放射性粉末物料灑落事故氣溶膠分布特性CFD 研究

摘 要：基于CFD 方法，研究密閉廠房?jī)?nèi)發(fā)生放射性粉末物料灑落事故后室內(nèi)空氣流動(dòng)以及顆粒運(yùn)動(dòng)情況，并分析了顆粒粒徑、灑落速度、灑落高度的影響。結(jié)果表明：顆粒運(yùn)動(dòng)主要受密閉空間內(nèi)部氣體環(huán)流的影響，大部分顆粒沉積到地面或附著于壁面而被捕捉，少部分顆粒后期將在室內(nèi)飄散懸浮，隨氣流運(yùn)動(dòng);不同灑落速度造成的氣溶膠運(yùn)動(dòng)及分布情況區(qū)別很小;小粒徑顆粒更容易受周?chē)鷼怏w的曳力影響而從主流區(qū)域脫離出來(lái)形成散射粉塵，因此，顆粒粒徑越小，灑落后造成的沉積范圍越大。

關(guān)鍵詞：CFD 方法;灑落事故;氣溶膠顆粒

中圖分類(lèi)號(hào)：X591 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

核燃料循環(huán)設(shè)施諸多工藝涉及放射性粉末物料的生產(chǎn)、制備、倒料、混料等工序，在干法生產(chǎn)線操作的物料形態(tài)大多為粉末狀。在工藝系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移和輸送過(guò)程中，由于設(shè)備故障、人員誤操作等因素可能會(huì)造成放射性粉末物料從工藝設(shè)備中意外灑落，由于粉末、氧化物的粒徑較小、質(zhì)量較輕，在發(fā)生灑落事故時(shí)，物料會(huì)在廠房?jī)?nèi)擴(kuò)散、沉降，對(duì)工作人員和公眾造成輻射照射[1] 。

美國(guó)SNL 發(fā)布了非反應(yīng)堆核設(shè)施的氣載釋放份額和可吸入份額手冊(cè)DOE-HDBK-3010-94，手冊(cè)中給出了許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并給出了推薦釋放份額，其中收集了典型灑落事故的釋放源項(xiàng)測(cè)量情況[2] 。Plinke 等人[3] 為了探究影響粉塵產(chǎn)生的因素，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了四種類(lèi)型的顆粒物質(zhì)，并建立了一個(gè)粉塵產(chǎn)生速率隨顆粒粒徑、釋放高度、材料流速和濕度變化的模型。Sutter 等人[4] 實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同重量的材料從不同高度灑落所產(chǎn)生氣溶膠的氣載質(zhì)量和粒徑分布。結(jié)果表明：對(duì)于下落距離小于3 m，空氣速度方向垂直于粉末流動(dòng)方向的情景，可吸入份額ARF 中值為3. 00×10-4 ，上限值為2. 00×10-3 ;對(duì)于下落距離大于3 m，空氣速度方向垂直于粉末流動(dòng)方向的情景，ARF 取2. 0×10-3 。國(guó)內(nèi)對(duì)核燃料循環(huán)設(shè)施廠房放射性核素釋放源項(xiàng)等相關(guān)研究較少，由于缺少相關(guān)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，所以廠房?jī)?nèi)物料向環(huán)境釋放的源項(xiàng)估算主要采取國(guó)外數(shù)據(jù)進(jìn)行保守假設(shè)。

目前，通過(guò)數(shù)值仿真手段研究核設(shè)施釋放源項(xiàng)逐漸成為一種趨勢(shì)。原子能院周艷玲等[5] 用FLUENT 軟件對(duì)不同操作條件下CeO2 粉末（PuO2替代材料） 傾倒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。昌旭東等[6] 運(yùn)用CFD 方法模擬了239 PuO2 氣溶膠微粒在不同工況下的流動(dòng)特性及其粒子軌跡?？梢?jiàn)，對(duì)于室內(nèi)氣溶膠運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散問(wèn)題，CFD 方法具有更好的通用性，并且可以對(duì)氣溶膠的擴(kuò)散規(guī)律和影響因素進(jìn)行深入分析。本文基于計(jì)算流體力學(xué)方法，使用FLUENT 軟件針對(duì)密閉廠房開(kāi)展放射性粉末物料灑落事故發(fā)生后氣溶膠運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散規(guī)律研究，獲取氣溶膠顆粒運(yùn)動(dòng)分布特性以及濃度變化情況，為放射性粉末物料灑落事故釋放源項(xiàng)獲取提供參考，及為事故后的應(yīng)急和清污工作提供技術(shù)支持。

1 CFD 方法簡(jiǎn)介

1. 1 理論基礎(chǔ)

對(duì)于氣固兩相流，多采用拉格朗日法和歐拉法計(jì)算，前者又稱(chēng)顆粒軌道模型或離散相（DPM）模型[7-8] ，后者又稱(chēng)雙流體模型[9] 。DPM 模型適用于廠房?jī)?nèi)顆粒相稀疏的稀疏氣-固兩相體系，因此本文采用離散相模型進(jìn)行求解。