后处理厂首端锆粉末着火特性分析及预防措施

＊宋晓鹏 董文杰 杨欣静

（中国核电工程有限公司 北京 100840）

我国已明确采用核燃料闭式循环政策，即对核电站卸出的乏燃料进行后处理，以回收其中的铀、钚等材料，并对产生的放射性废物进行处理与最终处置。安全是后处理厂建设的前提，在后处理厂的设计、建设和运行过程中应充分考虑对各种可能事故的发生及其进程进行全面分析，以预防事故发生、防止事故扩大和尽可能地缓解事故后果。锆因其耐高温、耐腐蚀以及延展性好等特点，被广泛应用于航天、新能源、军工以及原子能等领域[1]。在核反应堆中，锆及锆合金由于具有极低的中子吸收截面、出色的耐腐蚀性能以及与核燃料芯体良好的兼容性，被广泛应用于燃料包壳，是核燃料的第一道屏障。在后处理厂首端处理设施，对乏燃料进行剪切溶解等操作。目前国内外后处理厂均使用集束式剪切机切断乏燃料，在进行组件切割时会伴有锆合金碎屑或粉尘的产生。由于锆合金在高温下可燃，因此在后处理厂首端剪切过程中，存在锆粉末着火的可能性。

目前，国内外后处理厂中对于锆粉末燃烧事故的研究甚少：法国阿格厂、美国巴威尔、我国中试厂等后处理设施相关报告中未对锆粉末燃烧事故进行分析，在埃克松安全分析报告中对锆包壳的着火事故进行了假设及后果预测。此外，联邦德国曾进行了放射性锆合金粉尘的着火特性实验研究，但由于其粉尘粒度选择均在百微米级左右且实验数据量较少，参考意义有限。在国内，由于近年来对锆的广泛应用，部分学者针对工业中锆粉尘燃烧的条件和影响因素进行了研究。袁旌杰[2]、郭昊[3]分别进行了试验，研究了点火延迟时间、粉体抑爆剂等对锆粉尘云爆炸特性的影响。

后处理过程中涉及到具有强放射性的乏燃料，尤其是在首端剪切过程中，若产生锆粉着火/爆炸事故，存在放射性物质从工艺系统中泄漏至热室内的风险。因此，有必要了解锆粉的物性参数、探究其燃烧特性，并在此基础上结合工程实际，提出后处理厂首端对锆粉末着火事故的预防措施建议。

1.锆粉末着火实验研究

(1)锆粉的制备

目前制取锆及锆合金粉的方法有金属热还原法、熔盐电解法、氢化脱氢直接电脱氧法等。实验所用锆粉的制备以机械法为主：将锆棒或锆管氢化（俗称氢脆）生成氢化锆，随后破碎成小的颗粒，经粗磨、细磨和过筛等操作单元得到不同粒径的氢化锆粉，最后在负压和一定温度下脱氢，即成为细微锆粉。在整个的研磨过程中，为了得到较细的粉末，需要进行长时间、高强度的研磨。实验中最终得到的锆粉粒径分别为：1～5μm（D50=2.4μm）、5～20μm（D50=7.3μm）、25～45μm（D50=29.1μm）、50～100μm（D50=71.7μm）、140～250μm（D50=200.9μm）。

(2)锆粉尘层最低着火温度实验研究

最低着火温度实验中，采用LIT-I-450型粉尘层最低着火温度测定仪（图1）进行空气中锆粉尘层最低着火温度的测量，通过加热板上的热电偶测定实验过程中粉尘内部的温度。

图1 粉尘层最低着火温度测定仪

根据国标GB/T 16430-2018的方法进行最低着火温度的测定：在设定温度高于300℃时，每间隔20℃设定一次着火温度测量点；设定温度低于300℃时，每间隔10℃设定一次着火温度测量点。测定的最低着火温度与最高未着火温度差值应不大于10℃，且至少进行三次验证。结果如图2所示。

