Об оценке взрывоопасности ядерного графита в 1-м³ камере

Введение. Ядерный графит представляет угрозу образования аэровзвеси пыли графита (АПГ) при демонтаже вышедших из эксплуатации ядерных реакторов. В то же время нет ясного ответа на вопрос о взрывоопасности АПГ. Согласно обзору международных исследований, взрывоопасность АПГ либо отсутствует, либо слабо выражена (Phylaktou H.N. и др., 2015). В настоящей работе приводятся аргументы в пользу мнения о взрывобезопасности АПГ.

Выбранный результат исследования. Рассматривался известный результат исследования горения АПГ со средним размером частиц 5 мкм и концентрацией около 450 г/м³ в камере объемом 1,138 м³ с источником зажигания фирмы Fr. Sobbe GmbH («Sobbe 10 kJ»). Максимальное избыточное давление ΔPmax в камере составило 0,47 бар, что в соответствии с EN 14034-3 отвечает случаю взрывоопасной аэровзвеси (1 бар = 100 кПа).

Интерпретация результата исследования. Проведено сравнение осциллограмм давления для двух случаев: случая максимального проявления взрывоопасности АПГ (ΔP_max = 0,47 бар; dP/dt|_max = 3,8 бар/с) и случая срабатывания источника зажигания в отсутствие аэровзвеси (ΔP_max = 0,027 бар; dP/dt|_max = 2,7 бар/с). Сопоставление показало, что первые 20 мс изменения давления в камере обусловлены, в основном, горением источника зажигания: характерные значения ΔP = 0,03 бар и (dP/dt) ≈ 3,8 бар/с близки к показателям горения «Sobbe 10 kJ» в отсутствие АПГ. Дальнейшее увеличение ΔP происходит при постоянном или резко убывающем значении (dP/dt), что означает монотонное снижение скорости пламени и выявляет негорючесть АПГ.

Выводы. Ввиду малости ΔP_max рассмотренную АПГ возможно считать взрывобезопасной при нормальных атмосферных условиях. Графики зависимостей давления продуктов горения и скорости его нарастания от времени являются важными сведениями о горении аэровзвеси во взрывных камерах при низкой взрывоопасности пыли.

1. Turkevich L.A., Dastidar A.G., Hachmeister Z., Lim M. Potential explosion hazard of carbonaceous nanoparticles: Explosion parameters of selected materials // Journal of Hazardous Materials. 2015. Vol. 295. Pp. 97–103. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2015.03.069

2. Turkevich L.A., Fernback J., Dastidar A.G., Osterberg P. Potential explosion hazard of carbonaceous nanoparticles: screening of allotropes // Combustion and Flame. 2016. Vol. 167. Pp. 218–227. DOI: 10.1016/j.combustflame.2016.02.010

3. Sha D., Li Yu., Zhou X., Zhang J., Zhang H., Yu J. Influence of volatile content on the explosion characteristics of coal dust // ACS Omega. 2021. Vol. 6. Issue 41. Pp. 27150–2715. DOI: 10.1021/acsomega.1c03803

4. Santandrea A., Pacault S., Perrin L., Vignes A., Dufaud O. Nanopowders explosion: Influence of the dispersion characteristics // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 62. P. 103942. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103942

5. Scholl E.W., Reeh D., Wiemann W. et al. Brenn- und Explosions — Kenngrößen von Stäuben // SFTReport. 1979. No. 2.2. 100 s.

6. Полетаев Н.Л. О проблеме экспериментального обоснования низкой взрывоопасности горючей пыли в 20-л камере // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2017. Т. 26. № 6. С. 5–20. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.06.5-20

7. Addo A., Dastidar A.G., Taveau J.R., Morrison L.S., Khan F.I., Amyotte P.R. Niacin, lycopodium and polyethylene powder explosibility in 20-L and 1 m3 test chambers // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 62. P. 103937. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103937

8. Clouthier M.P., Taveau J.R., Dastidar A.G., Morrison L.S., Zalosh R.G., Ripley R.C., Amyotte P.R. Iron and aluminum powder explosibility in 20-L and 1 m3 chambers // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 62. P. 103927. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103927

9. Полетаев Н.Л. О взрывоопасности аэровзвеси меламина // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. 2017. Т. 26. № 9. С. 15–28. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.09.15-28

10. Taveau J.R., Lemkowitz S.M., Hochgreb S., Roekaerts D.J.E.M. Metal dusts explosion hazards and protection // Chemical Engineering Transactions. 2019. Vol. 77. Pp. 7–12. DOI: 10.3303/CET1977002

11. Graphite dust deflagration: A review of international data with particular reference to the decommissioning of graphite moderated reactors. EPRI, Palo Alto, CA, 2007. P. 1014797.

12. Phylaktou H.N., Andrews G.E., Mkpadi M., Willacy S., Wickham A.J. The explosibility of graphite powder; the effects of ignition energy, graphite concentration and graphite age // 16th International Nuclear Graphite Specialists Meeting, 13–17 Sept 2015, Nottingham. 2015. URL: https://www.researchgate.net/publication/281862384

13. Mintz K.J. Problems in experimental measurements of dust explosions // Journal of Hazardous Materials. 1995. Vol. 42. Issue 2. Pp. 177–186. DOI: 10.1016/0304-3894(95)00011-i

14. Proust Ch., Accorsi A., Dupont L. Measuring the violence of dust explosions with the “20 l sphere” and with the standard «ISO 1m3 vessel». Systematic comparison and analysis of the discrepancies // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2007. Vol. 20. Pp. 599–606. DOI: 10.1016/J.JLP.2007.04.032

15. Zhen G., Leuckel W. Effects of ignitors and turbulence on dust explosions // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 1997. Vol. 10. Issue 5–6. Pp. 317–324. DOI: 10.1016/S0950-4230(97)00021-1

16. Pu Y.K., Jia F., Wang S.F., Skjold T. Determination of the maximum effective burning velocity of dust–air mixtures in constant volume combustion // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2007. Vol. 20. Issue 4–6. Pp. 462–469. DOI: 10.1016/j.jlp.2007.04.036

17. Cashdollar K.L., Chatrathi K. Minimum explosible dust concentrations measured in 20-L and 1-m3 chambers // Combustion Science and Technology. 1993. Vol. 87. Issue 1–6. Pp. 157–171. DOI: 10.1080/00102209208947213

18. Полетаев Н.Л. Расчетно-экспериментальная оценка максимального размера частиц взрывоопасной монодисперсной аэровзвеси // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2014. Т. 23. № 9. С. 15–26. DOI: 10.18322/PVB.2014.23.09.15-26

19. Wilén C., Moilanen A., Rautalin A., Torrent J., Conde E., Lödel R. et al. Safe handling of renewable fuels and fuel mixtures // VTT Technical Research Centre of Finland. ESPOO Publ., 1999. Vol. 394. 125 p. URL: http://www.vtt.fi/inf/pdf/publications/1999/P394.pdf