氚在鈉冷快堆中的遷移行為和環境排放途徑研究

楊勇++鄭繼業++王鳳龍++楊洪廣+方邦城++張強++周培德

摘 要：氚是核電站源項評價的重要核素，水堆已做了大量研究，但國內尚未對鈉冷快堆氚源進行深入研究。本文給出了鈉冷快堆中一回路氚的來源分析和計算方法，建立了鈉冷快堆中氚的遷移模型，完成了示范快堆系統中氚的分布計算，給出了環境排放量和排放途徑。同時為進一步降低環境排放，給出了增加余熱排出系統和冷卻劑系統除氚的建議。

關鍵詞：氚 鈉冷快堆 環境源項

中圖分類號：TL3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（b）-0115-05

Abstract： Tritium is a important nuclide of source term， but there is not any code about tritium source term in fast reactor in China. Tritium Source， which enters into primary loop， was studied， and the model of tritium transporting in FBR was established in the paper. According to the distribution of tritium in CFR600， the key route of tritium released to the atmosphere is the route of direct release from DHRS. It is suggested that some measure to remove the tritium from sodium loop or aerator in DHRS would reduce the tritium source term released to the environment effectively.

Key Words： Tritium； Sodium coolant fast reactor； Source term

快堆作為我國核能發展的第二步，在核燃料增殖與嬗變方面將發揮重要作用。鈉冷快堆作為第四代6種候選堆型之一，是目前工程成熟度最高的，世界上已經建成21座鈉冷快堆，積累了約400堆年的實踐經驗。中國實驗快堆已于2009年臨界，2014年達到滿功率，目前正在開展示范快堆的初步設計工作，額定熱功率1500MW，采用鈉-鈉-水的三回路布置，同時設置了布置在一回路的鈉-鈉-空氣自然循環的余熱排出系統。

源項分析與環境評價工作中，氚的環境后果雖然很小，但其排放量一直是關注的焦點并單獨考慮，但氚在鈉冷快堆中的遷移與分布及其排放途徑與水堆截然不同，國內尚沒有成熟的計算分析工具。本文以示范快堆為例，分析建立了氚在鈉冷快堆中的遷移模型，分析了環境排放途徑，給出了進一步降低排放量的建議措施。

快堆中氚以擴散的方式從燃料元件或控制棒中遷移到堆芯的冷卻劑鈉內，形成氚化鈉。氚化鈉可溶解于冷卻劑鈉，氚分子也能部分溶解于鈉，并隨著冷卻劑的流動被輸送到別的地方。此外，氚與氫一樣，具有良好的滲透本領，在不銹鋼中滲透擴散。因此，氚能直接通過一回路的各種管壁釋放到環境，并通過中間熱交換器的換熱管進入二回路，繼而進入三回路，最終還是釋放到環境。此外，由于氚和氫的其他同位素氕、氘。

化學性質，甚至部分物理性質相同或類似，三回路蒸汽發生器水腐蝕產生的氫原子反向二回路擴散，繼而進入一回路，這一過程影響氚向冷阱的沉積行為。氚本身不會在鈉中飽和，但由于進入的氫超過了鈉在冷阱處的溶解度而被大量去除，一二回路中的氚也就間接被冷阱凈化去除。

因此，鈉冷快堆中氚的遷移分布必須考慮氫的擴散影響，形成從三回路向一回路的氫流和從一回路到三回路的氚流，期間一回路冷阱和二回路冷阱在除氫的同時保持對氚的一定去除率。

1 氚源

快堆中氚的來源主要有3個方面：燃料三分裂產氚、含硼組件產氚、冷卻劑及不銹鋼組件中的雜質產氚。

燃料三分裂氚產額的平均值[1]如下：

235U 236U —— 2.0×10-2%

238U 240Pu 242Pu —— 1.4×10-2%

239Pu 241Pu —— 2.5×10-2%

實際計算中采用ORIGEN2程序[2]計算得到示范快堆堆芯運行1年后的氚的累計活度為3.47×1014Bq，按照80%負荷因子得到氚的年均產量為3.56×1014Bq。由于快堆的燃料運行溫度超過2000℃，同時使用不銹鋼包殼，三分裂產生的氚幾乎100%進入一回路。