图2 锆粉尘层最低着火温度随粒径的变化曲线

从结果可知，在实验选取的锆粉粒径范围（中位粒径2.4～71.7μm）内，粉尘层的最低着火温度随中位粒径的增加而明显升高。究其原因，粒径增加导致样品的比表面积减小，即与空气的接触面积和颗粒的热辐射面积减少，一方面导致反应放热量减少，另一方面也降低了锆粉颗粒之间的换热效率，导致样品整体更难以达到着火温度。因此，在本实验范围内，粒径小的锆粉相对容易被点燃。

(3)锆粉尘云最低着火温度实验研究

粉尘云最低着火温度实验研究采用的装置为Godbert-Greenwald恒温炉测试装置（图3），其根据喷粉后加热炉下段是否有火焰喷出来判断是否着火。

图3 粉尘云最低着火温度测定装置

实验原理：称量0.1g的粉尘加入储尘器中，将加热炉温度、储气室气压调到设定后，打开阀门将锆粉喷入炉内，判断是否出现着火。若未出现着火则升温后重新加料进行实验，直至炉内出现着火现象。一旦出现着火，则改变加入粉尘的量以及喷粉压力，并降低炉体温度后再进行实验，直至在某一温度连续10次实验均未出现着火，则继续改变粉尘质量和喷粉压力，进行下一个温度的实验。

考虑到喷粉压力、锆粉浓度和锆粉粒径都可能对粉尘云最低着火温度有影响，实验中针对此三个要素分别进行了研究。

①喷粉压力对粉尘云最低着火温度的影响研究

选用粒径为1～5μm的锆粉，粉尘云浓度计算值为1.36kg/m³，研究不同喷粉压力下锆粉尘云的最低着火温度。实验结果见图4。

图4 不同喷粉压力下锆粉尘云的最低着火温度

由结果可知，在实验所选粉尘云浓度与粒径的条件下，锆粉尘云的最低着火温度存在最低点，即对应喷粉压力在0.07MPa左右时，锆粉尘云最低着火温度为最小值，高于或低于该喷粉压力时，最低着火温度均有升高。出现该现象的原因为：喷粉压力较小时，锆粉尘云未被空气充分匀化，部分锆粉发生团聚，降低了锆粉的整体比表面积，不利于粉尘与空气反应；喷粉压力过大时，锆粉颗粒还未进行充分反应已被带离热区，且空气吸热导致整体温度偏低，因此需更高的温度才能发生着火。

②锆粉浓度对粉尘云最低着火温度的影响研究

根据前述实验结果，本实验喷粉压力选择0.07MPa（表压），粒径仍选择1～5μm规格的锆粉，以探究粉尘云浓度对最低着火温度的影响规律。

不同锆粉尘计算浓度对应的实验结果如图5所示。

图5 不同锆粉尘云浓度下的最低着火温度

由结果可知，在实验所选喷粉压力与粒径的条件下，锆粉尘云的最低着火温度存在最低点，即对应锆粉尘云浓度在1.36kg/m³左右时，锆粉尘云最低着火温度为最小值，高于或低于该浓度时，最低着火温度均有升高。随着炉管热区内锆粉浓度的增加，其完全反应释放的热量也相应增加，由于实验中恒温炉测试装置下端为敞口，在一定浓度下，随粉尘云浓度的增加，所需的氧化剂的消耗可通过敞口处气体扩散及时补充，从而使炉内反应总放热量增加，锆粉尘云的最小着火温度降低。但在锆粉云浓度增加到一定值后，氧气的消耗速率大于敞口处的气体扩散速率，补充的空气只能维持一定量的锆粉进行化学反应，而多余的锆粉会吸收反应产生的热量，导致浓度进一步增加时，锆粉尘云最低着火温度的增加。

