TBM氚系統(tǒng)的氚安全分析研究.pdf

1、當(dāng)今世界對(duì)能源的需求正變得越來越大，作為能源主體的化石能源日益枯竭，而核裂變能存在著資源貯量有限、放射性廢物危害較大等固有缺陷，其它能源尚不能承擔(dān)世界龐大的能源需求，因此人們把目光投向了核聚變能源。核聚變能源以其安全、清潔、燃料資源豐富等優(yōu)點(diǎn)而成為未來首選能源。由中國、歐盟、美國等七方參加的基于磁約束核聚變的ITER裝置是第一個(gè)聚變堆級(jí)的實(shí)驗(yàn)裝置，它不僅用來集成驗(yàn)證聚變能源的科學(xué)性和可行性，而且將部分驗(yàn)證聚變堆的工程技術(shù)問題。ITER用

2、于氚增殖研究的實(shí)驗(yàn)包層模塊(TBM)及其燃料循環(huán)系統(tǒng)（氚處理系統(tǒng)）等是ITER的核心技術(shù)之一。依據(jù)ITER中國專家組總體安排，將研制一套供氦冷固態(tài)氚增殖劑包層模塊(HCCB TBM)使用的氚處理系統(tǒng)，包括氚提取系統(tǒng)(TES)、氦冷卻氣純化系統(tǒng)(CPS)和氚測(cè)量系統(tǒng)(TMS)三個(gè)功能系統(tǒng)。
　　TBM氚系統(tǒng)內(nèi)氚的總量和氚的釋放速率是氚安全所關(guān)注的重要問題。氚(T2、HT等)具有極強(qiáng)的遷移擴(kuò)散能力，很容易通過系統(tǒng)向外泄漏或滲透，從而損

3、傷材料并對(duì)工作人員和環(huán)境造成危害。正常運(yùn)行的氚系統(tǒng)的氚釋放量必須低于規(guī)定限值才被許可運(yùn)行，在氚系統(tǒng)最終參試前，需向ITER IO提交安全分析報(bào)告以獲得參試許可。因此在TBM氚系統(tǒng)研制過程中須進(jìn)行預(yù)安全分析、質(zhì)量保證措施及許可證申請(qǐng)等研究。
　　對(duì)TBM氚系統(tǒng)進(jìn)行安全分析與評(píng)估就是要采用適當(dāng)?shù)姆椒▉矸治鲭跋到y(tǒng)的自身危險(xiǎn)性，分析氚系統(tǒng)可能發(fā)生的故障/事故和應(yīng)采用的安全措施，分析氚系統(tǒng)正常運(yùn)行和事故工況下對(duì)工作人員、環(huán)境和公眾等的放射性

4、危害情況，也就是分析氚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否滿足安全需要。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，以確定論作為氚安全研究主要的指導(dǎo)思想，適當(dāng)采用概率安全評(píng)價(jià)(PSA)的一些思想和方法作為補(bǔ)充，主要從以下幾個(gè)方面在進(jìn)行了TBM氚系統(tǒng)的安全研究:氚安全分析及安全控制策略研究、TBM氚系統(tǒng)材料的氚包容性能研究、TBM氚系統(tǒng)的危險(xiǎn)性分析、TBM氚系統(tǒng)的故障模式、影響及危害性分析(FMECA)、正常工況下氚系統(tǒng)氚釋放的分析和計(jì)算。這些研究將為氚系統(tǒng)的安全分析與評(píng)估提供支撐。

5、r>　　首先研究了氚安全分析和安全控制的策略問題，以作為氚安全研究的指導(dǎo)思想。主要包括氚循環(huán)的安全戰(zhàn)略，合理可行的氚安全分析流程和應(yīng)采用的方法，多重包容的氚安全控制策略。根據(jù)確定論的研究思路給出了進(jìn)行TBM氚系統(tǒng)安全分析的過程，從而確定了主要采用確定論來進(jìn)行氚安全分析，最終提交安全報(bào)告以獲得參試許可證。同時(shí)，進(jìn)行TBM氚系統(tǒng)的功能分析與材料分析，以便為后面的預(yù)先危險(xiǎn)性分析(PHA)和FMECA提供支撐;分析氚的走向并給出氚量衡算方程，從

