【独家编译】核废料贮藏设备的腐蚀防护

2015-11-08 16:20:46 作者：李玲珊来源：

腐蚀是金属无时无刻都需要面对的残酷敌人，对于装满核废料的钢筒而言，同腐蚀的斗争是绝不可能停止的。据Material Performance 2015年10月1日报道，意大利面临的情况就是这样的，虽然意大利国内核能生产已经停止，但是因发电、研究、医学和工业活动所产生的副产品--低放射性废料仍需要安全贮存。

核废料贮藏设备

核废料贮藏需精确的湿度控制

位于意大利罗马的Sogin S.p.A.公司（全称：Società Gestione Impianti Nucleari）是意大利一家国有公司，负责意大利核设施的退役和放射性废料的管理。该公司正在做的一个项目是针对意大利中部之前设立的核电站中的一座建筑进行整修。该项目的目的是要满足意大利和国际上对于低放射性废料临时贮藏的要求，直到将这些废料运往一个永久的国家贮藏地。

临时设备是一个单层的矩形空间（30m*15m），分成两部分。废料因具有放射性被包裹在混凝土里贮藏在钢筒中。钢筒外部直径为0.8米，第二层包装的直径是1米。相对湿度（RH，全称Relative Humidity）须维持在65%以下（包含65%），从而来防止腐蚀。

Sogin公司的结构工程师、项目团队主管Gianluca Barbella说：“需要控制空气湿度是因为钢筒采用的不是不锈钢，采用混凝土第二层包装，就意味着除了最初取出来的时候钢筒本身都是无法检查的，因此对腐蚀过程的监控无法持续进行。而且，地点是暴露在相对湿度较高的环境当中。因此，湿度控制非常严格。”

然而，设备的预期使用寿命是25年，这么多年采用暖通空调系统（HVAC）维持最佳条件所产生的成本是大量的。除此之外，因为设备无法扩大，暖通空调系统对空间的需求就会导致贮藏废料的空间变小。还有，暖通空调系统的停工期是无法避免的，可能会是因为设备失灵，也可能会是因为定期检修。

一种可能的选择就是采用工业等温除湿机，其体型相对较小，灵活可移动，需要的维修保养比较少，而且可以大幅度降低运行成本。这些优点都基于逆卡诺热循环：风扇将空气鼓入装置，在鼓入过程中，空气会经过一个蒸发器冷却下来，空气中过量的水分会冷凝成水滴流入一个水槽。之后空气会经过一个冷凝器，空气会被加热几度，变成干燥暖空气后回收到环境中。

Sogin公司的项目依赖于数值模拟来研究两种不同工业等温除湿机因不同尺寸和配置带来的影响。模拟可以帮助Sogin公司设计出一款简单、节能的除湿系统，从而对钢筒中放射性废料进行腐蚀防护。这项分析是由Sogin公司机械设计部的Piergianni Geraldini来完成的。其目的是辨认设备的需求，从而确定出空间不同单元的最佳布局（如图1）。

图1：该平面图阐明了临时贮藏设备的空间是如何被分成两部分的。

模拟确定最佳布局

首先，空间中湍动空气气流的研究是通过静止流体流动的研究来实现的，这项研究基于一个单相不可压缩k-epsilon湍流模型。这一模型的目的是要做到当除湿机在使用状态中时在贮藏区域再现气流速度场。这些研究的结果被用于时间依赖的完全耦合模拟（time-dependent, fully-coupled simulations），研究空间大气环境中热量和水分的转移（见图2）。所有的模拟都是通过美国马萨诸萨州伯灵顿COMSOL公司多物理场仿真软件来实现的，该通用软件平台基于一些先进的建模和模拟物理问题的数值方法和热量转移模型。全部的研究结果都被用于开发除湿机的最佳布局，帮助工程师们设计出一款全新的除湿系统，将浑浊空气最小化，将运转效率最大化，将相对湿度最佳化。