離心級聯精料豐度波動原因及調節策略

許小龍　王鵬　賴雪梅

【摘 要】精料收料容器平均豐度是鈾濃縮工廠生產過程的主要控制指標。離心級聯精料豐度的波動直接影響精料收料容器平均豐度。通過觀測國內離心級聯實際運行情況，結合離心分離基礎原理，對離心級聯精料豐度波動的原因進行了分析。針對目前離心級聯精料豐度調節的標準化程度低，缺乏過程控制，存在過多調節、混合損失大、總體風險高的問題，進行了離心級聯精料豐度調節策略研究。級聯精料豐度波動的客觀現象不可避免，主要原因是當前工藝水平下分離級貧料壓強與級聯供料流量，水溫與空氣溫度，輕雜質含量是持續波動的。在此基礎上，提出了級聯精料豐度調節標準流程，整個過程分為初始階段、調節階段和風險控制階段。

【關鍵詞】離心級聯;豐度調節;標準化;流程

中圖分類號： F416.23文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）17-0020-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.008

0 引言

鈾濃縮是生產核電站燃料的重要工藝環節，離心法是目前國際上主流的鈾濃縮生產方法，具有安全、可靠、經濟性高的特點。天然鈾中235U豐度占0.711%，鈾濃縮工廠用于將天然鈾中235U豐度提高至核燃料制備水平需要的2%～5%。235U豐度是鈾濃縮工廠產品出廠的重要指標，精料收料容器平均豐度是鈾濃縮工廠生產過程的主要控制指標。在實際的鈾濃縮過程中，為了保證精料收料容器的平均豐度，在整個容器的收料周期過程中，會對離心級聯精料豐度進行實時檢測，一般控制級聯精料豐度檢測值與計算值相對偏差保持在±2%的水平[1]。郝學元、楊樹青等人研究表明，目前的質譜分析技術可以有效保證精料豐度測量精度達到0.001%[2]。付強、趙魯寶、凈小寧等人對精料影響因素進行了分類并提出了離心級聯精料豐度的自動化控制策略[1]。

離心級聯精料豐度在生產過程中始終在一定范圍內波動。行業內對波動原因的全面分析和深入探索的相關著述較少，對于這種波動是否可能消除或者減少，還是不可避免缺乏論述。此外，離心級聯精料豐度持續波動的客觀存在要求工藝人員在生產過程中對離心級聯的精料豐度進行調節。目前調節的操作只明確了“保證收料容器退出收料時容器內平均豐度合格”的目標，但對于何時調節、調節多少等缺乏過程指導、控制，導致級聯精料豐度調節過程中存在過多調節，增加了混合損失，以及風險較高的問題。文章通過觀測國內離心級聯運

行情況，結合離心分離基礎理論[3]，對精料豐度波動的影響因素進行全面的歸納分析，并結合實際運行情況研究離心級聯精料豐度控制策略。

1 精料豐度波動原因分析

在鈾濃縮工程生產過程中為了加強對離心級聯精料豐度的監控，每4小時從離心級聯精料流中采樣進行質譜分析，在發現豐度異常或者進行了調節操作后會增加取樣頻次，圖1是連續觀測記錄某離心級聯精料豐度波動的情況。級聯計算過程相關研究表明[4]，離心級聯各級貧料壓強和供料流流量與精料豐度相關。離心分離基礎理論表明單機分離性能與溫度工況相關，溫度工況在運行實踐過程中主要表現為離心機冷卻水溫度和空氣溫度。此外，離心級聯運行實踐表明級聯中的輕雜質含量與精料豐度相關。

