精餾技術(shù)在CANDU型重水堆核電機(jī)組的應(yīng)用

孫大千 鄭奕

【摘 要】本文介紹了精餾技術(shù)在秦山三期CANDU型重水堆機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用情況，通過對(duì)含氘/氚重水體系進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)合某次重水精餾塔的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)模擬數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行了比對(duì)，給出了秦山三期在役重水精餾塔填料實(shí)際塔板參考值，對(duì)后續(xù)運(yùn)行和重水堆機(jī)組新精餾塔研究有實(shí)際指導(dǎo)和參考意義。

【關(guān)鍵詞】精餾;CANDU型重水堆;

1.引言

精餾技術(shù)目前是應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的分離方法之一，在工業(yè)生產(chǎn)中占有相當(dāng)?shù)谋戎兀窃诤穗娦袠I(yè)應(yīng)用較少。秦山三期CANDU6型重水堆機(jī)組由于采用重水作冷卻劑和慢化劑，因此增設(shè)了重水貯存、回收和精餾升級(jí)等系統(tǒng)或裝置。該重水精餾塔（也稱重水升級(jí)塔）采用填料塔，具有高效率、高通量、低壓降、低持液等優(yōu)勢(shì)。但是由于重水堆機(jī)組未進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)，所以原設(shè)計(jì)方并未將機(jī)組一些重要的設(shè)計(jì)資料和數(shù)據(jù)（包括重水精餾塔）提供給中方，同時(shí)由于塔內(nèi)部流體流動(dòng)及傳質(zhì)過程的復(fù)雜性，致使基于水精餾分離的精餾塔技術(shù)不易被掌握。本文擬通過對(duì)含氘/氚重水體系進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)合重水精餾塔的實(shí)際運(yùn)行情況，給出秦山三期在役重水精餾塔填料的實(shí)際塔板數(shù)。

2.CANDU型重水堆核電機(jī)組簡(jiǎn)介

CANDU型重水堆專指由加拿大原子能公司（AECL）設(shè)計(jì)的天然鈾作為燃料、重水作為冷卻劑和慢化劑的核反應(yīng)堆。目前世界上運(yùn)行的CANDU型重水堆核電機(jī)組有28臺(tái)，分別是加拿大19臺(tái)、中國(guó)2臺(tái)、羅馬尼亞2臺(tái)、韓國(guó)4臺(tái)和阿根廷1臺(tái)。CANDU型重水堆具有中子通量高（適于生產(chǎn)同位素）、不停堆換料、固有安全性好等顯著特點(diǎn)。同時(shí)，由于其使用重水作為冷卻劑和慢化劑，而重水具有價(jià)格昂貴和輻照后生成放射性氚等特性，因此增加了重水貯存、回收、精餾升級(jí)、泄漏監(jiān)測(cè)等系列設(shè)備，使得重水堆較其它堆型系統(tǒng)更多、設(shè)計(jì)和運(yùn)行更為復(fù)雜。又由于其運(yùn)行中期需要進(jìn)行壓力管更換等原因，使得重水堆核電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性并不突出。

重水在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中受到中子的輻照生成氚，氚是低能β射線發(fā)射體，最大能量為18.6 keV，平均能量為5.6 keV，進(jìn)入人體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)照射危害，并且具有滲透性強(qiáng)、易擴(kuò)散、防護(hù)難的特點(diǎn)。隨著運(yùn)行堆年的增加，重水中的氚比活度逐年增長(zhǎng)，是影響電站工作人員內(nèi)照射和電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。可以考慮研發(fā)新型重水精餾塔對(duì)慢化劑進(jìn)行處理，從根本上解決電站高氚運(yùn)行的問題。

3.重水的泄露與回收

由于重水堆機(jī)組使用重水作為冷卻劑和慢化劑，因此在日常運(yùn)行期間以及檢修期間不可避免的造成少量重水泄漏，泄漏的重水在機(jī)組中與環(huán)境內(nèi)輕水混合，被分布在機(jī)組內(nèi)潛在重水泄漏區(qū)域的重水蒸汽回收系統(tǒng)回收，回收的降級(jí)重水必須通過精餾升級(jí)到99.91wt%D2O以上，才能傳回機(jī)組系統(tǒng)復(fù)用。正常情況下，一臺(tái)重水堆機(jī)組每年回收的降級(jí)重水約800kg，這些降級(jí)重水的濃度從0.04 wt%到90 wt%，通過重水凈化系統(tǒng)凈化后，傳輸至重水精餾塔濃集到99.91wt%D2O以上后，再傳輸?shù)嚼鋮s劑系統(tǒng)或慢化劑系統(tǒng)復(fù)用。

