壁面点火A_f＝0.5A_in，若在贮槽中心点火A_f＝0.5A_in；其中，A_in为贮槽内表面积，m²；

步骤102，计算爆炸云半径R_cl，m：

R_cl＝0.5V^0.3；其中V为贮槽体积，m³

步骤103，使用公式(1)计算冲击波超压p；

式中：

F₁、F₂是与氢气浓度相关的参数，取值见表1；β₁、β₂是与氢气状态及贮槽内障碍物相关的参数，取值见表2；A_V为泄压面积，m²；L为贮槽特征长度，m。

表1 F₁、F₂取值表

表2 β₁、β₂取值表

步骤300，根据冲击波超压判断贮槽完整性：若高放废液贮槽壁面承受的冲击波超压大于其设计压力，则认为贮槽破裂，否则认为贮槽完整，则结束计算；

步骤400，若贮槽被破坏，则计算爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量，以及后续蒸发的高放废液质量，根据爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量以及后续蒸发的高放废液质量，计算爆炸后瞬间释放至设备室的各核素的活度，以及后续释放至设备室的各核素的活度；

计算爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量的具体方法包括：

步骤401，使用公式(2)计算设备室压力对应的高放废液饱和温度；

式中：

T_W为高放废液某一压力下对应的饱和温度，K；P₀为设备室压力，Pa；

A、B、C为常数，当高放废液温度大于483K时，A、B、C的值分别为17.65216、5204.082、32.5，当高放废液温度小于或等于483K时，A、B、C的值分别为16.37379、3876.659、-43.42。

步骤402，使用公式(3)计算爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量：

式中：M_evap为爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量，kg；C_{p_HLLW}为高放废液比热容，J/(kg·K)；T为高放废液温度，K；H_{fg_HLLW}为高放废液汽化潜热，J/kg。

计算后续蒸发的高放废液质量的具体方法包括：

步骤403，根据公式(4)计算高放废液的饱和压力

p_w＝1000×exp(A-B/(T+C))， 公式(4)

式中：T为高放废液温度，K；A、B、C均为常数，当高放废液温度大于483K时，A、B、C的值分别为17.65216、5204.082、32.5；当高放废液温度小于或等于483K时，A、B、C的值分别为16.37379、3876.659、-43.42。

步骤404，根据公式(5)计算高放废液蒸发速率：

式中：

M_W为高放废液蒸发速率，kg/s；D为高放废液扩散系数，m²/s；P₀为设备室压力，Pa；R_W为高放废液蒸汽的气体常数，m²/(s·K)；h为设备室高度，m；S为设备室地面面积，m²。

步骤405，用步骤404中计算的蒸发速率乘以蒸发时间即后续蒸发的高放废液质量，爆炸事故一旦发生，如果贮槽破损高放废液就会洒落至设备室地面，所以事故开始的时刻即为蒸发开始的时刻，蒸发时间取事故持续时间。

步骤500，根据爆炸后瞬间释放至设备室的各核素的活度，以及后续释放至设备室的各核素的活度，计算爆炸后瞬间从设备室释放至外界环境的各核素的活度，以及后续从设备室释放至外界环境的各核素的活度。

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。上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故释放源项估算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤(1)，根据氢气浓度监测值判断是否可能发生爆炸；

步骤(2)，若可能发生爆炸，则计算爆炸冲击波超压，若不可能发生爆炸，则结束计算；

步骤(3)，根据冲击波超压判断贮槽完整性：若高放废液贮槽壁面承受的冲击波超压大于其设计压力，则认为贮槽破裂，否则认为贮槽完整，则结束计算；

步骤(4)，若贮槽被破坏，则计算爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量，以及后续蒸发的高放废液质量，根据爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量以及后续蒸发的高放废液质量，计算爆炸后瞬间释放至设备室的各核素的活度，以及后续释放至设备室的各核素的活度；

步骤(5)，根据爆炸后瞬间释放至设备室的各核素的活度，以及后续释放至设备室的各核素的活度，计算爆炸后瞬间从设备室释放至外界环境的各核素的活度，以及后续从设备室释放至外界环境的各核素的活度。

2.根据权利要求1所述的后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故释放源项估算方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体方法为：

根据高放废液贮槽氢气浓度监测值c_H2判断是否会发生氢气爆炸，假设爆炸极限上限为

爆炸极限下限为

若

则认为可能发生氢气爆炸，否则认为不可能发生爆炸。

3.根据权利要求1所述的后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故释放源项估算方法，其特征在于，所述步骤(2)的冲击波超压的计算方法为：

步骤(a)，计算火焰表面积A_f，m²：

若在贮槽壁面点火A_f＝0.5A_in，若在贮槽中心点火A_f＝0.5A_in；

其中，A_in为贮槽内表面积，m²；

步骤(b)，计算爆炸云半径R_cl，m：

R_cl＝0.5V^0.3；

其中V为贮槽体积，m³

步骤(c)，使用公式(1)计算冲击波超压p；

式中：

F₁、F₂是与氢气浓度相关的参数；

β₁、β₂是与氢气状态及贮槽内障碍物相关的参数；

A_V为泄压面积，m²；

L为贮槽特征长度，m。

4.根据权利要求1所述的后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故释放源项估算方法，其特征在于，所述步骤(4)计算爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量的具体方法包括：

步骤(a)使用公式(2)计算设备室压力对应的高放废液饱和温度；

式中：

T_W为高放废液某一压力下对应的饱和温度，K；

P₀为设备室压力，Pa；

A、B、C为常数，当高放废液温度大于483K时，A、B、C的值分别为17.65216、5204.082、32.5，当高放废液温度小于或等于483K时，A、B、C的值分别为16.37379、3876.659、-43.42。

步骤(b)使用公式(3)计算爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量：

式中：

M_evap为爆炸后瞬间蒸发的高放废液质量，kg；

C_{p_HLLW}为高放废液比热容，J/(kg·K)；

T为高放废液温度，K；

H_{fg_HLLW}为高放废液汽化潜热，J/kg。

5.根据权利要求1所述的后处理厂高放废液贮槽氢气爆炸事故释放源项估算方法，其特征在于，所述步骤(4)计算后续蒸发的高放废液质量的具体方法包括：步骤(a)，根据公式(4)计算高放废液的饱和压力

p_w＝1000×exp(A-B/(T+C))， 公式(4)

式中：T为高放废液温度，K；A、B、C均为常数，当高放废液温度大于483K时，A、B、C的值分别为17.65216、5204.082、32.5；当高放废液温度小于或等于483K时，A、B、C的值分别为16.37379、3876.659、-43.42。

步骤(b)，根据公式(5)计算高放废液蒸发速率：

式中：

M_W为高放废液蒸发速率，kg/s；

D为高放废液扩散系数，m²/s；

P₀为设备室压力，Pa；

R_W为高放废液蒸汽的气体常数，m²/(s·K)；

h为设备室高度，m；

S为设备室地面面积，m²。

步骤(c)，用步骤(b)中计算的蒸发速率乘以蒸发时间即后续蒸发的高放废液质量，爆炸事故一旦发生，如果贮槽破损高放废液就会洒落至设备室地面，所以事故开始的时刻即为蒸发开始的时刻，蒸发时间取事故持续时间。

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