6、而指導(dǎo)下一步的氚釋放計(jì)算。
　　材料氚包容性能是氚系統(tǒng)安全研究需要關(guān)注的最重要的問題之一。以D2作為滲透介質(zhì)（代替HT），采用超高真空-四極質(zhì)譜法進(jìn)行氣相D2在HR-1材料滲透測(cè)試，并進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，獲得D2在材料中的滲透率、擴(kuò)散系數(shù)、溶解度等熱力學(xué)參數(shù)，從而為氚安全分析中的氚釋放量計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　對(duì)煤氣事故、H2事故和三個(gè)典型裂變電廠核釋放（泄漏）事故進(jìn)行了調(diào)查與分析，從而得到了事故模式、事故原因、事故機(jī)理、事故后果

7、和預(yù)防措施等，可作為TBM氚系統(tǒng)安全分析的借鑒。對(duì)氚系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)、有害因素辨識(shí)，獲得可能導(dǎo)致氚異常釋放的部分始發(fā)事件。使用危險(xiǎn)性預(yù)先分析法對(duì)TBM氚系統(tǒng)的三級(jí)包容系統(tǒng)的氚釋放危險(xiǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，PHA可以為TBM氚系統(tǒng)初始的安全分析和進(jìn)一步的安全設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，而針對(duì)各種危險(xiǎn)、有害因素提出的預(yù)防措施分析可以為氚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。另外，根據(jù)課題研究的要求，還探討了氚提取系統(tǒng)的最大可信事故問題，分析了用于安全設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和超設(shè)計(jì)基

8、準(zhǔn)事故。從環(huán)境釋放限值和工作人員劑量限值的角度進(jìn)行了氚釋放速率限值的分析和計(jì)算，給出了導(dǎo)出限值等安全判斷參數(shù)。
　　與PHA方法類似，F(xiàn)MECA方法也適用于設(shè)計(jì)中的TBM氚系統(tǒng)的初步安全分析。首先分析和描述研究對(duì)象的任務(wù)要求和環(huán)境條件，即進(jìn)行任務(wù)剖面分析，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)定義。通過FMECA分析，找出了導(dǎo)致氚危險(xiǎn)性釋放的故障模式，即發(fā)生于材料壁、連接結(jié)構(gòu)和冷卻器等部位的幾種故障模式及其風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)和危害度，并進(jìn)而找出了可能導(dǎo)致氚過量釋放的

9、潛在故障模式，這些故障是進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防的重點(diǎn)。確定了冷卻器的管板連接和板殼連接處最易發(fā)生氚危險(xiǎn)性釋放故障。分析發(fā)現(xiàn)，可以通過改進(jìn)設(shè)計(jì)、使用補(bǔ)償方法來降低氚釋放風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)安全水平。
　　計(jì)算氚的外部釋放量是氚安全的重要研究?jī)?nèi)容之一。TBM氚系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)部會(huì)積存著一定數(shù)量的氚，氚的釋放速率必須控制在規(guī)定限值內(nèi)才能夠獲得參試許可證。由于TBM氚系統(tǒng)的工藝和組成比較復(fù)雜，而且目前的設(shè)計(jì)還未完全確定氚系統(tǒng)各部分的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)、氚數(shù)量和

10、工藝條件等等，因此氚釋放量只能采用估算法獲得，計(jì)算時(shí)所采用的方法和參數(shù)應(yīng)是保守偏安全的。氚的釋放包括氚通過材料壁的原子擴(kuò)散和氚通過材料壁或連接件極微漏孔通道的分子擴(kuò)散和遷移。因此，氚釋放計(jì)算的基礎(chǔ)是傳質(zhì)方程、分子擴(kuò)散計(jì)算方法（Fick定律）、氣體的微通道流動(dòng)與擴(kuò)散等計(jì)算方法等。計(jì)算結(jié)果表明，氚系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，氚通過氚系統(tǒng)材料壁向外部的滲透速率是非常低的，而氚的微泄漏速率則更低，基本可以忽略。由于氚正常釋放的計(jì)算相當(dāng)繁瑣，選用和建立適宜的