РУКОВОДСТВО
ПО БЕЗОПАСНОСТИ «ОЦЕНКА ВЗРЫВОПОЖАРООПАСНОСТИ (РБ-125-17) Введено в действие Москва 2017 Настоящее руководство по безопасности при использовании атомной энергии «Оценка взрывопожароопасности сорбционных систем при переработке отработавшего ядерного топлива» (далее - Руководство по безопасности) (РБ-125-17) разработано в соответствии со статьей 6 Федерального закона от 21 ноября 1995 г. № 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии» в целях содействия соблюдению требований пунктов 6.7.7.1 - 6.7.7.3 и 6.7.11 федеральных норм и правил в области использования атомной энергии «Общие положения обеспечения безопасности объектов ядерного топливного цикла», утвержденных постановлением Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 2 декабря 2005 г. № 11 (зарегистрирован Минюстом России 1 февраля 2006 г., регистрационный № 7433). Настоящее Руководство по безопасности содержит рекомендации Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору по проведению оценки взрывопожароопасности систем, предназначенных для выполнения функций разделения/очистки технологических сред сорбционными методами на проектируемых, сооружаемых и эксплуатируемых объектах ядерного топливного цикла, осуществляющих переработку отработавшего ядерного топлива. Выпускается впервые.1 ________ 1 Разработано коллективом авторов в составе: Родина А.В., к.х.н., Понизова А.В., Анисимов Н.А. (ФБУ «НТЦ ЯРБ»), Обручникова А,В., к.х.н. (Ростехнадзор), Коссого А.А., к.т.н. (ФГУП РНЦ «Прикладная химия»). При разработке учтены замечания и предложения ФГУП ПО «Маяк», АО «СХК», ФГБУ ВНИИПО МЧС России, ИПХФ РАН, АО «АТОМПРОЕКТ» и других заинтересованных организаций и ведомств. СОДЕРЖАНИЕ I. Общие положения1. Руководство по безопасности при использовании атомной энергии «Оценка взрывопожароопасности сорбционных систем при переработке отработавшего ядерного топлива» (далее - Руководство по безопасности) (РБ-125-17) разработано в соответствии со статьей 6 Федерального закона от 21 ноября 1995 г. № 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии» в целях содействия соблюдению требований пунктов 6.7.7.1 - 6.7.7.3 и 6.7.11 федеральных норм и правил в области использования атомной энергии «Общие положения обеспечения безопасности объектов ядерного топливного цикла», утвержденных постановлением Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 2 декабря 2005 г. № 11 (зарегистрирован Минюстом России 1 февраля 2006 г., регистрационный № 7433). 2. Настоящее Руководство по безопасности содержит рекомендации Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору по проведению оценки взрывопожароопасности систем, предназначенных для выполнения функций разделения/очистки технологических сред сорбционными методами на проектируемых, сооружаемых и эксплуатируемых объектах ядерного топливного цикла (далее - ОЯТЦ), осуществляющих переработку отработавшего ядерного топлива. 3. Действие настоящего Руководства по безопасности распространяется на ОЯТЦ, на которых осуществляются технологические процессы с применением сорбционных методов разделения/очистки технологических сред при переработке отработавшего ядерного топлива. 4. Настоящее Руководство по безопасности предназначено для применения эксплуатирующими организациями при проектировании, сооружении, эксплуатации ОЯТЦ, для которых предусмотрены технологические процессы с использованием сорбционных методов разделения/очистки технологических сред при переработке отработавшего ядерного топлива, а также специалистами Ростехнадзора при осуществлении ими лицензионной (разрешительной) деятельности или федерального государственного надзора в области использования атомной энергии. 5. Оценка взрывопожароопасности сорбционных систем при переработке отработавшего ядерного топлива может быть выполнена с использованием иных методов, чем те, которые содержатся в настоящем Руководстве по безопасности, при обоснованности выбранных методов для обеспечения безопасности. 