基于计算流体动力学（CFD）的连续SCWO反应器对放射性TBP的处理性能研究

《Annals of Nuclear Energy》：Performance study of a continuous SCWO reactor for radioactive TBP based on CFD

基于计算流体动力学（CFD）的连续超临界水氧化（SCWO）反应器放射性三丁基磷酸（TBP）处理性能研究，提出整合反应与冷却区的结构方案，优化顶冷媒与TBP质量流比7:1、底冷媒80 kg/h条件下，TBP去除率超99%，峰值温度811 K，验证结构可行性并指导工艺参数优化。

　　

二炳石|钟杰张|佩兰王|子军张|新仁|袁刘|家琪韩

中国核工业第七研究设计院，太原030000

摘要

磷酸三丁酯（TBP）在核燃料循环的乏燃料再处理中广泛用作萃取剂。长期储存放射性TBP存在泄漏和爆炸的风险，因此需要适当的处理措施来应对放射性污染扩散和生产中的潜在安全隐患。超临界水氧化（SCWO）技术利用超临界水的特殊物理和化学性质，实现有机物的完全降解。本研究基于计算流体动力学（CFD）对连续式SCWO反应器处理放射性TBP的性能进行了研究。提出了SCWO反应器的关键设计标准，并开发了一种结合反应区和冷却区的结构方案。使用ANSYS Fluent对基线和优化条件下的流体流动、传热和化学反应进行了多物理场耦合分析。基线条件分析结果显示，TBP的去除率可超过99%，SCWO反应器内的峰值温度为811 K。反应速率沿轴向呈现出双峰分布。优化条件分析表明，顶部冷却水与TBP的质量流量比为7，底部冷却水的质量流量为80 kg/h时，满足关键设计标准。研究结果验证了连续式SCWO反应器结构方案的可行性，并可为开发用于处理放射性TBP的连续式SCWO反应器设备以及系统工艺参数的调节提供指导。

引言

核燃料循环是一个高端产业，具有超长的产业链，涉及广泛而复杂的领域。以核反应堆中核燃料组件的应用为分界点，包括铀勘探与开采、铀转化、铀同位素分离和核燃料组件制造等过程被称为前端技术；而乏燃料处理和处置过程则被称为后端技术。开放式核燃料循环技术将乏燃料作为废物储存在深层地质库中以实现永久处置。相比之下，闭式核燃料循环技术可以从乏燃料中回收有价值的可裂变材料（如铀和钚）进行再利用（Xiao, 2020）。显然，闭式核燃料循环更有利于核能的可持续发展。乏燃料再处理是实现核燃料循环的关键步骤。PUREX工艺在乏燃料再处理中占主导地位，该工艺使用TBP作为萃取剂从乏燃料中提取铀和钚（Ye et al., 2020）。

在PUREX工艺中，当TBP与含有铀、镎、钚和裂变产物的硝酸水溶液接触时，不仅会受到酸、氧化剂和还原剂等化学试剂的影响，还会受到不同强度的α、β和γ射线的辐照。经过反复使用后，TBP会产生一系列降解产物，导致溶剂质量和萃取性能下降，最终成为放射性有机废物（Jiang et al., 1995）。长期储存放射性TBP存在泄漏和爆炸的风险，因此需要适当处理放射性TBP以解决放射性污染扩散和生产中的潜在安全隐患（Xu et al., 2023）。

超临界水是指温度高于647 K、压力超过22.1 MPa的水，其物理和化学性质（如氢键、密度、介电常数等）与液态水有显著差异（Fernandez et al., 1997）。SCWO是一种高效的有机废物处理技术，它利用超临界水的弱氢键特性使氧化剂与大多数有机物质互溶，形成均匀体系，并将有机废物完全降解为CO₂和H₂O。SCWO技术结合了高效处理和无二次污染的优点（Zhang et al., 2017, Ding et al., 2021）。然而，超临界水的介电常数相比常压水显著降低，大大削弱了其极性以及溶解极性无机盐的能力，这可能导致超临界区域内无机盐迅速沉淀，从而引发SCWO反应器的堵塞风险和材料腐蚀（Xu et al., 2015, Xu et al., 2021）。