控制棒及屏蔽體通常都是用碳化硼作吸收體，硼吸收中子放出α的同時還會產生氚，根據國際經驗，快堆控制棒的產氚量約為燃料三分裂產氚量的2.4～2.7倍之間，由于控制棒和碳化硼屏蔽的吸收體溫度都比燃料芯塊低，依據俄羅斯的經驗，進入一回路的氚只有其中的5%。

燃料、冷卻劑及結構材料中的鋰、硼和氮等雜質在反應堆運行中也會產生氚；此外，在快堆中10MeV以上的中子也會與Fe、Cr和Ni等結構材料反應產生一定量的氚，但這兩項產氚率不到三分裂的1%。

因此示范快堆年均進入一回路的氚源為3.67E+14Bq/a。

2 氚在鈉冷快堆中的遷移機制

鈉冷快堆使用不銹鋼作為結構材料，因此氚的擴散與分布分為鈉和不銹鋼中的溶解問題和擴散問題。

2.1 氚在鈉中的溶解

氫元素在鈉中溶解的形式有NaH、NaOH、NaHCO3和H2，高溫液態鈉中的氫化物存在分解氫壓，鈉中氫化物的濃度與覆蓋氣腔中沒有溶解的氣態氫保持動態平衡，另一方面氫在鈉中的存在飽和溶解度濃度（見表1）。endprint

可溶性氫化物氫的分壓與氫化物的濃度的關系滿足Sievert定律：

[H]=Ks（P）1/2 （1）

公式中[H]為氫濃度（以H2計的質量濃度，ppm）；P為溶液平衡時的以Pa計的氫分壓；Ks為Sieverts常數或稱溶解度系數，是一個與鈉溫有關的數值，滿足下面的公式[3]：

（2）

2.2 氚在不銹鋼中的溶解與擴散

氫（或氚）能溶解于金屬材料或非金屬材料，也能在材料本體中擴散和滲透，包括奧氏體不銹鋼。氫在不銹鋼中的全滲透過程包括氫在不銹鋼表面的吸附，氫氣分子在表面的離解，氫溶解于不銹鋼材料本體之中，并在材料本體（或晶格）中以原子或離子或分子形式擴散，最終到達另一側表面解吸。

不銹鋼中氫的溶解度隨氫分壓的提高而增加，氫（或氚）在奧氏體不銹鋼中的溶解度遵循Sievert定律，其濃度（或稱溶解度）正比于氚氣壓的平方根：

（3）

氫（或氚）在奧氏體不銹鋼中的溶解度系數S僅依賴于溫度和不銹鋼的性質，S與溫度的關系可用阿倫尼烏斯方程式表示：

（4）

其中，S0為溶解頻率因子，單位為m3（NTP）·m-3（金屬）·Pa-0.5；Es為溶解活化能，單位為J/mol；R為氣體常數，8.32J/（mol·K）；T單位是絕對溫度K。

溶解于不銹鋼中的氫（或氚）由于濃度不同，氫原子以無規則的熱運動而產生擴散現象，擴散的最終效果是使不銹鋼中氫（或氚）的濃度均勻化。在材料的外（下游）表面，由于氫分壓更低，氫的解吸起主導作用，形成氫分子，并脫離表面自邊界層向外移動，從而形成氫（或氚）在材料中的滲透現象。穩態下的氫（或氚）在不銹鋼中的擴散行為遵從菲克第一定律，但擴散系數具有明顯的同位素效應，氕氘氚的擴散系數比值為。

