氚在钠冷快堆中的迁移行为和环境排放途径研究

杨勇++郑继业++王凤龙++杨洪广+方邦城++张强++周培德

摘 要：氚是核电站源项评价的重要核素，水堆已做了大量研究，但国内尚未对钠冷快堆氚源进行深入研究。本文给出了钠冷快堆中一回路氚的来源分析和计算方法，建立了钠冷快堆中氚的迁移模型，完成了示范快堆系统中氚的分布计算，给出了环境排放量和排放途径。同时为进一步降低环境排放，给出了增加余热排出系统和冷却剂系统除氚的建议。

关键词：氚 钠冷快堆 环境源项

中图分类号：TL3 文献标识码：A 文章编号：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

快堆作为我国核能发展的第二步，在核燃料增殖与嬗变方面将发挥重要作用。钠冷快堆作为第四代6种候选堆型之一，是目前工程成熟度最高的，世界上已经建成21座钠冷快堆，积累了约400堆年的实践经验。中国实验快堆已于2009年临界，2014年达到满功率，目前正在开展示范快堆的初步设计工作，额定热功率1500MW，采用钠-钠-水的三回路布置，同时设置了布置在一回路的钠-钠-空气自然循环的余热排出系统。

源项分析与环境评价工作中，氚的环境后果虽然很小，但其排放量一直是关注的焦点并单独考虑，但氚在钠冷快堆中的迁移与分布及其排放途径与水堆截然不同，国内尚没有成熟的计算分析工具。本文以示范快堆为例，分析建立了氚在钠冷快堆中的迁移模型，分析了环境排放途径，给出了进一步降低排放量的建议措施。

快堆中氚以扩散的方式从燃料元件或控制棒中遷移到堆芯的冷却剂钠内，形成氚化钠。氚化钠可溶解于冷却剂钠，氚分子也能部分溶解于钠，并随着冷却剂的流动被输送到别的地方。此外，氚与氢一样，具有良好的渗透本领，在不锈钢中渗透扩散。因此，氚能直接通过一回路的各种管壁释放到环境，并通过中间热交换器的换热管进入二回路，继而进入三回路，最终还是释放到环境。此外，由于氚和氢的其他同位素氕、氘。

化学性质，甚至部分物理性质相同或类似，三回路蒸汽发生器水腐蚀产生的氢原子反向二回路扩散，继而进入一回路，这一过程影响氚向冷阱的沉积行为。氚本身不会在钠中饱和，但由于进入的氢超过了钠在冷阱处的溶解度而被大量去除，一二回路中的氚也就间接被冷阱净化去除。

因此，钠冷快堆中氚的迁移分布必须考虑氢的扩散影响，形成从三回路向一回路的氢流和从一回路到三回路的氚流，期间一回路冷阱和二回路冷阱在除氢的同时保持对氚的一定去除率。

1 氚源

快堆中氚的来源主要有3个方面：燃料三分裂产氚、含硼组件产氚、冷却剂及不锈钢组件中的杂质产氚。

燃料三分裂氚产额的平均值[1]如下：

235U 236U —— 2.0×10-2%

238U 240Pu 242Pu —— 1.4×10-2%

239Pu 241Pu —— 2.5×10-2%

实际计算中采用ORIGEN2程序[2]计算得到示范快堆堆芯运行1年后的氚的累计活度为3.47×1014Bq，按照80%负荷因子得到氚的年均产量为3.56×1014Bq。由于快堆的燃料运行温度超过2000℃，同时使用不锈钢包壳，三分裂产生的氚几乎100%进入一回路。

控制棒及屏蔽体通常都是用碳化硼作吸收体，硼吸收中子放出α的同时还会产生氚，根据国际经验，快堆控制棒的产氚量约为燃料三分裂产氚量的2.4～2.7倍之间，由于控制棒和碳化硼屏蔽的吸收体温度都比燃料芯块低，依据俄罗斯的经验，进入一回路的氚只有其中的5%。

燃料、冷却剂及结构材料中的锂、硼和氮等杂质在反应堆运行中也会产生氚；此外，在快堆中10MeV以上的中子也会与Fe、Cr和Ni等结构材料反应产生一定量的氚，但这两项产氚率不到三分裂的1%。

因此示范快堆年均进入一回路的氚源为3.67E+14Bq/a。

2 氚在钠冷快堆中的迁移机制

钠冷快堆使用不锈钢作为结构材料，因此氚的扩散与分布分为钠和不锈钢中的溶解问题和扩散问题。

2.1 氚在钠中的溶解

氢元素在钠中溶解的形式有NaH、NaOH、NaHCO3和H2，高温液态钠中的氢化物存在分解氢压，钠中氢化物的浓度与覆盖气腔中没有溶解的气态氢保持动态平衡，另一方面氢在钠中的存在饱和溶解度浓度（见表1）。endprint

