魏格纳能对核石墨退役中燃烧的贡献分析

魏格纳能对核石墨退役中燃烧的贡献分析

徐卫东,徐立国,何赟

（中核四川环保工程有限责任公司 四川 广元 628000）

摘要：切尔诺贝利核电事故和英国温茨凯尔１号堆火灾的后，给政府决策者认为反应堆的石墨部件在退役过程中可能存在维格纳能释放导致火灾危险和爆炸的风险，在国内外文献中很容易找到“石墨燃烧”、“石墨火灾”等的相关信息。本文结合核石墨的特性，根据石墨潜能的释放的规律，分析了潜能释放对核石墨氧化、爆炸的可能性，得出在核石墨自身在反应堆内回取、转移、石墨处理和处置过程中发生火灾和爆炸的可能性是可忽略的，为后续核石墨退役及处理提供参考。

关键词：核石墨、魏格纳能、燃烧、爆炸

Analysis of Wegener energy contribution to combustion in nuclear graphite decommissioning

Xu Weidong Xu Liguo He Yun

（中核四川环保工程有限责任公司 四川 广元 628000）

(CNNC Sichuan Environmental Protection Engineering Co. Ltd. Guangyuan, Sichuan 628000)

Abstract: The aftermath of the Chernobyl accident and the Windscale Reactor 1 fire has given decision makers the idea that there may be a risk of Wigner energy release from the graphite components of reactors during decommissioning leading to fire hazards and explosions, and information about "graphite combustion", "graphite fires", etc., is readily available in domestic and international literature. It is easy to find information about "graphite combustion" and "graphite fire" in domestic and international literature. This paper combines the characteristics of nuclear graphite, according to the law of graphite potential release, analyzes the possibility of potential release on the oxidation and explosion of nuclear graphite, and concludes that the possibility of fire and explosion in the nuclear graphite itself is negligible in the process of retrieving, transferring, graphite treatment and disposal in the reactor, which will provide a reference for the subsequent treatment of nuclear graphite.

Keywords: nuclear graphite, Wegener, fire, explosion,

1前言

众所周知，反应对内快中子对石墨的辐照会引起魏格纳能的积累。在动力反应堆中，高辐射运行温度在储存的能量形成时对其进行退火，相比之下，研究反应堆和生产反应堆的辐照温度保持较低，导致大量储存的能量可以累积，如果绝热条件下释放，足以将石墨的温度提高几百度。反应度在石墨在退役过程中会产生少量的石墨粉尘，石墨粉尘中大量储存能量的存在提出了一个问题，即它是否会对石墨燃烧或爆炸产生显著影响。通常认为，储存的能量是在低温下释放的热源，因此可能会影响点火能量，从而更容易引发爆炸。同样，超过石墨氧化释放的额外能量可能会增加火焰速度和燃烧温度。

切尔诺贝利核电站事故于1986年4月26日发生在乌克兰苏维埃共和国境内，该电站第4发电机组爆炸，核反应堆全部炸毁，大量放射性物质泄漏，成为核电时代以来最大的事故，众多文献中提到是石墨着火导致爆炸。

考虑尝试“退火”温茨凯尔１号堆累积的部分魏格纳能。该堆在1957年发生了火灾。因此，魏格纳能在准备拆除温茨凯尔１号堆的安全论证中起重要作用。

其他可能受魏格纳能问题影响的反应堆包括汉福特反应堆，俄罗斯和中国早期的生产堆以及法国Ｇ１堆。在苏联设计的ＲＢＭＫ 反应堆中，与控制和装置通道中的冷却水管接触的少量石墨在足够低温度下运行会累积大量的魏格纳能。

2核石墨的特性

2.1石墨特性

碳是宇宙中第4丰富的元素，其中石墨是热力学最稳定的同素异形体，甚至比钻石更稳定。如图1所示，六边形石墨由六边形“蜂窝”结构碳基面或石墨烯片的排列组成，这些层相互平行，形成交替的“ABAB”结构。理论晶体密度为2.266 g/cm3，因此忽略孔隙率和堆垛层错。

