串聯(lián)式放射性廢水衰變池優(yōu)化設(shè)計

劉 穎，蘇曉書，冀 東，喬宇潔

(中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

隨著核醫(yī)學(xué)的發(fā)展，核素治療被廣泛地應(yīng)用于臨床。越來越多的大中型醫(yī)院都開設(shè)了核醫(yī)學(xué)科，通過放射性藥物對人體進(jìn)行治療。采用該治療方法時，患者需注射或者服用放射性藥物，之后放射性藥物通過新陳代謝隨人體排泄物、體液排出[1]。這些放射性污水如果滲入或直接排入公共下水道，便會對周圍環(huán)境造成污染，危害公眾的安全和健康。由于放射性污染和其他污染性相比，難以察覺，很容易被忽視，但其造成的危害比其他環(huán)境污染更嚴(yán)重。因此，此類含放射性的代謝廢物的廢水不允許直接排入醫(yī)院污水處理站，需要先集中收集并衰變處理至《醫(yī)療機構(gòu)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18466-2005)中規(guī)定的10 Bq/L后排入污水處理站。截至目前，國外設(shè)計的衰變池類型雖多種多樣，但是目前理論研究多偏向于輻射防護(hù)角度，缺乏與流體力學(xué)方面的聯(lián)系，同時研究過程中流體力學(xué)軟件引入較少，不能全面反映放射性廢水處理處置的動態(tài)過程。隨著國家的重視及標(biāo)準(zhǔn)的頒布，國內(nèi)對醫(yī)院放射性廢水排放方式的研究逐漸增多，也出現(xiàn)了如衰變池的屏蔽計算和優(yōu)化設(shè)計[2-5]、放射性廢水處理系統(tǒng)[6-9]、連續(xù)式衰變池的研究[10-12]、溢流式放射性衰變池優(yōu)化設(shè)計[13-14]等研究成果，但仍存在一些問題。為解決結(jié)構(gòu)不合理、死水區(qū)較大、放射性核素不能有效停留衰變等問題，本文以某醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科為例，設(shè)計新結(jié)構(gòu)型式的串聯(lián)式衰變池，使放射性廢水可以達(dá)標(biāo)排放，擬為其他醫(yī)院衰變池設(shè)計項目提供參考。

1 某醫(yī)院放射性廢水的排放參數(shù)

本文中某醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科常用的核素有131I、99mTc、18F等，其半衰期分別為192.96 h、6.02 h、1.83 h，本研究以131I為例進(jìn)行分析。ICRP(國際輻射防護(hù)委員會)第67號出版物給出了碘的生物動力學(xué)模型，模型中假設(shè)攝入131I的30%沉積在甲狀腺，70%直接通過尿排出[15]。因此，本研究在計算131I的活度時，其排出量按照攝入量的70%計算。

該醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科一層共計36個床位，供留觀患者暫時休息。核醫(yī)學(xué)科二層共計32個床位，假設(shè)二層床位全部用于治療甲癌的患者住院，甲癌患者每人每次131I的用量為5.55×109Bq，患者口服131I后需要住院觀察一周(7 d)，因此一周內(nèi)131I的用量為5.55×109Bq×32=1.78×1011Bq。該部分?jǐn)z入量的70%最終以廢水的形式排入醫(yī)院的衰變池，則平均到每天廢水中131I的活度為1.78×1010Bq。

根據(jù)醫(yī)院提供的患者用水量可知：

一層患者每天產(chǎn)生廢水量為36人×6 L=216 L；

二層患者每天產(chǎn)生廢水量為32人×30 L=960 L；

注射室每天產(chǎn)生廢水量為10 L+10 L=20 L；

每天放射性廢水產(chǎn)生總量為216 L+960 L+20 L=1 196 L≈1.2 m3。

因此，每天排入衰變池廢水的活度濃度為1.78×1010Bq/1.2 m3=1.49×1010Bq/m3。

2 串聯(lián)衰變池的幾何仿真模型設(shè)計

2.1 模擬軟件

計算流體動力學(xué)[16](computational fluid dynamics, CFD)主要用于解決流動的問題，主要包括網(wǎng)格劃分軟件、求解器軟件和后處理軟件，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。計算流體動力學(xué)是一種利用計算機求解流體流動現(xiàn)象的系統(tǒng)分析方法和工具，由流體力學(xué)、數(shù)學(xué)及計算機科學(xué)交叉而成的一門全新學(xué)科。流體力學(xué)主要研究流體流動(流體動力學(xué))或靜止問題(流體靜力學(xué))，CFD主要研究前一部分，即流體動力學(xué)部分。

