＊宋曉鵬 董文杰 楊欣靜

（中國核電工程有限公司 北京 100840）

我國已明確采用核燃料閉式循環(huán)政策，即對核電站卸出的乏燃料進行后處理，以回收其中的鈾、钚等材料，并對產(chǎn)生的放射性廢物進行處理與最終處置。安全是后處理廠建設(shè)的前提，在后處理廠的設(shè)計、建設(shè)和運行過程中應(yīng)充分考慮對各種可能事故的發(fā)生及其進程進行全面分析，以預(yù)防事故發(fā)生、防止事故擴大和盡可能地緩解事故后果。鋯因其耐高溫、耐腐蝕以及延展性好等特點，被廣泛應(yīng)用于航天、新能源、軍工以及原子能等領(lǐng)域[1]。在核反應(yīng)堆中，鋯及鋯合金由于具有極低的中子吸收截面、出色的耐腐蝕性能以及與核燃料芯體良好的兼容性，被廣泛應(yīng)用于燃料包殼，是核燃料的第一道屏障。在后處理廠首端處理設(shè)施，對乏燃料進行剪切溶解等操作。目前國內(nèi)外后處理廠均使用集束式剪切機切斷乏燃料，在進行組件切割時會伴有鋯合金碎屑或粉塵的產(chǎn)生。由于鋯合金在高溫下可燃，因此在后處理廠首端剪切過程中，存在鋯粉末著火的可能性。

目前，國內(nèi)外后處理廠中對于鋯粉末燃燒事故的研究甚少：法國阿格廠、美國巴威爾、我國中試廠等后處理設(shè)施相關(guān)報告中未對鋯粉末燃燒事故進行分析，在?？怂砂踩治鰣蟾嬷袑︿啺鼩さ闹鹗鹿蔬M行了假設(shè)及后果預(yù)測。此外，聯(lián)邦德國曾進行了放射性鋯合金粉塵的著火特性實驗研究，但由于其粉塵粒度選擇均在百微米級左右且實驗數(shù)據(jù)量較少，參考意義有限。在國內(nèi)，由于近年來對鋯的廣泛應(yīng)用，部分學(xué)者針對工業(yè)中鋯粉塵燃燒的條件和影響因素進行了研究。袁旌杰[2]、郭昊[3]分別進行了試驗，研究了點火延遲時間、粉體抑爆劑等對鋯粉塵云爆炸特性的影響。

后處理過程中涉及到具有強放射性的乏燃料，尤其是在首端剪切過程中，若產(chǎn)生鋯粉著火/爆炸事故，存在放射性物質(zhì)從工藝系統(tǒng)中泄漏至熱室內(nèi)的風(fēng)險。因此，有必要了解鋯粉的物性參數(shù)、探究其燃燒特性，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合工程實際，提出后處理廠首端對鋯粉末著火事故的預(yù)防措施建議。

1.鋯粉末著火實驗研究

(1)鋯粉的制備

目前制取鋯及鋯合金粉的方法有金屬熱還原法、熔鹽電解法、氫化脫氫直接電脫氧法等。實驗所用鋯粉的制備以機械法為主：將鋯棒或鋯管氫化（俗稱氫脆）生成氫化鋯，隨后破碎成小的顆粒，經(jīng)粗磨、細磨和過篩等操作單元得到不同粒徑的氫化鋯粉，最后在負壓和一定溫度下脫氫，即成為細微鋯粉。在整個的研磨過程中，為了得到較細的粉末，需要進行長時間、高強度的研磨。實驗中最終得到的鋯粉粒徑分別為：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)鋯粉塵層最低著火溫度實驗研究

最低著火溫度實驗中，采用LIT-I-450型粉塵層最低著火溫度測定儀（圖1）進行空氣中鋯粉塵層最低著火溫度的測量，通過加熱板上的熱電偶測定實驗過程中粉塵內(nèi)部的溫度。

圖1 粉塵層最低著火溫度測定儀

根據(jù)國標(biāo)GB/T 16430-2018的方法進行最低著火溫度的測定：在設(shè)定溫度高于300℃時，每間隔20℃設(shè)定一次著火溫度測量點；設(shè)定溫度低于300℃時，每間隔10℃設(shè)定一次著火溫度測量點。測定的最低著火溫度與最高未著火溫度差值應(yīng)不大于10℃，且至少進行三次驗證。結(jié)果如圖2所示。