图1: 石墨的碳平面结构

2.2核石墨制作

核石墨用石油和天然沥青焦制造。这些沥青焦是烘烤过的、混合的，并与黏合剂混合，通过挤压、模压或均衡挤压形成不同形状的块，被称作“生料”。这种“生料”在约800℃下烘烤成碳块后，直接用于某些反应堆的屏蔽或绝热。计划用于慢化剂或反射体的块在2800℃下被石墨化，然后可能进一步注入沥青，再次烘烤和石墨化，以提高密度。典型核石墨制作工艺见图2。

图2 核石墨典型制造过程的流程图

非辐照核石墨的最初密度范围为1.6~1.8g/cm3，差异原因是产品块的内部多孔性，多孔意味着里面存在气体。石墨砌体见图3、图4。

图3垂直拱肋石墨砌体            图4 有十字形冷却孔的石墨砌体

2.3石墨辐照

快中子辐照和辐射氧化从根本上改变核石墨的物理和机械特性，石墨在惰性环境下运行的反应堆中，如轻水石墨慢化反应堆（LWFR）或HTR，辐射氧化并不是一个问题。但是，在气体或空气冷却反应堆中会发生大量辐射氧化。

3魏格纳能

3.1魏格纳能产生

石墨经过中子辐照后出现魏格纳能，原因是原子从正常栅格位置移动到更高势能的结构。累积的储能量是快中子通量、辐照时间和温度的函数。辐照温度越高，储能的量就越少。在所有情况下，长期辐照的储能总量有一个饱和点。曾在石墨样本中发现的最大储能量约为2700J/g，如果全部立即释放，假定在绝热情况下，理论上会导致温度升高约1500℃。

图5 辐射在石墨中引入的晶格缺陷示意

其他可能受到维格纳能源问题影响的反应堆包括汉福德反应堆、俄罗斯和中国的早期生产反应堆以及法国的G1。在苏联设计的RBMK反应堆中，与控制和仪器通道中的冷却水管接触的少量石墨在足够低的温度下运行，以积累大量的维格纳能量。

3.2魏格纳能释放

退役期间，当加工和处理单独的石墨块时，反应堆中会有引起魏格纳能意外释放的潜在风险。这种风险虽然小，但仍需评估。同时也有可能在任何贮存阶段、包装和整备甚至在最终废物处置库发生能量释放。

图6 温茨凯尔堆石墨销储能释放率

英国、法国、西班牙、日本和意大利的镁诺克斯型堆或AGR 堆不存在此类问题。在这些堆中，退役活动期间大块石墨中产生自持氧化作用的风险是可忽略的。尽管在英国某些较早的镁诺克斯堆底部，石墨中魏格纳能的总量高于温茨凯尔堆某些部位的储能，但是这种能量开始释放的温度高于200℃。另外，能量的释放率点不会超过比热，因此自热不是一个问题。这主要是因为与早期的反应堆相比，操作期间的进气温度更高：英国镁诺克斯堆通常在140～210℃左右，AGR甚至更高。储能在HTR中不是一个问题，因为石墨温度非常高。

通过石墨魏格纳能释放规律看，核设施在退役及石墨处理过程中，石墨预处理温度均不会大于石墨储能释放初始温度。即使石墨潜能全部释放，也不会引起石墨的燃烧。

4石墨氧化燃烧

石墨是一种化学反应性低的物质，通常情况下反应性不强。已经证明石墨在极端条件下是无害的，例如幻灯弧、电刷、从超过3000℃的电弧熔炉中取出的电极、重返大气层的太空交通工具的组件和喷气发动机使用的石墨纤维加固件。

石墨仅在极强大的反应剂作用下才发生化学反应.潜能的释放会对石墨的氧化产生影响，从热动力学角度来讲，石墨在空气中的氧化在4000℃以下易于发生。有三种作用的“氧化模式”：