1.1 分離級貧料壓強與級聯供料流量

目前國內外的鈾濃縮用離心級聯可以分為剛性級聯和柔性級聯[4]，兩種類型級聯計算過程類似。圖2是剛性級聯結構示意圖，其中每一個矩形代表了級聯中的一級，每一級貧料壓強不同，可單獨調整。F、C0分別為級聯供料流量和供料豐度，W、CW分別為級聯貧料流量和貧料豐度，P、CP分別為級聯精料流量和精料豐度，其中F參數可以通過專用裝置調整。級聯各分離級的貧料壓強（包括每一級的壓強數值）和供料流量能夠決定級聯狀態，并最終決定級聯精料豐度[4]。級聯中各分離級貧料壓強由各自的壓強調節器來保證穩定，通過專用儀表可實時監測壓強;供料流量主要有供料流的流量調節器來保證，與孔板前壓強滿足音速孔板條件，可以孔板前壓強間接監測供料流量。通過對國內某級聯運行數據觀測，分離級貧料壓強波動的幅度約為0.2mmhg，孔板前壓強波動幅度約為0.1mmhg。

1.2 水溫與空氣溫度

離心機的分離過程（即235U豐度提高的過程）是可分為徑向分離過程和軸向分離過程。徑向分離過程由235U與238U在離心場中的不同壓強分布決定。軸向分離是在徑向分離的基礎上由于機械、溫度等驅動，工作氣體（包含235U與235U）在離心機轉筒內形成內部環流形成軸向的二次分離。無論是徑向分離還是軸向分離都與溫度工況有關。離心機冷卻水溫度通過專用冷卻水循環系統來維持，空氣溫度通過專用空調系統來維持。冷卻水溫度和空氣溫度可以通過溫度計測點進行檢測。通過對國內某級聯運行數據觀測，冷卻水溫度的波動幅度約為0.1℃，空氣溫度的波動幅度為0.3℃。

1.3 輕雜質含量

級聯中的輕雜質主要來源于供料帶入的輕雜質，腐蝕損耗產生的輕雜質和系統微漏[5]。級聯中的輕雜質會向精料端機組集中，會使得同樣的離心機精料孔板前壓力下，實際通過孔板的工作氣體流量變小，最終使得離心機分流比減小。此外積累在精料流中的輕雜質會使得通過精料流孔板的精料流量變小。同時，級聯中的輕雜質會通過精料收料容器的間歇凈化而減少。級聯中的輕雜質含量會在一定范圍內波動。因為精料流量與豐度的乘積在一定范圍內基本是常數，所以精料豐度也會有所影響。

2 精料豐度調節策略

導致離心級聯精料波動的諸多因素是不可避免的，在當前階段也難以找到合理經濟的做法使其大幅減弱甚至消除，這就決定了應在離心級聯精料波動這一事實的基礎上尋求合理的精料豐度調節策略，明確調節過程，實現降本增效、風險可控。

2.1 基本假設

根據國內某離心級聯運行情況，提出以下假設：

（1）離心級聯生產豐度為4.45%的精料產品，收料容器收料周期約為15天;

（2）離心級聯精料豐度能夠在線檢測，至少每4小時能完成一次分析，豐度數據精度達到0.001%;

（3）收料容器平均豐度計算時，如果沒有進行豐度調節操作，精料豐度與截止當前時間的最后一次豐度檢測結果相同;如果進行了豐度調節操作，以調節時間點為界限，調節時間以前的精料豐度與最后一次豐度檢測結果相同，調節時間以后的精料豐度與調節后第一次豐度檢測結果相同。

2.2 豐度調節的目標

根據產品質量要求，兼顧降本增效，離心級聯精料豐度調節目標設定如下：

（1）確保收料容器完成收料時的容器內物料的平均豐度在4.449%～4.451%之間;

（2）減少整個收料周期內混合損失;

（3）減少收料周期內人工調節次數。

2.3 流程設計

根據產品質量要求，收料容器完成收料時的容器內物料的平均豐度應控制在4.449%～4.451%，但是級聯精料豐度的正常波動范圍遠大于0.002%。如果想在收料初期保證平均豐度為4.449%～4.451%，那需要進行頻繁的調節級聯精料豐度。合理的做法是在收料初期，將級聯精料豐度控制在合理范圍內即可。在收料容器內收集了一定質量物料后，再對其進行調節，調節過程中避免迅速將平均豐度調節至規定范圍內。這種調節過程分離功混合損失較大，調節時豐度波動大，而且后期在較長時間內需要重復調節，一種較好的調節過程是在一個較長的時間內將容易平均豐度逐漸調節至規定范圍。在收料末期，收料容器平均豐度符合規定要求，收料容器中的物料質量很大，此時級聯精料豐度的波動對其影響較小，在此階段主要是注意異常情況下的風險控制。如上所述，將整個收料周期劃分為初始階段、調節階段和風險控制階段。