一些研究人员对用于处理放射性有机废物的SCWO反应器的构建和应用进行了研究。Mi等人（2024）研究了一种间歇式SCWO反应器，用于处理TBP/十二烷混合物。在773 K、10分钟、25 MPa的条件下，使用CeO₂催化剂后，有机溶剂中的总有机碳（TOC）含量减少了99%。温度对去除率的影响最大。Yin等人（2024）在连续式SCWO反应器中使用硝酸钠作为氧化剂处理TBP，通过探讨反应温度、反应压力和停留时间对有机物去除率的影响，最终确定了最佳反应条件：反应温度773 K、反应压力22.5 MPa、过氧化物系数1.5、停留时间55.7秒。在这些条件下，有机物去除率超过了95%。

鉴于SCWO反应器的高操作温度和压力，通过实验方法进行SCWO反应存在风险，也无法监测反应器的内部反应速率和温度分布。目前CFD技术在许多领域发挥着重要作用。基于CFD方法研究SCWO反应器的性能可以在各种工作条件下分析关键内部现象，这对于验证SCWO反应器结构方案的可行性以及指导工艺参数的调节具有重要意义。Purohit等人（2021）建立了一个小型SCWO反应器的CFD模型，并使用EDC模型预测了反应温度。Leybros等人（2012）建立了离子交换树脂SCWO反应器的CFD模型，并观察了反应区内温度和搅拌速度的影响。

与间歇式反应器相比，连续式反应器具有反应时间短和处理效率高的优势。本研究基于CFD研究了连续式SCWO反应器处理放射性TBP的性能，提出了SCWO反应器的关键设计标准，并开发了一种结合反应区和冷却区的结构方案。使用ANSYS Fluent对基线和优化条件下的流体流动、传热和化学反应进行了多物理场耦合分析，获得了SCWO反应器内的关键物理场分布（包括温度、速度、物种浓度和反应速率），并确定了最佳操作条件。这项研究可为开发用于处理放射性TBP的连续式SCWO反应器设备以及系统工艺参数的调节提供指导。

设计标准

设计标准是评估SCWO反应器结构方案合理性的重要基准。基于放射性TBP处理的要求以及SCWO反应器中常见的无机盐沉淀等问题，提出了以下关键标准：

(1)

为实现放射性有机废物的有效降解，TBP的去除率应确保达到99%。

(2)

温度对反应速率有显著影响。为了确保反应速率较快

CFD分析模型

SCWO反应器的分析使用ANSYS Fluent进行。由于SCWO反应器是圆柱形且轴对称的，在模拟中将其简化为二维轴对称模型。

为了便于分析SCWO反应器内的温度分布特性，定义了三条特征线：Line-1（对称轴）、Line-2（轴线与内壁表面之间的中线）和Line-3（外壁表面线）。

边界条件

基线条件的边界条件如表3所示。

分析结果

图8显示了基线条件下SCWO反应器内部温度场的分布特性。有机废物液体通过顶部喷嘴注入后，TBP与周围氧气发生剧烈氧化，释放大量热量。注入的流体被反应热持续加热并在各个方向扩散，在上方形成局部积聚区。

顶部冷却水流量的优化分析

通过改变顶部冷却水与TBP的质量流量比，研究了顶部冷却水流量对SCWO反应器内温度分布的影响。得到了整体温度场分布和Line-1处的温度变化对比，分别见图17和图18。分析结果表明，在不同操作条件下，SCWO反应器内的温度变化趋势一致。

结论

针对核燃料循环乏燃料再处理过程中产生的放射性TBP，基于CFD对连续式SCWO反应器的性能进行了研究，得出以下结论：

(1)

结合反应区和冷却区的连续式SCWO反应器配置可以实现超过99%的TBP去除率，验证了连续式SCWO反应器结构方案的可行性。

(2)

受物种分布的影响

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。