可溶性氢化物氢的分压与氢化物的浓度的关系满足Sievert定律：

[H]=Ks（P）1/2 （1）

公式中[H]为氢浓度（以H2计的质量浓度，ppm）；P为溶液平衡时的以Pa计的氢分压；Ks为Sieverts常数或称溶解度系数，是一个与钠温有关的数值，满足下面的公式[3]：

（2）

2.2 氚在不锈钢中的溶解与扩散

氢（或氚）能溶解于金属材料或非金属材料，也能在材料本体中扩散和渗透，包括奥氏体不锈钢。氢在不锈钢中的全渗透过程包括氢在不锈钢表面的吸附，氢气分子在表面的离解，氢溶解于不锈钢材料本体之中，并在材料本体（或晶格）中以原子或离子或分子形式扩散，最终到达另一侧表面解吸。

不锈钢中氢的溶解度随氢分压的提高而增加，氢（或氚）在奥氏体不锈钢中的溶解度遵循Sievert定律，其浓度（或称溶解度）正比于氚气压的平方根：

（3）

氢（或氚）在奥氏体不锈钢中的溶解度系数S仅依赖于温度和不锈钢的性质，S与温度的关系可用阿伦尼乌斯方程式表示：

（4）

其中，S0为溶解频率因子，单位为m3（NTP）·m-3（金属）·Pa-0.5；Es为溶解活化能，单位为J/mol；R为气体常数，8.32J/（mol·K）；T单位是绝对温度K。

溶解于不锈钢中的氢（或氚）由于浓度不同，氢原子以无规则的热运动而产生扩散现象，扩散的最终效果是使不锈钢中氢（或氚）的浓度均匀化。在材料的外（下游）表面，由于氢分压更低，氢的解吸起主导作用，形成氢分子，并脱离表面自边界层向外移动，从而形成氢（或氚）在材料中的渗透现象。稳态下的氢（或氚）在不锈钢中的扩散行为遵从菲克第一定律，但扩散系数具有明显的同位素效应，氕氘氚的扩散系数比值为。

氢（或氚）在材料中的渗透率量，最终可使用渗透流量表达： （5）

式中q为氢（或氚）通过不锈钢材料膜片的渗透流量或渗透速率（mol·cm-2·s-1）；P1为被穿透的不锈钢材料膜片上游一侧的氢（或氚）分压（Pa）；P2是下游一侧的；l为不锈钢材料膜片厚度（cm）。

渗透率φ=DS，与温度的关系也服从阿伦尼乌斯规律，渗透活化能Hφ为溶解热HS与扩散活化能HD之和：

（6）

3 范快堆中氚的迁移

3.1 氢的引入

由于钠作为冷却剂，系统运行中采用了避免水的设计，一回路中氢的来源主要来自换料过程的燃料携带的水汽、覆盖气体补气中氩气中的氢和水杂质、燃料三分裂和冷却剂（n，p）反应的氢。

虽然采取了预热烘干措施，但在换料过程中仍有少量水汽进入一回路。本文参考了美国EBR-II的数据，示范快堆换料中氢的引入速率约为1g/d，年均换料时间73d，年均引入速率为1.157E-6mol/s。根据俄罗斯BN600的运行数据，每年实际氩气用气量约1200m3，根据GB/T10624-1995对于高纯氩气的标准，水汽及气态氢的体积浓度分别为4ppm和1ppm，氢的平均引入速率是8.58E-9mol/s。燃料的三分裂产氢（约产氚的1/8）和冷却剂由于（n，p）反应产氢的总量是2.0×1014n/MJ[4]，年均引入速率是3.99E-7mol/s。

二回路的氢主要来自蒸汽发生器三回路侧的水腐蚀作用，对于钠冷快堆采用的直流式蒸汽发生器，三回路进入二回路钠中的请流量为2.7E-7kg/m2h[5]，其数值是德国KNK-Ⅱ快堆在正常运行工况下，停止冷阱运行后根据二回路测得的氢的上升速率推算而来。示范快堆两个环路中，每个环路8台蒸汽发生器，单台蒸汽发生器换热面积为550.37m2，年均引入速率2.64E-4mol/s。

3.2 氢和氚在冷阱中的去除

示范钠冷快堆一二回路均设置冷阱，对钠中的氧、氢、不锈钢腐蚀杂质进行净化，冷阱工作温度约130℃，对应氢的饱和溶解度为0.092ppm，一回路和每个二回路中每个环路的冷阱工作均为流量8m3/h。因此，氢的去除率为（回路中氢浓度-饱和溶解度）×冷阱流量；由于氚在钠中远远达不到饱和浓度，其去除率等于氢的去除率乘以氚与氢的浓度比。

