作者:Jim Burelbach, PhD，首席商务官，Fauske & Associates, LLC和Marty Plys，DSC，首席技术官，Fauske＆Associates，LLC |
Fauske & Associates, LLC (FAI)开发了离子交换器(IX)性能的计算流体动力学(CFD)模型，作为我们支持2011年3月11日海啸和反应堆恢复工作的一部分融化事故在日本福岛第一核电站。 在意外的立即发生后，在对受损反应堆供水后恢复后，污染的水开始积聚在反应堆建筑结构的较低高度。东京电力公司（Tepco）认识到累积的水很快需要被净化，而东芝公司被Tepco雇用来解决这个问题。FAI参加了东芝“战争室”的努力，并分配了水清理系统设计的技术基础，最终将其命名为Sarry系统。 FAI IX模型是在作战室服务期间根据符合NQA-1的质量保证程序开发和创建的。我们模型的关键输出是估计了离子交换模块(ixm)的更换频率，从而估计了清除积聚水所需ixm数量的成本。这些估算是作为SARRY系统成本提案的一部分提供给东京电力公司的，该系统自2011年夏天以来已成功实施和运行。 FAI IX模型自2011年以来一直在发展，我们正在升级该模型，以扩展其用于更普遍的严重事故应用和商业非核应用的能力。本文介绍了该模型目前可以解决的各种问题，并提供了一些具体的例子。 FAI IX模型的Sarry版本仅考虑了一种离子类型和一个吸附器颗粒类型。扩展模型将考虑多个离子和多个颗粒，其包括考虑吸附剂颗粒的粒度分布。在这里，我们将展示可以获得单离子和吸附器可以获得的各种结果的示例。 对SARRY有兴趣的关键离子是铯和锶。很难把这些离子从溶液离子竞争同一列的元素周期表,即钠和钾的Cs,老和Ca的此外,pH值本身可以有一个影响离子交换介质的性能。 除去离子的能力由一个称为分布系数的参数量化，给出符号KD.。这是平衡固体浓度和平衡液体浓度的比率。由于它是传统的，以表达为摩尔/ kg的固体浓度，并且表达液体浓度为摩尔/升，则为KD.通常按L/kg报价。 典型的去除碱金属离子的离子交换介质是天然存在的无机沸石，如斜发沸石和沙晶石。在20世纪90年代，美国能源部成功地开发了一种高效合成沸石材料，称为晶体硅钛酸盐(CST)，研究表明，即使在存在非常高浓度的Na和k的情况下，其对Cs和Sr的去除也具有高度的选择性。 福岛核污染清除的关键问题是，暂时使用海水注入冷却水，因此积累的污染水具有高浓度的Na、K和Ca。因此，美国能源部开发的CST产品是SARRY系统的理想选择。 FAI IX模型的质量保证谱系包括模型比较实验结果。对于我们的Sarry工作，我们检查了据IX媒体的实验，最重要的是相关馈送解决方案。图1显示了FAI IX模型与用于模拟ORNL的ERNL进行CST进行的实验的模型的比较。ORNL（ROSEN）模型用于导出k的值D.重现数据，FAI（详细）模型使用ORNL报告的确切输入。 图1，原始Fai Sarry模型与Ornl最适合SCT数据的比较。
如福岛所做的那样，模型的最典型使用是优化离子交换模块（IXMS）的服务时间。用于离子交换系统的典型设计包括在服务期间旋转的串联的两个或三个模块。对于核应用，我们经常考虑三个IXMS系列，其中包括第三个和最后IXM是“保险单”的概念。因此，IXM使用的策略称为Verry-Go-Round（MGR）方法：Lead IXM被加载并根据预期居里加载等标准进行更改，然后将第二个IXM升级到引线位置，最后或“LAG”IXM被促进到第二个位置，并将新的“保险”IXM放在新的滞后位置。 使用FAI IXM模型的一个关键点是优化更换标准的选择，这很难通过居里加载来实现，但很容易根据服务时间(根据处理的有效床卷数量进行量化)来实现。 例如，考虑一个系统的一个系统，由源给出没有转换的源。在清洁运动期间各个时间的离子浓度分布如图2所示。没有转换，离子加载构成，最终模块允许突破（输入离子可以泄漏后端）并最终耗尽（输出几乎与输入相同，因此系统是无用的）。当通过原始仿真执行50％的MGR转换输出时，防止了“保险”IXM的突破。在这些图中，分数长度是基于串联IXMS之一的距离，从而通过在位置2.0之后寻找显着的离子浓度来观察到延迟IXM的突破，并且通过显着的离子浓度在位置3.0附近表示完全耗尽。。 在后续的文章中，我们将展示更新后的模型的一些重要特性:
这些对于更好地估计IXM转换率和IXM系统的成本估算很重要。 图2，没有更换MGR的计算示例。
图3，使用MGR ChangeOut示例计算
有关更多信息，请联系Jim Burelbachburelbach@fauske.com。 |