6. Результаты оценки взрывопожароопасности сорбционных систем рекомендуется включать в документы, обосновывающие обеспечение безопасности ОЯТЦ и представляемые эксплуатирующей организацией для получения лицензии на виды деятельности в области использования атомной энергии. Термины и определения, используемые в настоящем Руководстве по безопасности, приведены в приложении № 1. II. Общие рекомендации7. Оценку взрывопожароопасности сорбционных систем рекомендуется выполнять для: оценки взрывопожароопасности ОЯТЦ, включающих сорбционные системы; выявления наиболее значимых для предотвращения взрывопожароопасности сорбционных системы ОЯТЦ исходных событий, аварийных последовательностей, систем (элементов), действий персонала; определения приоритетов при разработке и реализации мероприятий, направленных на обеспечение безопасности сорбционных систем ОЯТЦ; оценки влияния мероприятий по модернизации систем (элементов) на безопасность ОЯТЦ, включающих сорбционные системы; оценки влияния нарушений в работе ОЯТЦ, включающих сорбционные системы; оптимизации проектных решений; уточнения перечня аварий, разработки мер по управлению авариями, оценки эффективности мер по управлению авариями; получения данных для разработки технических решений по управлению аварией; обоснования пределов и условий безопасной эксплуатации ОЯТЦ, включающих сорбционные системы; обоснования внесения изменений в проектную, конструкторскую, технологическую и эксплуатационную документацию. 8. Оценку взрывопожароопасности сорбционных систем рекомендуется проводить с учетом: свойств потенциально опасных веществ и материалов, находящихся в сорбционных системах; проектно-конструкторской и эксплуатационной документации по сорбционным системам; актов испытаний и другой документации по техническому обслуживанию и ремонту систем (элементов) безопасности и элементов, важных для безопасности ОЯТЦ, включающих сорбционные системы; информации об отказах элементов систем, важных для безопасности, и ошибках персонала на ОЯТЦ, включающих сорбционные системы; сведений о расследовании нарушений и анализа отклонений в работе сорбционных систем; сведений о нарушении пределов и условий безопасной эксплуатации. 9. Допущения, принятые при выполнении оценки взрывопожароопасности сорбционных систем ОЯТЦ, рекомендуется обосновывать. III. Рекомендации по
этапам оценки взрывопожароопасности
|
к
руководству по безопасности |
В целях настоящего Руководства по безопасности используются следующие термины и определения:
Сорбционная система - совокупность элементов, предназначенная для выполнения функции разделения/очистки технологических сред сорбционным методом.
Критическая температура теплового взрыва Ткр - температура окружающей среды, при которой для сорбционной колонны заданной формы и размеров при заданных условиях теплообмена с окружающей средой происходит переход от безвзрывного к взрывному режиму протекания экзотермической реакции (тепловому взрыву).
Период индукции адиабатического теплового взрыва τад - промежуток времени с начала реакции, протекающей в технологической среде, находящейся в адиабатаческих условиях, до момента, когда скорость реакции достигает наибольшего значения.
Период индукции теплового взрыва τинд - промежуток времени с начала реакции в технологической среде до момента, когда скорость изменения максимальной температуры в сорбционной колонне достигает наибольшего значения.
к
руководству по безопасности |
Схема проведения оценки
взрывопожароопасности сорбционных
систем, используемых при технологических операциях
по переработке отработавшего ядерного топлива
Примечание.
Тв-в - температура веществ в сорбционной системе; Тад - адиабатическая температура веществ в сорбционной системе после протекания неуправляемых реакций; V - объем газообразных продуктов неуправляемых реакций; П - параметры процесса, достигаемые за время операции; ПБЭ - пределы безопасной эксплуатации; τоп - время осуществления операции; τад - период индукции адиабатического теплового взрыва; Топ - температура окружающей среды (стенки колонны); Ткр - критическая температура теплового взрыва; τинд - период индукции теплового взрыва.
к
руководству по безопасности |
Рекомендации
по проведению оценки адиабатического (минимально возможного)
периода индукции теплового взрыва от протекания в сорбционной
системе неуправляемых реакций
Исходные данные
Цель: оценить безопасность операции ожидания подачи раствора в сорбционную колонну, осуществляемой при температуре 70 °С в течение 6 часов.