圖2 鋯粉塵層最低著火溫度隨粒徑的變化曲線

從結(jié)果可知，在實驗選取的鋯粉粒徑范圍（中位粒徑2.4～71.7μm）內(nèi)，粉塵層的最低著火溫度隨中位粒徑的增加而明顯升高。究其原因，粒徑增加導(dǎo)致樣品的比表面積減小，即與空氣的接觸面積和顆粒的熱輻射面積減少，一方面導(dǎo)致反應(yīng)放熱量減少，另一方面也降低了鋯粉顆粒之間的換熱效率，導(dǎo)致樣品整體更難以達到著火溫度。因此，在本實驗范圍內(nèi)，粒徑小的鋯粉相對容易被點燃。

(3)鋯粉塵云最低著火溫度實驗研究

粉塵云最低著火溫度實驗研究采用的裝置為Godbert-Greenwald恒溫爐測試裝置（圖3），其根據(jù)噴粉后加熱爐下段是否有火焰噴出來判斷是否著火。

圖3 粉塵云最低著火溫度測定裝置

實驗原理：稱量0.1g的粉塵加入儲塵器中，將加熱爐溫度、儲氣室氣壓調(diào)到設(shè)定后，打開閥門將鋯粉噴入爐內(nèi)，判斷是否出現(xiàn)著火。若未出現(xiàn)著火則升溫后重新加料進行實驗，直至爐內(nèi)出現(xiàn)著火現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)著火，則改變加入粉塵的量以及噴粉壓力，并降低爐體溫度后再進行實驗，直至在某一溫度連續(xù)10次實驗均未出現(xiàn)著火，則繼續(xù)改變粉塵質(zhì)量和噴粉壓力，進行下一個溫度的實驗。

考慮到噴粉壓力、鋯粉濃度和鋯粉粒徑都可能對粉塵云最低著火溫度有影響，實驗中針對此三個要素分別進行了研究。

①噴粉壓力對粉塵云最低著火溫度的影響研究

選用粒徑為1～5μm的鋯粉，粉塵云濃度計算值為1.36kg/m3，研究不同噴粉壓力下鋯粉塵云的最低著火溫度。實驗結(jié)果見圖4。

圖4 不同噴粉壓力下鋯粉塵云的最低著火溫度

由結(jié)果可知，在實驗所選粉塵云濃度與粒徑的條件下，鋯粉塵云的最低著火溫度存在最低點，即對應(yīng)噴粉壓力在0.07MPa左右時，鋯粉塵云最低著火溫度為最小值，高于或低于該噴粉壓力時，最低著火溫度均有升高。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因為：噴粉壓力較小時，鋯粉塵云未被空氣充分勻化，部分鋯粉發(fā)生團聚，降低了鋯粉的整體比表面積，不利于粉塵與空氣反應(yīng)；噴粉壓力過大時，鋯粉顆粒還未進行充分反應(yīng)已被帶離熱區(qū)，且空氣吸熱導(dǎo)致整體溫度偏低，因此需更高的溫度才能發(fā)生著火。

②鋯粉濃度對粉塵云最低著火溫度的影響研究

根據(jù)前述實驗結(jié)果，本實驗噴粉壓力選擇0.07MPa（表壓），粒徑仍選擇1～5μm規(guī)格的鋯粉，以探究粉塵云濃度對最低著火溫度的影響規(guī)律。

不同鋯粉塵計算濃度對應(yīng)的實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同鋯粉塵云濃度下的最低著火溫度

由結(jié)果可知，在實驗所選噴粉壓力與粒徑的條件下，鋯粉塵云的最低著火溫度存在最低點，即對應(yīng)鋯粉塵云濃度在1.36kg/m3左右時，鋯粉塵云最低著火溫度為最小值，高于或低于該濃度時，最低著火溫度均有升高。隨著爐管熱區(qū)內(nèi)鋯粉濃度的增加，其完全反應(yīng)釋放的熱量也相應(yīng)增加，由于實驗中恒溫爐測試裝置下端為敞口，在一定濃度下，隨粉塵云濃度的增加，所需的氧化劑的消耗可通過敞口處氣體擴散及時補充，從而使?fàn)t內(nèi)反應(yīng)總放熱量增加，鋯粉塵云的最小著火溫度降低。但在鋯粉云濃度增加到一定值后，氧氣的消耗速率大于敞口處的氣體擴散速率，補充的空氣只能維持一定量的鋯粉進行化學(xué)反應(yīng)，而多余的鋯粉會吸收反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致濃度進一步增加時，鋯粉塵云最低著火溫度的增加。

③鋯粉粒徑對粉塵云最低著火溫度的影響研究

根據(jù)前述實驗結(jié)果，該實驗中噴粉壓力（表壓0.07MPa）及粉塵云濃度（1.36kg/m3）固定，選取不同粒徑的鋯粉進行測試，結(jié)果見圖6。

