乏燃料后处理玻璃固化产品干法贮存通风方式优化研究及仿真模拟分析

魏 刚, 王 璐

(中国核电工程有限公司建筑所，北京100840)

乏燃料后处理玻璃固化产品干法贮存通风方式优化研究及仿真模拟分析

魏 刚, 王 璐

(中国核电工程有限公司建筑所，北京100840)

本文介绍了高放发热体干法贮存的一般通风形式,采用隔热材料优化自然通风方式，并运用CFD技术对其进行模拟计算分析。研究发现采用隔热措施能有效降低发热体对混凝土结构的热影响，强化自然通风，达到节能和降低运行维护费用的效果。

发热体；干法贮存；自然通风；CFD；节能

乏燃料后处理过程中会产生高放废液，将其固化制成玻璃产品以便贮存是目前可行的方法。贮存这些产品的就是高放废液玻璃固化产品容器暂存库，其贮存产品有发热量高、辐射性强和毒性大的特点。这类发热体贮存库如果采用干法贮存的方式，就需要采用通风将发热体持续释放的衰变热导出。

目前国际上采用干法贮存所采用的通风形式各国情况不尽相同，具体见表1[1]所示。

表1 各国玻璃固化暂存库通风形式一览表Table 1 Ventilation system in dry Interim Storage Building of Vitrification Plant in different countries

本文介绍和优化研究的对象是国内第一个高放废液玻璃固化体暂存库的通风系统。

1 工程基本情况介绍：

1.1 建筑形式

贮存区共4个位于地下的贮存室存放发热体，各室有5×11个贮存井，贮存井内部空间与各井之间的贮存区空间是物理隔离的。平面图如图1，剖面图如图2所示。

图1 高放废液玻璃固化体贮存区平面图Fig.1 ISB Top view of the storage chambers

图2 高放废液玻璃固化体贮存区剖面图Fig.2 ISB Transverse section of a storage chamber

1.2 发热体概况

单个贮存室有5×11个贮存井，每个井垂直叠放7个产品容器。发热体在贮存初期衰变热为90W/产品容器，20年后衰变热降为45W/产品容器。

1.3 贮存区通风降温设计的限值

(1) 混凝土在正常运行工况或其他任何长期作用下的温度为65℃，但局部范围，如高能管道穿管区域，其允许温度可适当提高，但不宜大于95℃。[2]；

(2) 贮存井的温度限值为400℃。

2 原设计贮存区的热工模拟结果

各工况模拟的结果如表2所示。

表2 模拟结果汇总表Table 2 Summary of the simulation result

3 原设计贮存区通风方案

根据以上模拟计算结果，原通风方案为:运行前20年,在衰变热大于45W/产品容器的情况下，通风以机械通风为主，在断电或设备故障的情况下才采用自然通风，经三天内抢修后恢复机械通风；期间，当室外温度低于18.8℃时也采用自然通风降温。20年以后，在衰变热小于45W/产品容器的情况下，如果通风气流经检测符合剂量排放标准的要求，则长期采用自然通风降温。

贮存区通风系统流程图如图3所示。

图3 贮存区通风系统流程图Fig.3 Flow chart of the storage chambers

(1) 设S-2送风系统：配1台组合式空调机组，机组风机带变频器，根据送风总管的压力调节电机频率。当送风机故障，排风机正常时，进风经阀门切换改走机械旁通管道；当送、排风机同时故障时，采用自然通风，送风走自然通风旁通管道。自然通风管路为抗震I类，如“贮存区通风流程图”中粗线所示。

(2) 设AP-1排风系统：配2台风机，1用1备；排风总管设流量控制器，通过改变风机频率维持排风风量，风量控制值可以根据实际运行情况予以设定。

4 优化设计及其模拟计算

4.1 优化措施

(1) 局部保温优化：在温度较高的顶板混凝土和贮存室之间的侧壁混凝土墙的内壁上敷设保温隔热材料，其余墙体不敷设保温隔热材料。研究中经过反复试算，确定保证侧壁混凝土墙的温度不超过65℃的保温材料参数为：厚度500mm，传热系数为0.02W/m2·K。