利用CFD進(jìn)行模擬過程中，由于軟件自身局限性，放射性核素的活度濃度只能由kg/m3表示，因此需要將放射性廢水活度濃度的單位進(jìn)行轉(zhuǎn)換。核素質(zhì)量與活度的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

m=3.19×1010TQ

(1)

式中：m為1 Ci放射性核素的質(zhì)量，即3.7×1010Bq/g；T為核素的半衰期，h；Q為核素的質(zhì)量數(shù)。由公式(1)可知，131I質(zhì)量與活度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：1 Bq→2.18×10-19kg。因此，每天排入衰變池的廢水濃度1.49×1010Bq/m3即為3.25×10-9kg/m3。

2.2 典型串聯(lián)式衰變池結(jié)構(gòu)

目前常用串聯(lián)式衰變池結(jié)構(gòu)示于圖1，頂部采用30 cm厚的混凝土進(jìn)行覆蓋，采用四個衰變池，廢水經(jīng)過衰變處理達(dá)標(biāo)后排放。

圖1 典型的串聯(lián)式衰變池結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 串聯(lián)式衰變池CFD模型建立

本研究在目前普遍使用的衰變池結(jié)構(gòu)型式基礎(chǔ)上展開。串聯(lián)式衰變池隔池體積及個數(shù)的選取滿足以下條件：一是池中放射性廢水濃度存放對應(yīng)天數(shù)后低于10 Bq/L；二是工程可實現(xiàn)性好，對于260 m3總?cè)莘e確定的情況下，隔池容積×隔池個數(shù)應(yīng)基本等于總?cè)莘e，其中隔池個數(shù)應(yīng)為整數(shù)且不易過多，否則不利于工程實現(xiàn)。假設(shè)灌滿衰變池需要N天，則第一天進(jìn)入衰變池的廢水在排放前衰變了(N-1) d，第二天進(jìn)入衰變池的廢水在排放前衰變了(N-2) d，以此類推；根據(jù)核素衰變規(guī)律，不斷改變單個隔池容積及隔池個數(shù)，經(jīng)反復(fù)理論計算，當(dāng)衰變池池體個數(shù)為4時，水中總β放射性活度(3.70 Bq/L)接近且低于10 Bq/L，同時隔池體積與個數(shù)工程可行且成本較低。

首先，建立串聯(lián)式衰變池基本模型，然后通過CFD對逐步改進(jìn)的池形進(jìn)行處理效果模擬分析，用于該醫(yī)院的串聯(lián)式衰變池的幾何模型如圖2a所示。由于串聯(lián)式衰變池結(jié)構(gòu)不合理、死水區(qū)較大、不能使放射性核素有效停留衰變等問題，分別設(shè)計了4種結(jié)構(gòu)的衰變池：在衰變池底部左側(cè)加倒角(圖2b)、在衰變池底部右側(cè)加倒角(圖2c)、在衰變池底部兩側(cè)均加倒角(圖2d)、衰變池底部兩側(cè)加倒角與折流板打孔(圖2e)。每個池體的放射性廢水進(jìn)、出口均采用對角設(shè)置，避免短流，便于放射性廢水在池體內(nèi)存儲較長時間。其中，圖2e中衰變池底部倒角角度和折流板開孔大小及位置示于圖3。

圖2 串聯(lián)式衰變池5種結(jié)構(gòu)型式的幾何模型示意圖

圖3 倒角角度和開孔位置及尺寸示意圖

2.4 串聯(lián)式衰變池模擬分析的參數(shù)設(shè)置

2.4.1網(wǎng)格劃分 串聯(lián)式衰變池模型的網(wǎng)格劃分中網(wǎng)格質(zhì)量不小于0.3。

2.4.2邊界條件設(shè)置 將串聯(lián)式衰變池的入口尺寸設(shè)置為0.1 m×0.2 m。一定量廢水勻速進(jìn)入衰變池與同等量廢水瞬間進(jìn)入衰變池對于廢水在衰變池內(nèi)的停留時間并無太大影響(核醫(yī)學(xué)科實際運行一天中的放射性廢水分多次、不定時排入衰變池)，同時考慮軟件的局限性，為方便計算假設(shè)廢水勻速進(jìn)入衰變池。醫(yī)院放射性廢水產(chǎn)生量為1.2 m3/d，因此廢水進(jìn)入衰變池的速度為6.95×10-4m/s。

