Моделирование кинетики испарения капель при обработке плазмой отработанного ядерного топлива
Аннотации
Ключевые слова:
plasma treatment; air plasma technologies; , spent nuclear fuel reprocessing wastes; , aqueous–salt–organic mixtures; organic modifiers; , droplet evaporation; liquid radioactive waste.Аннотация
Сформулирована математическая модель для описания плазменной обработки отходов переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), которые подаются в поток воздушной плазмы в виде дисперсных водно-солеорганических композиций (ВСОК), содержащих этанол или ацетон в качестве органических добавок. Модель описывает совместную кинетику нагрева и испарения капель, межфазный обмен импульсом, а также тепло- и массообмен в рамках одномерного двухфазного потока. Модель представлена в безразмерном виде, что позволяет проводить параметрический анализ и масштабирование. С помощью термохимических расчетов были определены оптимальные составы ВСОК, обеспечивающие температуру адиабатического горения около 1500 К, что гарантирует энергетически эффективную работу плазмы и полное окисление органической фракции. Влияние основных рабочих параметров — начальной температуры и скорости плазмы, размера и скорости подачи капель, а также массового соотношения жидкости и газа — на пространственный масштаб испарения капель исследовано численно с использованием схемы интегрирования Рунге–Кутта четвертого порядка с контролируемой точностью. Результаты показывают, что при температуре выше 1500 К общая скорость использования плазмы определяется испарением растворителя (воды), в то время как дальнейшее повышение температуры поступающей плазмы оказывает лишь незначительное влияние на длину зоны полного испарения. В то же время размер капель и гидродинамика потока оказывают доминирующее влияние: уменьшение начального диаметра капель со 100 до 40 мкм и снижение скорости потока газа с 90 до 10 м · с−1 приводят к многократному сокращению длины испарения, что позволяет полностью испарить капли в реакторе длиной не более 1 м. Полученная модель является физически обоснованным и эффективным с точки зрения вычислений способом прогнозирования и уточнения динамики испарения капель в воздушно-плазменных реакторах, предназначенных для переработки отходов ОЯТ и других жидких радиоактивных отходов.