(2) 全保温优化：在所有混凝土墙内壁全部敷设保温隔热材料。材料同前。

4.2 模型建立

(1) 贮存区模型建立

以一个贮存室为研究对象，其模型如图4所示。

图4 单个贮存室的模型图Fig.4 ISB CFD geometry model

(2) 主要边界条件的设定

a.进风温度设为32℃；

b.混凝土的热传导系数为2W/(m·K)，比热容为880J/(kg·K)，表面的散射系数ε=0.93；

c.对于自然通风的情形，在出风口设定-45Pa 的负压，该负压是不低于60m高烟囱产生的抽力；

d.管道压力损失系数为δ=2；

e.不锈钢的物理性质如表3所示;

表3 不锈钢物理性质表Table 3 Physical properties stainless steel

f.贮存室的顶板和各贮存室之间的隔墙设定为绝热，统称为绝热混凝土墙；其他墙体统称为非绝热墙体，这些非绝热墙体与环境之间的传热系数为5W/(m2·K)；

g.在贮存室内壁敷设的保温绝热材料：厚度500mm，传热系数为0.02W/M.K。在CFD软件的墙体属性中直接设定。

4.3 计算结果对比

(1) 贮存库运行初期原设计自然通风和采取优化措施后自然通风CFD模拟结果对比图如图5～图8所示。

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

(2) 模拟结果对比如表4所示。

表4 优化模拟结果汇总表Table 4 Summary of the optimized simulation result

5 结论

(1) 局部保温优化后能明显降低混凝土墙的温度，阻断发热体对混凝土墙体的直接辐射传热，有效降低混凝土结构受温度的影响。

(2) 局部保温优化措施是在绝热墙体上敷设隔热防护材料，因墙体本身向外界散热少，所以局部保温不会有效阻隔通过墙体向外界的散热，从而不会有效提高贮存区空间空气的温度。

(3) 贮存区非绝热墙体的散热是不能忽视的排热途径。在全部保温措施情况下，这些墙体不能有效散失热量，将使排风温度和贮存井的温度升高，尤其是贮存井的温升导致顶部墙体温度较局部保温优化的情况高。因此，具体的保温面积和对哪些墙面采取保温措施要根据具体工程的实际情况确定，不能盲目的采取全保温的措施。

(4) 按照模拟计算结果分析，局部保温优化后该工程在贮存库初期，只要室外进风温度不超过32℃便可以使用自然通风为贮存区降温通风。原设计是室外取风温度为18.8℃时，才可采用自然通风降温。因此局部保温优化拓宽了自然通风使用条件，延长了自然通风工况时间，减少了机械通风使用频率，延长了机械设备使用寿命，从而能达到节能和节省日常维护费用的效果。

[1] 孙东辉,浦永宁,于喜来，等. 高放废液玻璃固化电熔炉技术[M]. 北京： 原子能出版社,1995(3)：305-397.

[2] 中国核电工程有限公司. B/T 20012—2010压水堆核电厂核安全有关的混凝土结构设计规范[S]. 北京: 核工业标准化研究所, 2010.

Research and CFD Analysis of the Ventilation System in Dry Interim Storage Building of Vitrification Plant for Dealing with Spent Fuel

WEI Gang, WANG Lu

(Architecture station of CNPE，Beijing 100840, China)

This paper introduces the general ventilation system in dry Interim Storage Building(ISB) of the Vitrification Plant China for dealing with spent fuel. On this basis, using adiabatic material optimizes the natural convection and using CFD analyses the case. The research gets the result that using adiabatic material can reduce the temperature of concrete, enhance the effect of the natural convection, reduce energy consumption and maintenance expense.

Heating unit; Dry storage; Natural convection; CFD; Energy conservation

2016-07-28

魏 刚(1980—)，男，湖北，高级工程师，硕士研究生，现从事乏燃料后处理厂通风设计研究

TL93+3

A

0258-0918(2017)01-0145-09