4.重水精餾塔

4.1精餾塔引進(jìn)的背景及有限的已知技術(shù)參數(shù)

我國(guó)兩臺(tái)CANDU6型重水堆機(jī)組為容量引進(jìn)，有關(guān)商務(wù)模式為“交鑰匙工程”，因此盡管機(jī)組配套建設(shè)有重水精餾裝置，由于沒有采購裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)和制造資料，國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)并不掌握該裝置的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。加方提供中方的設(shè)計(jì)手冊(cè)，也僅限于裝置的抗震等級(jí)、處理能力和接口系統(tǒng)/設(shè)備信息等，該精餾塔的理論塔板數(shù)、實(shí)際塔板數(shù)、填料關(guān)鍵參數(shù)等都未提供給中方。

4.2精餾原理

精餾是利用混合液中各組分間揮發(fā)度的差異以實(shí)現(xiàn)高純度分離的一種操作。CANDU型重水堆核電站重水精餾裝置利用多次部分汽化和部分冷凝，使輕重水混合液中的各組分幾乎完全分離。具體實(shí)現(xiàn)過程是在圓柱形塔內(nèi)裝有一定高度的填料，在填料表面進(jìn)行氣液兩相交換。塔底再沸器受熱使底部液體部分汽化后逐層上升，用頂部抽真空的辦法在塔內(nèi)建立壓力梯度，對(duì)應(yīng)塔底至塔頂溫度依次降低的梯度，調(diào)整并保持塔中各層填料上的液體處于沸騰狀態(tài)。低沸點(diǎn)的輕組分在氣相中濃集并逐漸向上聚集，頂部冷凝后的液體部分回流入塔并逐層下流，使各層保持一定液體。上升的蒸汽與下降液體呈逆流流動(dòng)，在各層填料上相互接觸進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)交換。原料液從合適部位加入精餾裝置（塔），其液相部分下流至再沸器，氣相部分上升經(jīng)各層至塔頂。如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)輕重水的分離，即重水的精餾過程。

5.實(shí)際塔板確定

秦山三期現(xiàn)有的重水精餾塔設(shè)計(jì)目的是將機(jī)組中的降級(jí)重水升級(jí)為重水濃度大于99.91wt%的高濃重水。其塔徑、塔高等參數(shù)的設(shè)計(jì)是為H2O和D2O的分離，H2O/D2O的分離因子較D2O/DTO大，實(shí)際塔板數(shù)不高。如用于D2O/DTO的分離，很難在短時(shí)間內(nèi)降低慢化劑中的氚比活度。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)塔板數(shù)更高、體量更大的新重水精餾塔，用于快速降低慢化劑的氚比活度。為了對(duì)后續(xù)考慮建設(shè)的用于氚處理的新重水精餾塔起到引領(lǐng)作用，擬對(duì)D2O/DTO分離系統(tǒng)的氣液平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中按照如下公式計(jì)算體系中各組分蒸汽壓：

式中壓力單位為bar，溫度單位為K。考慮D2O與T2O生成DTO的反應(yīng)，且重水中氚濃度極低，因此分離因子可按式（1-4）計(jì)算：

不同溫度和壓力下，按照式（1-1）-（1-4）計(jì)算的D2O/DTO體系分離因子。

6.結(jié)束語

本文通過對(duì)含氘/氚重水體系進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)合某次重水精餾塔的實(shí)際運(yùn)行情況，給出了秦山三期在役重水精餾塔CY700氧化銅填料實(shí)際塔板參考值為4-6理論板/米，對(duì)后續(xù)國(guó)內(nèi)自行研發(fā)重水精餾塔研發(fā)有實(shí)際指導(dǎo)和參考意義。

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[4]秦山第三核電廠. 秦山第三核電廠重水堆核電站最終 安全分析報(bào)告. 第12章.

（作者單位：中核核電運(yùn)行管理有限公司）