氫（或氚）在材料中的滲透率量，最終可使用滲透流量表達： （5）

式中q為氫（或氚）通過不銹鋼材料膜片的滲透流量或滲透速率（mol·cm-2·s-1）；P1為被穿透的不銹鋼材料膜片上游一側的氫（或氚）分壓（Pa）；P2是下游一側的；l為不銹鋼材料膜片厚度（cm）。

滲透率φ=DS，與溫度的關系也服從阿倫尼烏斯規律，滲透活化能Hφ為溶解熱HS與擴散活化能HD之和：

（6）

3 范快堆中氚的遷移

3.1 氫的引入

由于鈉作為冷卻劑，系統運行中采用了避免水的設計，一回路中氫的來源主要來自換料過程的燃料攜帶的水汽、覆蓋氣體補氣中氬氣中的氫和水雜質、燃料三分裂和冷卻劑（n，p）反應的氫。

雖然采取了預熱烘干措施，但在換料過程中仍有少量水汽進入一回路。本文參考了美國EBR-II的數據，示范快堆換料中氫的引入速率約為1g/d，年均換料時間73d，年均引入速率為1.157E-6mol/s。根據俄羅斯BN600的運行數據，每年實際氬氣用氣量約1200m3，根據GB/T10624-1995對于高純氬氣的標準，水汽及氣態氫的體積濃度分別為4ppm和1ppm，氫的平均引入速率是8.58E-9mol/s。燃料的三分裂產氫（約產氚的1/8）和冷卻劑由于（n，p）反應產氫的總量是2.0×1014n/MJ[4]，年均引入速率是3.99E-7mol/s。

二回路的氫主要來自蒸汽發生器三回路側的水腐蝕作用，對于鈉冷快堆采用的直流式蒸汽發生器，三回路進入二回路鈉中的請流量為2.7E-7kg/m2h[5]，其數值是德國KNK-Ⅱ快堆在正常運行工況下，停止冷阱運行后根據二回路測得的氫的上升速率推算而來。示范快堆兩個環路中，每個環路8臺蒸汽發生器，單臺蒸汽發生器換熱面積為550.37m2，年均引入速率2.64E-4mol/s。

3.2 氫和氚在冷阱中的去除

示范鈉冷快堆一二回路均設置冷阱，對鈉中的氧、氫、不銹鋼腐蝕雜質進行凈化，冷阱工作溫度約130℃，對應氫的飽和溶解度為0.092ppm，一回路和每個二回路中每個環路的冷阱工作均為流量8m3/h。因此，氫的去除率為（回路中氫濃度-飽和溶解度）×冷阱流量；由于氚在鈉中遠遠達不到飽和濃度，其去除率等于氫的去除率乘以氚與氫的濃度比。

3.3 氫的平衡

由于氫在不銹鋼中的遷移與溫度密切相關，因此，對于如中間熱交換器（IHX）等典型設備，按運行溫度劃分為若干部分。以IHX的高溫段為例如，氫的擴散計算如下：壁厚1.2mm，換熱面積905m2，一回路鈉平均溫度760K，一回路鈉中氫的溶解度系數0.217mol/kgMPa0.5，二回路鈉平均溫度729.75K，二回路鈉中氫的溶解度系數0.2137mol/ kgMPa0.5，管壁平均溫度735K，管壁中氫的滲透率系數為1.1005×10-8mol/m2sMPa0.5，氫的擴散方程為：

氫擴散流=一回路氫濃度×0.03825﹣二回路氫濃度×0.03884 （7）

其他的設備的計算方法類似，但對于管道及空冷器等設備，由于其外部為空氣，標準干燥空氣中氫的體積百分份額為5.0×10-5%，也就是空氣中氫的分壓約為0.0507Pa，計算中直接使用該值。