Сорбционная колонна общим объемом 1 м3 на 80 % заполонена сорбентом, содержащим нитратные группы.
Операция проводится при атмосферном давлении, обеспечен свободный отход газов со скоростью 0,01 м3 с-1.
Для операции установлены следующие пределы безопасной эксплуатации - T = 80 °С и Р = 6 атм;
Теплоемкость сорбента (Ср,уд) равна 2 кДж кг-1.
Плотность сорбента (ρ) равна 1000 кг м-3.
Максимальный тепловой эффект разложения (Qуд) равен 1500 кДж кг-1.
Удельный объем газообразных продуктов (Vуд) равен 1 м3 кг-1 (при нормальных условиях).
Скоростью выделения радиолитического водорода можно пренебречь.
Проведение оценки
На основе экспериментальных данных определено, что для указанного сорбента скорость тепловыделения (q, кДж кг-1·с-1) описывается уравнением:
|
(1) |
где:
k0 - предэкспоненциальный множитель (с-1);
Еa - энергия активации (Дж моль-1);
R - универсальная газовая постоянная (Дж моль-1 К-1);
Т - температура веществ (К); α - глубина превращения;
при следующих параметрах уравнения:
k0 = 19,6·1010 с-1; Еa = 120·103 Дж моль-1.
Изменение температуры веществ во времени можно рассчитать исходя из следующего уравнения:
где τ - время (с).
Численное решение данного уравнения при начальной температуре, равной Т0, представлено на рис. 1.
Рис. 1. Изменение температуры веществ во времени в адиабатических условиях
Определенный период индукции адиабатического теплового взрыва равен 30 часам. За время операции в 6 часов в адиабатических условиях достигается температура в 72 °С, глубина превращения составляет 2,7·10-3 (0,27 %), максимальная скорость изменения глубины превращения составляет 1,3·10-7 с-1 (1,3·10-5 % с-1). Это соответствует объему газов для всей загрузки 2,2 м3 (при нормальных условиях), или 2,8 м3 (при Т = 72 °С) и 1,07·10-4 м3 с-1 (при нормальных условиях), или 1,35·10-4 м3 с-1 (при Т = 72 °С) соответственно. Поскольку свободный объем колонны равен 0,2 м3, возможное избыточное давление в случае герметизации колонны, оцененное по уравнению для идеальных газов, составляет 11 атм.
Выводы
Если герметизация колонны невозможна, данная сорбционная система в указанных условиях является взрывопожаробезопасной, поскольку время проведения процесса значительно меньше оцененного периода индукции адиабатического теплового взрыва и за время проведения процесса пределы безопасной эксплуатации для сорбционной системы не будут нарушены.
Если возможна герметизация колонны, вывод о безопасности сорбционной системы сделать нельзя, поскольку будет нарушен предел безопасной эксплуатации по давлению для данной сорбционной системы.
к
руководству по безопасности |
Рекомендации по проведению
оценки критической температуры
теплового взрыва от протекания неуправляемых реакций в условиях
тепловых потерь в окружающую среду
Исходные данные
Цель: оценить безопасность операции ожидания подачи раствора в сорбционную колонну, осуществляемой при температуре 70 °С в течение 6 часов.
Сорбционная колонна внутренним диаметром 20 см заполнена сорбентом, содержащим нитратные группы и равномерно распределенный радиогенный источник тепла. Общий объем загрузки колонны составляет 0,06 м3.
Теплоемкость сорбента (Ср,уд) равна 2 кДж кг-1.
Плотность сорбента (ρ) равна 1000 кг м-3.
Коэффициент теплопроводности технологической среды (λ) равен 0,6·10-3 кДж м-1 К-1 с-1.
Максимальные тепловой эффект разложения (Qуд) равен 1500 кДж кг-1.
Скоростью выделения радиолитического водорода можно пренебречь.
