精餾技術在CANDU型重水堆核電機組的應用

孫大千 鄭奕

【摘 要】本文介紹了精餾技術在秦山三期CANDU型重水堆機組的實際應用情況，通過對含氘/氚重水體系進行理論計算，結合某次重水精餾塔的實際運行情況，對模擬數據和實際運行情況進行了比對，給出了秦山三期在役重水精餾塔填料實際塔板參考值，對后續運行和重水堆機組新精餾塔研究有實際指導和參考意義。

【關鍵詞】精餾;CANDU型重水堆;

1.引言

精餾技術目前是應用最廣泛、技術最成熟的分離方法之一，在工業生產中占有相當的比重，但是在核電行業應用較少。秦山三期CANDU6型重水堆機組由于采用重水作冷卻劑和慢化劑，因此增設了重水貯存、回收和精餾升級等系統或裝置。該重水精餾塔（也稱重水升級塔）采用填料塔，具有高效率、高通量、低壓降、低持液等優勢。但是由于重水堆機組未進行技術引進，所以原設計方并未將機組一些重要的設計資料和數據（包括重水精餾塔）提供給中方，同時由于塔內部流體流動及傳質過程的復雜性，致使基于水精餾分離的精餾塔技術不易被掌握。本文擬通過對含氘/氚重水體系進行理論計算，結合重水精餾塔的實際運行情況，給出秦山三期在役重水精餾塔填料的實際塔板數。

2.CANDU型重水堆核電機組簡介

CANDU型重水堆專指由加拿大原子能公司（AECL）設計的天然鈾作為燃料、重水作為冷卻劑和慢化劑的核反應堆。目前世界上運行的CANDU型重水堆核電機組有28臺，分別是加拿大19臺、中國2臺、羅馬尼亞2臺、韓國4臺和阿根廷1臺。CANDU型重水堆具有中子通量高（適于生產同位素）、不停堆換料、固有安全性好等顯著特點。同時，由于其使用重水作為冷卻劑和慢化劑，而重水具有價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、泄漏監測等系列設備，使得重水堆較其它堆型系統更多、設計和運行更為復雜。又由于其運行中期需要進行壓力管更換等原因，使得重水堆核電機組的經濟性并不突出。

重水在反應堆運行過程中受到中子的輻照生成氚，氚是低能β射線發射體，最大能量為18.6 keV，平均能量為5.6 keV，進入人體內會產生內照射危害，并且具有滲透性強、易擴散、防護難的特點。隨著運行堆年的增加，重水中的氚比活度逐年增長，是影響電站工作人員內照射和電廠安全穩定運行的重要因素。可以考慮研發新型重水精餾塔對慢化劑進行處理，從根本上解決電站高氚運行的問題。

3.重水的泄露與回收

由于重水堆機組使用重水作為冷卻劑和慢化劑，因此在日常運行期間以及檢修期間不可避免的造成少量重水泄漏，泄漏的重水在機組中與環境內輕水混合，被分布在機組內潛在重水泄漏區域的重水蒸汽回收系統回收，回收的降級重水必須通過精餾升級到99.91wt%D2O以上，才能傳回機組系統復用。正常情況下，一臺重水堆機組每年回收的降級重水約800kg，這些降級重水的濃度從0.04 wt%到90 wt%，通過重水凈化系統凈化后，傳輸至重水精餾塔濃集到99.91wt%D2O以上后，再傳輸到冷卻劑系統或慢化劑系統復用。

4.重水精餾塔

4.1精餾塔引進的背景及有限的已知技術參數

我國兩臺CANDU6型重水堆機組為容量引進，有關商務模式為“交鑰匙工程”，因此盡管機組配套建設有重水精餾裝置，由于沒有采購裝置的詳細設計和制造資料，國內當時并不掌握該裝置的設計和制造技術。加方提供中方的設計手冊，也僅限于裝置的抗震等級、處理能力和接口系統/設備信息等，該精餾塔的理論塔板數、實際塔板數、填料關鍵參數等都未提供給中方。

4.2精餾原理

精餾是利用混合液中各組分間揮發度的差異以實現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。具體實現過程是在圓柱形塔內裝有一定高度的填料，在填料表面進行氣液兩相交換。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建立壓力梯度，對應塔底至塔頂溫度依次降低的梯度，調整并保持塔中各層填料上的液體處于沸騰狀態。低沸點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，在各層填料上相互接觸進行傳熱和傳質交換。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，氣相部分上升經各層至塔頂。如此往復，實現輕重水的分離，即重水的精餾過程。

5.實際塔板確定

秦山三期現有的重水精餾塔設計目的是將機組中的降級重水升級為重水濃度大于99.91wt%的高濃重水。其塔徑、塔高等參數的設計是為H2O和D2O的分離，H2O/D2O的分離因子較D2O/DTO大，實際塔板數不高。如用于D2O/DTO的分離，很難在短時間內降低慢化劑中的氚比活度。因此，需要設計一個塔板數更高、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。為了對后續考慮建設的用于氚處理的新重水精餾塔起到引領作用，擬對D2O/DTO分離系統的氣液平衡數據進行計算，計算中按照如下公式計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，且重水中氚濃度極低，因此分離因子可按式（1-4）計算：

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

6.結束語

本文通過對含氘/氚重水體系進行理論計算，結合某次重水精餾塔的實際運行情況，給出了秦山三期在役重水精餾塔CY700氧化銅填料實際塔板參考值為4-6理論板/米，對后續國內自行研發重水精餾塔研發有實際指導和參考意義。

參考文獻：

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[2]Aspen Technology Inc. Aspen Plus User Guide Version 11.1[EB/OL]. 2001.

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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 安全分析報告. 第12章.

（作者單位：中核核電運行管理有限公司）