③锆粉粒径对粉尘云最低着火温度的影响研究

根据前述实验结果，该实验中喷粉压力（表压0.07MPa）及粉尘云浓度（1.36kg/m3）固定，选取不同粒径的锆粉进行测试，结果见图6。

图6 不同锆粉粒径下锆粉尘云的最低着火温度

由结果可知，在实验所选喷粉压力、粉尘云浓度及锆粉粒径范围内，锆粉尘云的最低着火温度随粒径减小而降低。

在粉尘云浓度固定的情况下，锆粉粒径减小即总比表面积增大，与空气接触发生反应的面积也增大，反应放热速率越快，此外由于比表面积增大导致锆粉颗粒间热辐射面积增大，从而加快了换热速率，因此粉尘云最低着火温度降低。但当粉尘粒径逐渐减小时，颗粒之间的范德华力、静电引力增大，锆粉颗粒之间容易产生团聚、凝结等现象，导致颗粒的总比表面积减少；因此随着粒径的减小，粒径对锆粉尘云最低着火温度的影响逐渐减弱。

2.锆粉的阻燃抑爆措施研究

通过实验可以看出，在特定条件下，锆粉尘在空气中并处于高温环境下才可能发生爆炸。后处理厂进行乏燃料组件剪切时，已考虑了向剪切机内通入压缩空气进行冷却组件并吹扫剪切产生的粉尘，仅在压空不易吹到的“死区”范围内，仍可能有部分锆粉累积；且在剪切过程中，剪切机主刀刀面与乏燃料组件的断面会相互摩擦，产生包壳碎屑的同时会伴随火花、局部高温。目前，粉尘爆炸的防护技术措施分为两类：预防性措施与缓解性措施。考虑到后处理厂发生爆炸事故后可能造成的放射性泄漏，设计上应尽量通过预防性措施来消除事故发生的风险。常见的粉尘爆炸预防性措施包括控制点火源/粉尘云形成以及惰化技术等。常见的惰化技术分为两类，即气体惰化技术和粉末惰化技术。考虑到后处理剪切过程中除锆屑外，还会产生大量的铀氧化物芯块粉末起到惰化效果，且剪切后的组件需进入溶解器溶解并后续进入主工艺系统，因此不再考虑其他粉末惰化的方案。本试验考虑在后处理厂采用气体惰化技术的可行性。在控制喷粉压力为0.07MPa的条件下，研究了N2及Ar对粒径为1～5μm的锆粉尘云最低着火温度的影响，试验结果如图7所示。

图7 惰性气体对1～5μm锆粉尘云最低着火温度的影响

根据试验结果可知，在加入惰性气体后，锆粉尘云的最低着火温度有所升高，当惰性气体体积分数达到80%时，试验用锆粉尘云的最低着火温度已达到1000℃左右，明显高于空气条件下的最低着火温度值。25～45μm锆粉尘云最低着火温度受惰性气体的影响趋势与1～5μm锆粉尘云类似。此外通过对比可以看出，在本试验测试条件下，氩气的惰化性能优于氮气。但考虑到惰性气体浓度较高时，氮气与氩气惰化效果均足够显著，结合后处理厂运行的经济性，因此，建议在剪切乏燃料组件时考虑采用氮气气氛保护或采用氮气作为万一发生锆粉末着火时的灭火措施，以保证后处理厂组件剪切过程的安全。

3.小结

本文针对我国后处理厂首端剪切过程中潜在的锆粉末着火事故风险，探究了锆粉尘层及锆粉尘云在空气中的着火特性及影响因素。在实验选取的锆粉粒径范围内，粉尘层及粉尘云的最低着火温度随粒径的增加而明显升高；在单参数变化条件下，锆粉尘云最低着火温度随喷粉压力及粉尘云浓度的变化均呈现先降低后升高的趋势，即对应喷粉压力0.07MPa左右、粉尘云浓度约1.36kg/m³时，锆粉尘云最低着火温度分别呈现出最小值。在惰性气体浓度较高（体积分数＞80%）时，氮气与氩气对锆粉末着火的惰化效果均足够显著，考虑到后处理厂运行的经济性，建议后处理厂首端可考虑氮气气氛保护或采用氮气作为发生锆粉末着火时的灭火措施，以保证后处理厂组件剪切过程的安全。