Проведение оценки
На основе экспериментальных данных определено, что для указанного сорбента скорость тепловыделения (q, кДж кг-1 с-1) описывается уравнением:
|
(1) |
где:
k0 - предэкспоненциальный множитель (с-1);
Еа - энергия активации (Дж моль-1);
R - универсальная газовая постоянная (Дж моль-1 К-1);
Т - температура веществ (К);
α - глубина превращения.
При следующих параметрах уравнения:
k0 = 19,6·1010 с-1; Ea = 120·103 Дж моль-1; qrad = 1·10-2 кДж кг-1 с-1.
Изменение температуры веществ во времени можно рассчитать исходя из следующего уравнения:
При изменении начальных условий по температуре сорбента и стенке колонны при неизменных остальных начальных и граничных условиях рассчитывается температура, при которой происходит переход от безвзрывного к взрывному режиму протекания экзотермической реакции. Результаты расчета максимальной температуры на центральной оси колонны приведены на рис. 1 для следующих граничных и начальных условий:
граничные условия на оси колонны (для цилиндрических координат):
|
(3) |
граничные условия на боковой поверхности:
|
(4) |
граничные условия на торцах слоя сорбента:
|
(5) |
начальные условия:
Tτ = 0 = T0 = 49 и 50 °С, |
(6) |
где:
n - вектор нормали к поверхности в данной точке, м;
Rкол - внутренний радиус колонны 0,07 м;
α - коэффициент теплоотдачи 0,5 кДж м-2 К-1 с-1;
Tст - температура стенки колонны (Tст = T0), К;
Zm - высота участка колонны, занятого сорбентом 1,9 м;
Рис. 1. Изменение максимальной температуры веществ во времени в колонне
Определенная критическая температура теплового взрыва (Tкр) равна 49 °С, что является ниже температуры проведения процесса.
Выводы
Вывод о безопасности сорбционной системы сделать нельзя, поскольку температура проведения процесса выше критической температуры теплового взрыва. Следует провести этап оценки периода индукции теплового взрыва от протекания в сорбционной системе неуправляемых реакций в условиях тепловых потерь в окружающую среду.
к
руководству по безопасности |
Рекомендации по проведению
оценки периода индукции теплового
взрыва от протекания в сорбционной системе неуправляемых реакций
в условиях тепловых потерь в окружающую среду
Исходные данные
Аналогичны исходным данным приложения № 4.
Проведение оценки
Численно решив уравнение (2) приложения № 4 с такими же граничными условиями, но с начальными условиями по температуре, равной температуре проведения процесса (T0 = 70 °С), получается следующая зависимость максимальной температуры внутри колонны от времени (рис. 1).
Рис. 1. Изменение максимальной температуры веществ во времени в колонне
Результаты расчета показывают, что период индукции теплового взрыва (τинд = 3 часа) меньше планируемого времени проведения процесса (τоп = 6 часов). Оцененный вклад дополнительных теплопотерь не приводит к ощутимому увеличению периода индукции теплового взрыва.
Выводы
Следует считать сорбционную систему взрывопожароопасной и принять меры по предотвращению ее взрывопожароопасности, поскольку полученное значение периода индукции меньше времени осуществления технологической операции в сорбционной системе.
к
руководству по безопасности |
Рекомендации по проведению
оценки влияния отклонений
параметров технологического процесса на взрывопожароопасность
сорбционных систем
Исходные данные
Аналогичны исходным данным приложения № 3.
Цель: оценить отклонение температуры процесса на 5 °С в сторону увеличения.
Проведение оценки
Проведенный расчет по уравнению 2 приложения № 3 для начальной температуры процесса, равной 70 + 5 °С, дает следующие результаты (рис. 1).
Рис. 1. Изменение температуры веществ во времени в адиабатических условиях
Определенный период индукции адиабатического теплового взрыва равен 17,1 часа. За время операции в 6 часов в адиабатических условиях достигается температура в 79 °С. Пределы безопасной эксплуатации нарушены не будут.
Выводы
Рассмотренный случай единичного отклонения параметра процесса не приводит к существенному снижению безопасности, пределы безопасной эксплуатации не нарушаются.