衰變池出口設(shè)置為自由出流，壓力為101 325 Pa。由于衰變池池壁的粗糙度對大體積水流的影響可忽略，因此將衰變池的壁面設(shè)置為光滑壁面。131I的半衰期設(shè)置為8.04 d。

根據(jù)T1/2=0.693/λ，可知131I的衰變常數(shù)為0.003 59，時間常數(shù)τ=1/λ，為278.55 h。根據(jù)質(zhì)量與活度的轉(zhuǎn)換關(guān)系可知，每天排入衰變池的廢水的活度濃度為1.49×1010Bq/m3，即3.25×10-9kg/m3。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同結(jié)構(gòu)衰變池的內(nèi)部流線分布

通過CFD軟件模擬了典型衰變池及其4種優(yōu)化結(jié)構(gòu)的衰變池內(nèi)部流線分布，模擬結(jié)果示于圖4。所示。由圖4a結(jié)果可知，典型衰變池中存在大量死水區(qū)(圖中空白部分)，為了改善串聯(lián)式衰變池的衰變效果，需要改進(jìn)衰變池的結(jié)構(gòu)型式，以加強池中水的流動。在衰變池底部左側(cè)加倒角對衰變池中水的流動有一定改善，但是變化不大(圖4b)；在衰變池底部右側(cè)加倒角相對于池中無倒角的方案，并未改善衰變池中水的流動(圖4c)；底部兩側(cè)均加倒角的衰變池中水的流動有明顯改善，但是衰變池中仍存在一定的死水區(qū)(圖4d)。改變底部倒角的角度、折流板與池壁間距以及在折流板適當(dāng)位置打孔，其水池水的流動改善效果明顯，死水區(qū)域明顯減少(圖4e)。

a——典型串聯(lián)式；b——衰變池底部左側(cè)加倒角；c——衰變池底部右側(cè)加倒角；d——底部兩側(cè)均加倒角；e——衰變池底部兩側(cè)加倒角與折流板打孔

3.2 優(yōu)化后串聯(lián)式衰變池的放射性濃度

通過分析對比4種優(yōu)化后的衰變池模型，最終選擇衰變池模型為“池體進(jìn)出口采用對角設(shè)置、改變底部倒角的角度、折流板與池壁間距，以及在折流板適當(dāng)位置打孔”的方案為最終的串聯(lián)式衰變池的優(yōu)化模型。利用軟件對優(yōu)化后的衰變池進(jìn)行放射性濃度的模擬，由于不同的衰變池內(nèi)放射性濃度量級跨度大，為了研究不同衰變池的放射性濃度分布，劃分不同的放射性濃度區(qū)間，最終模擬結(jié)果示于圖5。

經(jīng)軟件模擬，進(jìn)入衰變池內(nèi)的廢水的有效停留時間為5 200 h，即放射性廢水在衰變池內(nèi)貯存衰變5 200 h后排出衰變池。衰變池出口活度濃度要求低于10 Bq/L。由圖5可知，串聯(lián)式衰變池的放射性出口濃度為9.10×10-16kg/m3(4.18 Bq/L)，滿足要求。

圖5 衰變池內(nèi)某鉛垂面的放射性濃度分布示意圖

4 結(jié)論

通過對比不同結(jié)構(gòu)型式串聯(lián)式衰變池的內(nèi)部流線分布，針對死水區(qū)過大等問題，提出了一種新型的串聯(lián)式衰變池的結(jié)構(gòu)型式。該種新型串聯(lián)式衰變池通過采區(qū)對角排水、增加開孔折流板、池底倒角等結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，減少串聯(lián)式衰變池的死水區(qū)域，增強串聯(lián)式衰變池的衰變效果。本研究利用CFD軟件模擬了不同結(jié)構(gòu)型式衰變池的放射性濃度，得到該醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科最終優(yōu)化串聯(lián)式衰變池排放口的放射性濃度為4.18 Bq/L，滿足小于10 Bq/L的要求，可實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。