模式１：氧化作用遵守简单的阿列纽斯率定律，特点是在不间断空气供给状态下发生低温氧化；

模式２：随着温度增加变得重要：潜在的氧化率高，但是石墨的细孔和表面结构对氧化剂扩散有限制作用；

模式３：在更高的温度下，扩散率不再受限制，但对反应气体供应具有质量输送限制。石墨组件越大，发生更高一级模式的氧化的温度越低。

已经多次测量了从英国运行反应堆取出的慢化剂和套管石墨的样品在空气中的氧化率。对大多数其他的气冷反应堆也做了相似的测量。测量通常在模式１的条件下进行，结果表明在450℃的氧化率为中等，活化能使得在350℃以下不会发生显著氧化。

另外，石墨储能能量的释放率点不会超过比热，因此自热不是一个问题,Scheitzer已经根据布鲁克海文国家实验室在温茨凯尔火灾后所作的研究，明确了石墨和空气发生自持氧化反应前必须同时满足的条件：

１）最低温度900℃；

２）利用燃烧热量或一些外部能源维持这一温度；

３）充足的空气或氧气供应；

４）气态氧化剂源必须以能够除去气体产物但不过分冷却石墨表面的速率流动；

５）石墨和氧化剂的适当构造（认为反应堆的通道是“适当的”）。

在此注意，自持燃烧几乎始终需要人工持续供应空气，如果没有，可用的氧气将很快耗尽。条件２）几乎很难在这个近乎完美的黑体辐射体中达到，因为不产生灰烬，所以无法保持热量。即使是辐照石墨，当重新加热到接近900℃时，也具有合理的热导率。所以，通过这一额外的排热机理（方法）可进一步阻止大块组件的燃烧，另外，在WAGR拆除过程中使用火焰切割设备，并得到对石墨切割有效性验证，证明了石墨在高温状态下的稳定性。

5石墨粉尘爆炸

切尔诺贝利事故和1957年Windscale堆1火灾的记忆使人们意识到，反应堆的石墨部件在退役过程中可能存在火灾危险，石墨产生的粉尘可能存在爆炸危险。

尘云爆炸并不常见，但偶尔会造成严重的工业危害。面粉可能是一个典型的例子，但是几乎所有的材料如果存在足够的数量和足够的分散，都会引起爆炸。历史记载了几个由碳质材料引起的显著例子，如糖、淀粉、玉米、木屑和煤等。

退役和石墨预处理过程中，会产生一定量的石墨粉，提出发生粉尘爆炸必须满足的条件是有用的，这些条件包括：

１）粉尘必须是可燃的(挥发性成分的存在是一个重要因素)；

２）粉尘必须是气载的，这意味着需要湍流，使粉尘自由下落穿过氧化气体；

３）粒度必须最利于火焰扩散；

４）粉尘浓度必须在爆炸范围内（不能太高也不能太低）；

５）引起火焰扩散的充分点火源必须与悬浮粉尘接触（应当避免使用热力切割设备）；

６）粉尘悬浮的环境必须含有支持燃烧的充足氧气。

如果要发生破裂爆炸，额外的要求是粉尘悬浮必须在一个封闭空间，因为这样会抑制因点火造成的压力上升的缓解。

图7 粉尘爆燃的典型时间/压力图

各个国家对石墨燃爆的研究Chapelcross石墨监测实验室的额外试验和前火灾研究站的深入试验都未发现石墨粉尘固有爆炸性的任何根据，设备中同时有极强大的化学点火剂和极高粉尘浓度的情况除外。也应当注意，法玛通（Framatome）评估了与其压碎和焚烧辐照石墨的试验工厂设计相关的粉尘爆炸性，得出的结论是无危险。

在西班牙，1000ｔ辐照石墨被压碎，操作中产生的粉尘没有引起任何爆炸危险。因此，容易理解英国标准火灾研究站标准（和其他国际机构）最初把石墨粉尘归类为“非爆炸的”，不认为镁诺克斯或AGR 的辐射可能会对此有影响。

