نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• سعید صلاحی ¹
• مهدی فرج پور ²
• صبا باصیری ³
• منصور نوربخش ¹

¹ پژوهشکده رآکتور و ایمنی هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 1589-81465، اصفهان – ایران

² پژوهشکده رآکتور و ایمنی هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 1339-14155، تهران – ایران

³ دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه صنعتی اصفهان، صندوق پستی: 8415683111، اصفهان - ایران

چکیده

آب سنگین در رآکتورهای هسته‌ای به عنوان کندکننده نوتورن مورد استفاده قرار می‌گیرد، نقش کندکنندگی به درجه خلوص آب سنگین بستگی دارد، تصفیه و تغلیظ آب سنگین در صنایع هسته‌ای از اهمیت زیادی برخوردار است. با توجه به این‌که الکترولیز آب به انرژی الکتریکی زیادی نیازمند است، می‌بایست از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد. پارامترهای متعددی در بهینه‌سازی شرایط عملیاتی الکترولایزر نقش دارند و می‌توانند میزان گازهای خروجی، بازده انرژی و میزان پلاریزاسیون در فرایندهای الکترولیز را کنترل کنند. اما بررسی عملی نقش پارامترهای مختلف بر شرایط عملکردی الکترولایزرهای آب سنگین بسیار هزینه‌بر هستند. لذا در این مقاله نقش برخی از پارمترها از قبیل دمای سل و غلظت الکترولیت بر شرایط عملکردی الکترولایزر به‌وسیله معادلات دینامیکی مدل‌سازی شده است. بدین صورت که با معرفی انواع تلفات ولتاژ در سیستم الکترولایزر معادله‌ای برای ولتاژ الکترولیز به دست آمده است. معادله ولتاژ الکترولایزر به عنوان تابع هدف انتخاب شده و نقش پارامترهای ذکر شده در بهینه‌سازی مصرف انرژی بررسی شده‌اند. الکترولایزر مورد مطالعه از نوع قلیایی- پیشرفته است و دارای الکترولیت 7‌% وزنی کربنات‌پتاسیم می‌باشد. این الکترولایزر وظیفه‌ی تغلیظ آب سنگین با درجه خلوص 90‌% به 8_/99‌% را به عهده دارد. نتایج مدل‌سازی نشان می‌دهند تنها با افزایش ده درصدی غلظت الکترولیت کربنات‌پتاسیم می‌توان پلاریزاسیون الکترولایزر را تا حد زیادی (4_/15‌%) کاهش و از طرفی بازدهی انرژی الکتریکی را تا 3_/18‌% افزایش داد. هم‌چنین نتایج مدل‌سازی بیانگر این است که با افزایش دما تا 25 درجه سانتی‌گراد الکترولایز عملکرد بهتری خواهد داشت و از میزان پلاریزاسیون و مصرف انرژی الکتریکی 4‌% کاسته می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

• الکترولایزر
• تغلیظ آب سنگین
• بازده انرژی

عنوان مقاله [English]

Investigating the functional conditions of heavy water condenser electrolysis used in Isfahan Zero Power Reactor

نویسندگان [English]

• S. Salahi ¹
• M. Faragpor ²
• S. Basiri ³
• S.M. Norbahksh ¹

¹ Reactor and Nuclear Safety Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 81465-1589, Isfahan - Iran

² Reactor and Nuclear Safety Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 14155-1339, Tehran - Iran

³ Faculty of Engineering, Isfahan University of Technology, P.O. Box: 8415683111, Isfahan - Iran

چکیده [English]

The quality of heavy water performance in atomic power plants as a substitute for neutron particles depends on its degree of purity. The concentration of heavy water in the nuclear industry is of significant importance. The Heavy Water Reactor of Isfahan, in the nuclear sector, includes a heavy water purification and condensation system. This was launched at the same time as the reactor was built. For electrolysis of water and its isotopes, such as heavy water, it requires a lot of electrical energy, so it should be economical and workable. Several parameters contribute to the optimization of the operating conditions of the electrically operated apparatus. These parameters can control the number of exhaust gases, energy efficiency, and polarization in electrolysis processes. But the practical study of the role of various parameters on heavy water electrolyzer performance is very costly. Therefore, in this paper, the role of some parameters, such as tube temperature and electrolyte concentration, is modeled on the functional conditions of the electrolyzer by dynamic equations. And by introducing a variety of voltage losses in the electrolyzer system, an equation for the electrolysis voltage is obtained. The electrolyzer voltage equation is selected as the target function. The role of the parameters mentioned in energy efficiency optimization has been investigated. The electrolyzer is alkaline and contains 7% w/w potassium carbonate electrolytes. This electrolyzer has condensed heavy water with a purity of 90% to 99.8%. The results of modeling show that by increasing the concentration of potassium carbonate electrolyte by 10%, the electrolyzer polarization can be reduced (15.4%) and increase the electrical energy efficiency by up to 18.3%. Also, the results of the modeling show that by increasing the temperature to 25 C°, the electrolysis will perform better and reduce the polarization and energy consumption by 4%.

کلیدواژه‌ها [English]

• Electrolyzer
• Heavy water condensation
• Energy efficiency