建立平衡方程后，示范快堆中年均氫的平衡如圖1所示，主要包括以下幾個部分：（1）通過蒸汽發生器進入二回路16.6kg的氫；（2）通過中間熱交換器進入一回路702g的氫；（3）獨立熱交換器進入余熱排出系統1g的氫；（4）通過各種管壁進入空氣中的氫；（5）二次冷阱中去除15.9kg的氫；（6）一次冷阱中去除800g的氫。

3.4 氚的平衡

氚在鈉中的擴散行為與氫相同，僅在不銹鋼中的滲透率系數存在較大的差異，以快堆特有的直流式蒸汽發生器為例，氚的擴散計算過程與取值見表2。

因此，通過蒸汽發生器進入蒸汽回路的氚流為二回路氚濃度×0.0098645×16臺。其他的設備方法相同，建立平衡方程后，示范快堆中年均氫的平衡如圖2所示。endprint

根據目前示范快堆的設計，經計算一回路氚濃度2.49×107Bq/L，二回路氚濃度1.34×106Bq/L，余熱排出系統氚濃度1.07×107Bq/L，該數值可為回路的設計提供部分源項依據。環境排放量見表3。

3.5 降低氚排放可能措施

根據國際經驗，通常認為氚的環境排放在鈉冷快堆中不應是關注的問題。一方面，快堆中進入一回路的氚的總量不大；二是鈉冷快堆的冷阱在除氫的過程中間接起到了除氚的作用，美國克林奇河快堆給出環境排放的氚約占一回路氚源的2%的估計。

雖然示范快堆中氚的環境排放總量并不大，但其排放比例達到了一回路氚源的4%，其氣載排放的主要途徑是通過余熱排出系統的空冷器排入大氣。這與示范快堆采用非能動自然循環的一回路余熱排出系統有關，該設計大幅度提高了示范快堆的安全性，但獨立熱交換器巨大的換熱面積為氚的環境泄漏提供了途徑。如能夠參考ITER在通風系統設計中采用除氚的設計，在余熱排出系統的熱備用工況下，對余熱排出空冷器的通風進行一定的除氚，可大幅度降低氚的氣載排放量。

另一方面，示范快堆的一回路氚濃度明顯高于中國實驗快堆的設計，從除氫的角度，一回路冷阱的冷卻流量與一回路總裝鈉量的比值較小，如能夠提高一次冷阱的凈化效率，將進一步降低氚的環境排放量。例如假設一回路的除氫能力提升10倍后，重新計算得到的氚的環境排放量將降低到目前的1/6水平，為2.35×12Bq/a。因此，在冷阱的設計中，可結合氫計的設計，采用一定的除氫除氚措施。

4 結論與建議

通過國際調研和分析，本文建立了鈉冷快堆中氚的遷移擴散模型，完成了示范快堆中氚的分布計算，給出了環境排放氚源及其關鍵排放途徑。但由于目前尚沒有相關快堆中氚的環境排放標準，與壓水堆電站相比，示范快堆的氚的環境排放量處于同一水平。同時，示范快堆是我國自主設計的池式鈉冷快堆，可采用余熱排出系統空冷器通風中除氚，或在鈉回路中增加除氚措施的方式，進一步降低環境排放，實現氚的排放最小化。

目前本文完成了氚源的穩態近似下的計算工作，氚源和蒸汽發生器的氫源僅在反應堆運行狀態下產生，但一回路的氫源是在換料工況下引入，二者時間上不同步，屬于瞬態問題。雖然數值上影響不大，后續將進一步完成系統的瞬態遷移模型，并編制相關的計算分析程序，為快堆源項分析設計提供工具手段。

參考文獻

[1] PEAKTOP B CBOPE.反應堆裝置的屏蔽計算[R].莫斯科：俄羅斯聯邦原子能部機械制造試驗設計院，1996.

[2] A G Croff.A User's Manual For The ORIGEN2 Code[R].ORNL/TM-7175，1980.

[3] Fission and Corrosion Product Behavior in Liquid Metal Fast Breeder Reactor[R].IAEA-TECDOC-687，1993.endprint