3.3 氢的平衡

由于氢在不锈钢中的迁移与温度密切相关，因此，对于如中间热交换器（IHX）等典型设备，按运行温度划分为若干部分。以IHX的高温段为例如，氢的扩散计算如下：壁厚1.2mm，换热面积905m2，一回路钠平均温度760K，一回路钠中氢的溶解度系数0.217mol/kgMPa0.5，二回路钠平均温度729.75K，二回路钠中氢的溶解度系数0.2137mol/ kgMPa0.5，管壁平均温度735K，管壁中氢的渗透率系数为1.1005×10-8mol/m2sMPa0.5，氢的扩散方程为：

氢扩散流=一回路氢浓度×0.03825﹣二回路氢浓度×0.03884 （7）

其他的设备的计算方法类似，但对于管道及空冷器等设备，由于其外部为空气，标准干燥空气中氢的体积百分份额为5.0×10-5%，也就是空气中氢的分压约为0.0507Pa，计算中直接使用该值。

建立平衡方程后，示范快堆中年均氫的平衡如图1所示，主要包括以下几个部分：（1）通过蒸汽发生器进入二回路16.6kg的氢；（2）通过中间热交换器进入一回路702g的氢；（3）独立热交换器进入余热排出系统1g的氢；（4）通过各种管壁进入空气中的氢；（5）二次冷阱中去除15.9kg的氢；（6）一次冷阱中去除800g的氢。

3.4 氚的平衡

氚在钠中的扩散行为与氢相同，仅在不锈钢中的渗透率系数存在较大的差异，以快堆特有的直流式蒸汽发生器为例，氚的扩散计算过程与取值见表2。

因此，通过蒸汽发生器进入蒸汽回路的氚流为二回路氚浓度×0.0098645×16台。其他的设备方法相同，建立平衡方程后，示范快堆中年均氢的平衡如图2所示。endprint

根据目前示范快堆的设计，经计算一回路氚浓度2.49×107Bq/L，二回路氚浓度1.34×106Bq/L，余热排出系统氚浓度1.07×107Bq/L，该数值可为回路的设计提供部分源项依据。环境排放量见表3。

3.5 降低氚排放可能措施

根据国际经验，通常认为氚的环境排放在钠冷快堆中不应是关注的问题。一方面，快堆中进入一回路的氚的总量不大；二是钠冷快堆的冷阱在除氢的过程中间接起到了除氚的作用，美国克林奇河快堆给出环境排放的氚约占一回路氚源的2%的估计。

虽然示范快堆中氚的环境排放总量并不大，但其排放比例达到了一回路氚源的4%，其气载排放的主要途径是通过余热排出系统的空冷器排入大气。这与示范快堆采用非能动自然循环的一回路余热排出系统有关，该设计大幅度提高了示范快堆的安全性，但独立热交换器巨大的换热面积为氚的环境泄漏提供了途径。如能够参考ITER在通风系统设计中采用除氚的设计，在余热排出系统的热备用工况下，对余热排出空冷器的通风进行一定的除氚，可大幅度降低氚的气载排放量。

另一方面，示范快堆的一回路氚浓度明显高于中国实验快堆的设计，从除氢的角度，一回路冷阱的冷却流量与一回路总装钠量的比值较小，如能够提高一次冷阱的净化效率，将进一步降低氚的环境排放量。例如假设一回路的除氢能力提升10倍后，重新计算得到的氚的环境排放量将降低到目前的1/6水平，为2.35×12Bq/a。因此，在冷阱的设计中，可结合氢计的设计，采用一定的除氢除氚措施。

4 结论与建议

通过国际调研和分析，本文建立了钠冷快堆中氚的迁移扩散模型，完成了示范快堆中氚的分布计算，给出了环境排放氚源及其关键排放途径。但由于目前尚没有相关快堆中氚的环境排放标准，与压水堆电站相比，示范快堆的氚的环境排放量处于同一水平。同时，示范快堆是我国自主设计的池式钠冷快堆，可采用余热排出系统空冷器通风中除氚，或在钠回路中增加除氚措施的方式，进一步降低环境排放，实现氚的排放最小化。

目前本文完成了氚源的稳态近似下的计算工作，氚源和蒸汽发生器的氢源仅在反应堆运行狀态下产生，但一回路的氢源是在换料工况下引入，二者时间上不同步，属于瞬态问题。虽然数值上影响不大，后续将进一步完成系统的瞬态迁移模型，并编制相关的计算分析程序，为快堆源项分析设计提供工具手段。

参考文献

[1] PEAKTOP B CBOPE.反应堆装置的屏蔽计算[R].莫斯科：俄罗斯联邦原子能部机械制造试验设计院，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