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            利用孔板流量計測量鈾濃縮廠UF6精料流量的應用

            作者: 來源: 發布時間:2017-11-03 10:06:45

                     分離功率代表了鈾濃縮廠的生產能力,是鈾濃縮廠和離心機的核心指標,對其進行監測是進行核材料衡算核實的關鍵步驟,可判別鈾濃縮廠的分離功率是否符合申報值,還可在線監控鈾濃縮廠的生產工藝狀態。目前,未見直接在線監測得到分離功率的公開文獻報道。濃縮廠均利用有關數據,通過公式計算得到分離功率。鈾濃縮廠利用電子秤對一段時期內生產的濃縮UF6(精料)、供料和貧料UF6的質量進行稱重,從而分別得到該時期內精料、消耗的供料和產生的貧料的鈾質量;對一段時期內生產的UF6精料、消耗的供料和產生的貧料進行取樣,然后利用氣體質譜計對這些樣品進行測量,從而得到該段時期內生產的濃縮UF6、消耗的供料和產生的貧料UF6的235 U豐度;zui后,利用這些測量值(鈾質量和豐度)中的至少4個數據通過公式計算得到分離功率(不考慮物料損耗),典型的為3個月計算1次,不能在線監測。本文研究鈾濃縮廠分離功率在線監測技術,將鈾豐度和氣體流量在線測量技術結合,通過數據的自動測量、自動采集、分析、傳輸、計算等實現分離功率的在線監測。

             
            1 基本原理
                    鈾濃縮廠分離功率在線監測技術主要包括兩部分:工藝管線中UF6氣體鈾豐度的在線監測和鈾流量(質量流量)的在線監測。鈾豐度在線監測是利用研制的鈾豐度在線監測裝置監測得到。精料端工藝管線中鈾質量流量在線監測是通過孔板流量計在線監測來得到。對于任意理想濃縮級聯或工藝,其整個外部參數守恒,守恒方程如下:
                    FEF=WEW+PEP
                    F=W+P(1)
                    式中:P、W和F分別為精料、貧料和供料的質量流量;
                    EP、EW和EF分別為精料、貧料和供料的豐度。
             
                    由上式可知,只要知道4個互相獨立的參數,即可求出余下的兩個參數。分離功是分離單元(機器,級聯乃至分離工廠)分離能力的定量量度。單位時間的分離功稱為分離功率,單位為kgSWU/a或tSWU/a,由下式[2]計算:
                    ΔU=PV(EP)+WV(EW)-FV(EF)(2)
                    式中,V(E)為分離勢函數[3],V(E)=(2E-1)·ln(E/1-E),E為豐度。由式(1)、(2)得分離功率:
                    20171103101029.jpg
                    由式(3)可知,只要測量出精料端的鈾豐度和質量流量、供料端的鈾豐度及貧料端的鈾豐度,即可計算得到分離功率。豐度在線監測原理見文獻[1]。該濃縮廠供料采用天然鈾,因此其豐度認為是0.71%。精料UF6氣體流量由下式得到:
                    20171103101034.jpg
                    式中:Qm為精料質量流量,g/s;kk為孔板系數,g·s-1·Pa-1·m-2;p為孔板前UF6氣體壓力,Pa;d為孔板孔徑,m。
             
                    利用刻度過的孔板系數以及相關的孔板參數,通過在線測定孔板前UF6氣體的壓力即可計算得到流量。
             
            2 監測系統
                    裝置主要由鈾濃縮廠UF6氣體鈾豐度在線監測裝置和孔板流量計組成。鈾濃縮廠鈾豐度在線監測儀安裝在精料端和尾料端,用于對工藝管線中UF6氣體鈾豐度進行在線監測,其組成、性能等參見文獻[1]。流量是采用安裝在濃縮廠工藝管線上的孔板流量計來進行監測。分離功率在線監測示意圖如圖1所示。
             分離功率在線監測示意圖
            3 實驗結果及討論
                    貧料端UF6氣體鈾豐度在線監測結果示于圖2,圖2中為連續13d的貧料端鈾豐度測量數據(圖中橫坐標為測量次數,每次測量時間約為5 600s)。結果顯示,監測系統對貧料端工藝管道中UF6氣體鈾豐度測量算術平均值為0.195%,工廠申報值(即同時期采用氣體質譜計對貧料端管道中鈾豐度測量結果的平均值)為0.200 1%,系統對貧料端鈾豐度的測量值與申報值的zui大相對偏差小于3%(圖中誤差線為3%)。貧料端鈾豐度測量所需時間相對較長,因為管道內UF6氣體235 U豐度低,其發射的186keV特征γ射線相對貢獻少,本底所占貢獻多,對凈計數測量干擾大,獲取相同精度所需測量時間較精料端要長,一般為2h左右。對精料端UF6氣體流量連續13d監測,結果示于圖3,從圖3可知,質量流量監測值非常平穩,與工廠申報流量平均值的zui大相對偏差不大于1%。
             貧料端鈾豐度測量值與申報值比較精料端 UF 6 氣體鈾質量流量監測結果
                    鈾濃縮廠申報的精料端UF6氣體平均質量流量為3.201g/s(鈾質量流量約為2.163 6g/s),同時期精料端管道中UF6氣體鈾豐度質譜計測量值為4.456 4%,貧料端的U豐度申報值為0.200 1%;供料豐度采用天然鈾豐度(即0.71%),濃縮廠zui終利用這4個數據計算得到分離功率(即申報值)為518.36tSWU/a。
             分離功率監測結果
                    圖4為連續13d的分離功率監測數據,每個分離功率監測數據所需時間以貧料端鈾豐度測量時間為準,即約1.6h。從圖4可知,連續13d的分離功率監測平均值為528.89tSWU/a,與申報值比較,相對偏差≤2.0%;監測到的分離功率不是恒定值,而是在不斷變化,即實際的生產工藝與理想工藝不同,是處于波動變化過程中的,這與工廠的實際情況吻合很好。這也表明,分離功率監測可用來對鈾濃縮工藝狀態進行監測。
             
            4  結論
                    分離功率在線監測系統在鈾濃縮廠進行了實際應用,結果表明,在均不考慮物料損耗的情況下,分離功率在線監測結果與工廠計算值的相對偏差小于2.0% 。同時,該系統能實時反映濃縮設施工藝狀況變化。

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