假設整個收料周期為15天，可以設定初始階段為5天，調節階段為8天，風險控制階段為2天。以Cp表示級聯精料豐度，Cr表示收料容器平均豐度，Tr表示產品容器收料時長（小時），Cb表示調節級聯精料豐度時的目標豐度，用于計算或查找需要調節的精料流孔板前壓強或者精料端部機組的貧料壓強的目標值，Cx表示如果不進行豐度調節按照當前情況收料至某階段結束時收料容器平均豐度。

2.3.1 初始階段

圖3是初始階段級聯精料豐度調節流程圖。在初始階段，只需將級聯精料豐度Cp控制在4.44%～4.46%范圍內即可，這一范圍涵蓋級聯精料豐度波動的正常范圍，因此需要人為調節的概率較小。

2.3.2 調節階段

圖4是調節階段級聯精料豐度調節流程圖，這一階段目標是用8天時間將收料容器平均豐度平穩調整到4.449%～4.451%范圍內。調整的目標豐度Cb應滿足公式：

Cr×Tr+Cb（13×24-Tr）=4.450×13×24

調整后取樣分析得到的第一個豐度數據Cp即使不等于目標豐度Cb，但能滿足Cx在4.449%～4.451%范圍內依然不進行調整，否則繼續調整。

2.3.3 風險控制階段

風險控制階段時間為2天，精料豐度的調節原則與調節階段基本相同。因為在調節階段結束時收料容器平均豐度已經在4.449%～4.451%范圍內，容器中的物料質量比較大，因此在風險控制階段正常的豐度波動對收料容器平均豐度影響較小，在這一階段進行調節的概率較小。這一階段強調風險的控制，如果因為運行工況異常導致精料豐度有較大偏差，立即轉換收料容器，精料豐度正常后再轉回，確保收料容器平均豐度合格。

3 結論

（1）在當前離心級聯裝備及運行水平下，離心級聯的分離級貧料壓強波動的幅度約為0.2mmhg，孔板前壓強波動幅度約為0.1mmhg，冷卻水溫度的波動幅度約為0.1℃，空氣溫度的波動幅度為0.3℃，同時輕雜質含量也在周期性波動，這些因素通過影響級聯計算的準確性或者離心機本身分離能力導致離心級聯精料豐度不可避免的波動，波動的幅度一般在0.02%以內。

（2）按照收料容器收料周期將精料豐度調節分為初始階段、調節階段和風險控制階段，能夠加強豐度調節的過程控制，避免出現過多調節、混合損失大且總體風險高等問題。在初始階段為5天，只需將級聯精料豐度控制在4.44%～4.46%即可;調節階段為8天，目標是用8天時間將收料容器平均豐度平穩調整到4.449%～4.451%范圍內;風險控制階段為2天，強調遇到運行工況異常導致精料豐度有較大偏差時立即轉換收料容器，精料豐度正常后再轉回，確保收料容器平均豐度合格。

【參考文獻】

[1]付強，趙魯寶，凈小寧.離心分離鈾濃縮工廠產品豐度自動化控制研究[A].中國核科學技術進展報告（第五卷）——中國核學會2017年學術年會論文集第4冊（同位素分離分卷）[C].2017.

[2]郝學元，楊樹青.鈾濃縮工藝同位素控制分析方法的精確度試驗與誤差校正[A].2007年全國質譜學會無機質譜、同位素質譜、質譜儀器和教育學專業委員會學術交流會論文集[C].2007.

[3]張存鎮主編.離心分離理論[M].原子能出版社，1987.

[4]陶麗茹.剛性級聯物理性能初步理論研究[J].原子能科學技術，2014（S1）.

[5]楊小松，李紅彥，孫繼全.級聯輕雜質含量計算和分析[J].科技視界，2016（01）.