圖6 不同鋯粉粒徑下鋯粉塵云的最低著火溫度

由結(jié)果可知，在實驗所選噴粉壓力、粉塵云濃度及鋯粉粒徑范圍內(nèi)，鋯粉塵云的最低著火溫度隨粒徑減小而降低。

在粉塵云濃度固定的情況下，鋯粉粒徑減小即總比表面積增大，與空氣接觸發(fā)生反應(yīng)的面積也增大，反應(yīng)放熱速率越快，此外由于比表面積增大導(dǎo)致鋯粉顆粒間熱輻射面積增大，從而加快了換熱速率，因此粉塵云最低著火溫度降低。但當(dāng)粉塵粒徑逐漸減小時，顆粒之間的范德華力、靜電引力增大，鋯粉顆粒之間容易產(chǎn)生團聚、凝結(jié)等現(xiàn)象，導(dǎo)致顆粒的總比表面積減少；因此隨著粒徑的減小，粒徑對鋯粉塵云最低著火溫度的影響逐漸減弱。

2.鋯粉的阻燃抑爆措施研究

通過實驗可以看出，在特定條件下，鋯粉塵在空氣中并處于高溫環(huán)境下才可能發(fā)生爆炸。后處理廠進行乏燃料組件剪切時，已考慮了向剪切機內(nèi)通入壓縮空氣進行冷卻組件并吹掃剪切產(chǎn)生的粉塵，僅在壓空不易吹到的“死區(qū)”范圍內(nèi)，仍可能有部分鋯粉累積；且在剪切過程中，剪切機主刀刀面與乏燃料組件的斷面會相互摩擦，產(chǎn)生包殼碎屑的同時會伴隨火花、局部高溫。目前，粉塵爆炸的防護技術(shù)措施分為兩類：預(yù)防性措施與緩解性措施?？紤]到后處理廠發(fā)生爆炸事故后可能造成的放射性泄漏，設(shè)計上應(yīng)盡量通過預(yù)防性措施來消除事故發(fā)生的風(fēng)險。常見的粉塵爆炸預(yù)防性措施包括控制點火源/粉塵云形成以及惰化技術(shù)等。常見的惰化技術(shù)分為兩類，即氣體惰化技術(shù)和粉末惰化技術(shù)?？紤]到后處理剪切過程中除鋯屑外，還會產(chǎn)生大量的鈾氧化物芯塊粉末起到惰化效果，且剪切后的組件需進入溶解器溶解并后續(xù)進入主工藝系統(tǒng)，因此不再考慮其他粉末惰化的方案。本試驗考慮在后處理廠采用氣體惰化技術(shù)的可行性。在控制噴粉壓力為0.07MPa的條件下，研究了N2及Ar對粒徑為1～5μm的鋯粉塵云最低著火溫度的影響，試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 惰性氣體對1～5μm鋯粉塵云最低著火溫度的影響

根據(jù)試驗結(jié)果可知，在加入惰性氣體后，鋯粉塵云的最低著火溫度有所升高，當(dāng)惰性氣體體積分?jǐn)?shù)達到80%時，試驗用鋯粉塵云的最低著火溫度已達到1000℃左右，明顯高于空氣條件下的最低著火溫度值。25～45μm鋯粉塵云最低著火溫度受惰性氣體的影響趨勢與1～5μm鋯粉塵云類似。此外通過對比可以看出，在本試驗測試條件下，氬氣的惰化性能優(yōu)于氮氣。但考慮到惰性氣體濃度較高時，氮氣與氬氣惰化效果均足夠顯著，結(jié)合后處理廠運行的經(jīng)濟性，因此，建議在剪切乏燃料組件時考慮采用氮氣氣氛保護或采用氮氣作為萬一發(fā)生鋯粉末著火時的滅火措施，以保證后處理廠組件剪切過程的安全。

3.小結(jié)

本文針對我國后處理廠首端剪切過程中潛在的鋯粉末著火事故風(fēng)險，探究了鋯粉塵層及鋯粉塵云在空氣中的著火特性及影響因素。在實驗選取的鋯粉粒徑范圍內(nèi)，粉塵層及粉塵云的最低著火溫度隨粒徑的增加而明顯升高；在單參數(shù)變化條件下，鋯粉塵云最低著火溫度隨噴粉壓力及粉塵云濃度的變化均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，即對應(yīng)噴粉壓力0.07MPa左右、粉塵云濃度約1.36kg/m3時，鋯粉塵云最低著火溫度分別呈現(xiàn)出最小值。在惰性氣體濃度較高（體積分?jǐn)?shù)＞80%）時，氮氣與氬氣對鋯粉末著火的惰化效果均足夠顯著，考慮到后處理廠運行的經(jīng)濟性，建議后處理廠首端可考慮氮氣氣氛保護或采用氮氣作為發(fā)生鋯粉末著火時的滅火措施，以保證后處理廠組件剪切過程的安全。