在所有的镁诺克斯型堆中观察到回路中的石墨粉尘浓度在任何情况下都极低。

SOGIN最近的工作证明了这种影响，在该工作中，发现在运行近30年后从Latina Magnox反应堆中移除的反应堆粉尘在ISO试验中是不可能爆炸的，而其他工作人员发现纯的未辐照石墨具有弱爆炸性。通过混凝土通风管道吸入风标桩的混凝土粉尘可能具有类似的惰性效应。

因此，一般来说，人们可以得出结论，在反应堆退役过程中遇到的石墨粉尘中的杂质不太可能代表额外的爆炸危险，更有可能是有益的，充当“惰性”材料并降低任何爆炸的可能性。

英国核电的历史已经发展到了特殊阶段，即大多数老式的、主要是气冷式的石墨慢化反应堆已经达到或即将达到其使用寿命，并且正在考虑如何拆除石墨堆芯。该退役过程有可能产生极细的石墨粉尘，这是一种可能的爆炸危险。Denkevits和Dorofeev使用标准20升容器进行的实验证明，当浓度大于70g /m3时，颗粒尺寸范围为4mm 40mm的石墨粉尘在空气中燃烧。爆炸值属于最低危险等级，因此分类如下维格纳能量对火焰速度几乎没有影响。

法国和英国对核级石墨粉尘在有点火源的情况下的行为进行了广泛的测试。这些计划有一些共同的特点，提供了独立确认基本“粉尘爆炸”参数，这些基本“粉尘爆炸”参数是从即将退役的反应堆中使用的石墨中提取的各种样品。所获得的基本爆炸参数的结果显示了高度的一致性，证实了纯石墨粉尘在ISO标准或等效标准测试的条件下具有非常弱的爆炸性。

6结论

本文分析国外对石墨魏格纳能产生的原因，魏格纳能释放的条件，分析了释放过程中对石墨的氧化燃烧及粉尘爆炸的影响。辐照后的核石墨具备石墨物理和化学稳定性，石墨潜能释放导致石墨燃烧的性可以忽略，石墨粉尘引起石墨爆炸的可能想是极低的。

根据以上结论在石墨堆的退役过程中石墨的回取、转运、切割、整备过程中，在指定反应堆及石墨处理策略时，可以不许特别关注。

参考文献

[1]逄锦鑫,叶一鸣,吴栋. 核反应堆退役放射性石墨处理处置技术[J]. 广东化工, 2022, 49(09): 34-35, 28.

[2]苏思瑾,卢喜瑞,陈梦君,等. 用自蔓延高温合成技术(SHS)处理模拟含锕系元素的放射性石墨的初步研究[J]. 辐射防护, 2013, 33(02): 91-96, 101.

[3]苏思瑾,丁艺,赵彦红,等. SHS制备模拟放射性石墨固化体抗浸出性能研究[J]. 武汉理工大学学报, 2014, 36(06): 10-17.

[4]姜子英,张燕齐,温保印. 放射性石墨废物处理处置策略的变化[C]//中国原子能科学研究院年报 2013: 中国原子能出版社, 2014: 262-263.

[5]赵岭岭,滕元成,刘兵,等. SiC固定模拟放射性石墨的研究[J]. 中国陶瓷, 2014, 50(01): 13-17.

[6]周连泉,王培义,马明燮,等. 放射性污染石墨焚烧处理的可行性研究[J]. 辐射防护, 2001, (03): 171-175.

[7]邓浚献,吴仲尧,谢小龙,等. 核设施退役废石墨的处理与处置[J]. 核安全, 2008, 21(03): 49-51.

[8]郑博文,李晓海,周连泉,等. 放射性废石墨的处理处置现状[J]. 辐射防护通讯, 2012, 32(03): 32-37.

[9]郑博文,李晓海,王培义. 放射性废石墨的焚烧处理[J]. 辐射防护通讯, 2011, 31(01): 36-39, 43.

1