精馏技术在CANDU型重水堆核电机组的应用

孙大千 郑奕

【摘 要】本文介绍了精馏技术在秦山三期CANDU型重水堆机组的实际应用情况，通过对含氘/氚重水体系进行理论计算，结合某次重水精馏塔的实际运行情况，对模拟数据和实际运行情况进行了比对，给出了秦山三期在役重水精馏塔填料实际塔板參考值，对后续运行和重水堆机组新精馏塔研究有实际指导和参考意义。

【关键词】精馏;CANDU型重水堆;

1.引言

精馏技术目前是应用最广泛、技术最成熟的分离方法之一，在工业生产中占有相当的比重，但是在核电行业应用较少。秦山三期CANDU6型重水堆机组由于采用重水作冷却剂和慢化剂，因此增设了重水贮存、回收和精馏升级等系统或装置。该重水精馏塔（也称重水升级塔）采用填料塔，具有高效率、高通量、低压降、低持液等优势。但是由于重水堆机组未进行技术引进，所以原设计方并未将机组一些重要的设计资料和数据（包括重水精馏塔）提供给中方，同时由于塔内部流体流动及传质过程的复杂性，致使基于水精馏分离的精馏塔技术不易被掌握。本文拟通过对含氘/氚重水体系进行理论计算，结合重水精馏塔的实际运行情况，给出秦山三期在役重水精馏塔填料的实际塔板数。

2.CANDU型重水堆核电机组简介

CANDU型重水堆专指由加拿大原子能公司（AECL）设计的天然铀作为燃料、重水作为冷却剂和慢化剂的核反应堆。目前世界上运行的CANDU型重水堆核电机组有28台，分别是加拿大19台、中国2台、罗马尼亚2台、韩国4台和阿根廷1台。CANDU型重水堆具有中子通量高（适于生产同位素）、不停堆换料、固有安全性好等显著特点。同时，由于其使用重水作为冷却剂和慢化剂，而重水具有价格昂贵和辐照后生成放射性氚等特性，因此增加了重水贮存、回收、精馏升级、泄漏监测等系列设备，使得重水堆较其它堆型系统更多、设计和运行更为复杂。又由于其运行中期需要进行压力管更换等原因，使得重水堆核电机组的经济性并不突出。

重水在反应堆运行过程中受到中子的辐照生成氚，氚是低能β射线发射体，最大能量为18.6 keV，平均能量为5.6 keV，进入人体内会产生内照射危害，并且具有渗透性强、易扩散、防护难的特点。随着运行堆年的增加，重水中的氚比活度逐年增长，是影响电站工作人员内照射和电厂安全稳定运行的重要因素。可以考虑研发新型重水精馏塔对慢化剂进行处理，从根本上解决电站高氚运行的问题。

3.重水的泄露与回收

由于重水堆机组使用重水作为冷却剂和慢化剂，因此在日常运行期间以及检修期间不可避免的造成少量重水泄漏，泄漏的重水在机组中与环境内轻水混合，被分布在机组内潜在重水泄漏区域的重水蒸汽回收系统回收，回收的降级重水必须通过精馏升级到99.91wt%D2O以上，才能传回机组系统复用。正常情况下，一台重水堆机组每年回收的降级重水约800kg，这些降级重水的浓度从0.04 wt%到90 wt%，通过重水净化系统净化后，传输至重水精馏塔浓集到99.91wt%D2O以上后，再传输到冷却剂系统或慢化剂系统复用。

4.重水精馏塔

4.1精馏塔引进的背景及有限的已知技术参数

我国两台CANDU6型重水堆机组为容量引进，有关商务模式为“交钥匙工程”，因此尽管机组配套建设有重水精馏装置，由于没有采购装置的详细设计和制造资料，国内当时并不掌握该装置的设计和制造技术。加方提供中方的设计手册，也仅限于装置的抗震等级、处理能力和接口系统/设备信息等，该精馏塔的理论塔板数、实际塔板数、填料关键参数等都未提供给中方。

4.2精馏原理

精馏是利用混合液中各组分间挥发度的差异以实现高纯度分离的一种操作。CANDU型重水堆核电站重水精馏装置利用多次部分汽化和部分冷凝，使轻重水混合液中的各组分几乎完全分离。具体实现过程是在圆柱形塔内装有一定高度的填料，在填料表面进行气液两相交换。塔底再沸器受热使底部液体部分汽化后逐层上升，用顶部抽真空的办法在塔内建立压力梯度，对应塔底至塔顶温度依次降低的梯度，调整并保持塔中各层填料上的液体处于沸腾状态。低沸点的轻组分在气相中浓集并逐渐向上聚集，顶部冷凝后的液体部分回流入塔并逐层下流，使各层保持一定液体。上升的蒸汽与下降液体呈逆流流动，在各层填料上相互接触进行传热和传质交换。原料液从合适部位加入精馏装置（塔），其液相部分下流至再沸器，气相部分上升经各层至塔顶。如此往复，实现轻重水的分离，即重水的精馏过程。

5.实际塔板确定

秦山三期现有的重水精馏塔设计目的是将机组中的降级重水升级为重水浓度大于99.91wt%的高浓重水。其塔径、塔高等参数的设计是为H2O和D2O的分离，H2O/D2O的分离因子较D2O/DTO大，实际塔板数不高。如用于D2O/DTO的分离，很难在短时间内降低慢化剂中的氚比活度。因此，需要设计一个塔板数更高、体量更大的新重水精馏塔，用于快速降低慢化剂的氚比活度。为了对后续考虑建设的用于氚处理的新重水精馏塔起到引领作用，拟对D2O/DTO分离系统的气液平衡数据进行计算，计算中按照如下公式计算体系中各组分蒸汽压：

式中压力单位为bar，温度单位为K。考虑D2O与T2O生成DTO的反应，且重水中氚浓度极低，因此分离因子可按式（1-4）计算：

不同温度和压力下，按照式（1-1）-（1-4）计算的D2O/DTO体系分离因子。

6.结束语

本文通过对含氘/氚重水体系进行理论计算，结合某次重水精馏塔的实际运行情况，给出了秦山三期在役重水精馏塔CY700氧化铜填料实际塔板参考值为4-6理论板/米，对后续国内自行研发重水精馏塔研发有实际指导和参考意义。

参考文献：

[1]邹正宇.《CANDU-6型核电厂系统与运行》[M]北京：原子能出版社.

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

[3]杨怀元. 氚的安全与防护. 北京：原子能出版社，1997.

[4]秦山第三核电厂. 秦山第三核电厂重水堆核电站最终 安全分析报告. 第12章.

（作者单位：中核核电运行管理有限公司）