密閉空間中氚泄漏的濃度分布規律研究

余文力 王 亮

（中國人民解放軍第二炮兵工程大學一系 陜西 西安 710025）

0 引言

氚廣泛運用在化工、軍事、醫藥等諸多領域，得到了廣泛的研究[1-2]。因為氚具有滲透性[3-5]，平時貯存在特定的容器內。在意外條件的作用下，有可能發生泄漏，其中的氚氣會擴散到周圍空間之中，產生極大的安全隱患。本文主要針對儲氚容器在突發情況下發生泄漏時，研究密閉空間中的氚濃度變化情況。采用數值仿真軟件Fluent，建立了儲氚容器及密閉貯存空間的仿真模型，仿真計算了空間內氚的擴散及濃度分布情況。

1 計算模型

密閉空間的尺寸為：5m（寬，X 方向）×3.5m（高，Y 方向）×12m（長，Z方向），其截面為拱形，拱高為1m。通排風系統的進氣口與排氣口位于空間一端相對的位置，其直徑為400mm，中心距地面的高度為2m，距空間一端的距離為1m，其基本結構如圖1所示。通排風系統對密閉空間中空氣的置換率為2次/小時，折合成進氣口的氣流速度為0.83m/s。

圖1 密閉空間結構及監測示意圖

為了準確了解氚的流動和擴散時密閉空間內氚濃度的變化情況，在空間的6個位置設置了監測點，監測整個計算過程中氚的濃度隨時間的變化情況。其中一個監測點用來代表工作人員位于密閉空間中心位置處氚吸入的情況；其余的監測點為地面上不同位置氚濃度的變化情況。圖1給出了一種情況下個監測點的位置分布情況，分別用C1、C2、C3、C4、M1、M2 表示，6 個固定監測點的坐標如表 1 所示。

表1 各個氚監測點的位置分布

為簡單起見，模擬中將容器簡化為一個直徑為400mm、高度為400mm的圓柱，泄漏的氚已經均勻分布于容器中。計算中，采用考慮組分擴散的三維非定常N-S方程

采用隱式算法，時間計算采用二階隱式方法，粘性采用k-ε兩方程湍流模型，空氣密度 ρ=1.225kg/m3，比熱 Cp=1006.43J/kg·K，熱傳導系數 λ=0.0242W/m·K，粘性系數 μ=1.7894×10-5kg/m·s。氚的分子量取為6.0321，其比熱、熱傳導系數、粘性系數等物理參數都通過動理論方法、利用Lenard-Jones作用勢得到。

2 氚在密閉空間中意外泄漏時的濃度分布研究

容器位于空間的中心，該位置處，泄漏氚的自由擴散范圍最大，如圖2所示，10s時擴散才受到壁面的影響。泄漏位置與通風口距離較遠，氚可以在較長的時間內主要依靠擴散在空間中傳播，10s時才受到壁面輕微的影響。

下面說明該條件下氚的擴散、排出情況。圖中給出的截面為過氚泄漏點和進氣口、排氣口的截面，即Z=6、Z=1和X=0三個截面。初始時刻，氚在空間中進行自由擴散，不受空間壁面的影響，此時氚在空間中的分布類似于同心球面，如圖2a、b所示。隨著時間的推移，擴散范圍越來越大，到10s時開始于空間的側壁相遇，開始受到壁面的影響，等值面的同心球面特點遭到破壞，自由擴散階段結束，如圖2c所示。隨著氚的繼續擴散，20s時開始到達空間頂部，如圖2d所示，擴散受到空間頂部的影響。之后，氚在空間側面和頂部的約束空間內向兩端擴散，如圖2e所示。50s時，氚的擴散開始受到通排風的影響，氚向這一端擴散的邊界不再保持球面形狀，如圖2f所示，此圖中還可以看到由于側壁的影響，該處擴散受到阻礙，氚開始積聚。此前氚的運動主要在空間內部，以擴散為主，從此以后氚在空間內的運動開始受到通排風的明顯影響，并且隨著通排風排出。100s時，氚的運動邊界越過通排風口的連線，擴散到此處的氚隨進入進氣口的空氣、經過排氣口排出空間外。由圖2g可以看到，經過通排風口的Z=1的截面被新鮮空氣吹出一條通道，同時由于通風對氚排出的促進作用，這一端氚的濃度開始迅速減小。隨后，空間內的氚在通排風和擴散的作用下分布逐步均勻、濃度逐漸降低。圖2h給出，由于擴散和空氣的流動作用，中部泄漏點附近氚濃度逐漸降低，通排風口截面附近氚濃度逐漸升高；而另一端，則主要是依靠擴散的作用，氚逐漸向空間壁面擴散，濃度逐漸升高，到250s時氚擴散之空間壁面。之后，經過空間內通排風系統的流動和約束空間中擴散長時間的作用，其對空間中氚分布的影響與時間的相關性逐漸變弱，氚在空間中的分布趨于近似不變，這一過程在1000s左右基本完成，如圖2i所示。然后，空間中的氚大體按照這一分布，如圖2j所示，濃度逐漸下降，直到達到要求的管理限值[6-7]。

圖2 氚泄漏時隨時間的分布

圖3 各監測點的氚濃度

圖3給出了各個監測點處氚濃度的變化情況。該情況下，由于C1、C2、C3、C4四個監測點關于容器的位置對稱，得到了基本相似的氚濃度變化規律。M1監測點實際上就是氚泄漏源，因此從初始氚混合物的濃度以近似于指數的規律下降；M2監測點距離泄漏源很近，氚濃度峰值明顯升高。

圖4給出了空間內氚平均濃度的變化情況。空間內氚濃度的減少成指數規律減少，濃度降低到行動水平的時間為19290s，濃度降低到干預水平的時間為33120s，降到管理限值的時間為40185s。

3 結論

本文采用數值仿真方法對氚意外泄漏時密閉空間內氚的濃度進行了計算，給出了氚的濃度及隨時間的分布規律，主要得到了以下結論：

圖4 空間氚平均濃度（正常情況）

（1）在泄露發生后，氚的濃度基本按指數規律衰減；

（2）氚泄漏的初始階段，氚濃度的空間分布隨時間有明顯的變化；

（3）在泄漏初期，氚在空間內的分布很不均勻，如果能在泄漏源附近隨時監測、及時發現，那么在氚尚未擴散開的短時間內，即使沒有防護，也能夠規劃合適的路線，及時規避輻射對工作人員的傷害。

[1]彭述明，王和義，傅依備.氚化學與工藝[J].化學進展，2011，23(7):124-130.

[2]V.Shevchenko,I.Nagaev,N.Myasoedov.Tritium labeling of bioorganic compounds by isotope exchange[J].Radiochemistry,2012,54(1):79-86.

[3]周元林，付萬發，楊文彬.高分子材料在防氚滲透領域的應用[J].現代化工，2008，23(1)：92-95.

[4]山常起，呂延曉.氚及防氚滲透材料[M].北京：原子能出版杜,2005:37.

[5]李德平，潘自強.輻射防護手冊[K].北京：原子能出版社，1990：118.

[6]吳中旺，區靜原，劉原中.研究堆應急行動水平的定量化[J].核動力工程，2000，25(3)：213-215.

[7]凌永生，施仲齊，王醒宇.IAEA推薦的操作干預水平OIL1和OIL2缺省值的導出及其適宜性的初步研究[J].輻射防護，2005，21(1)：11-17.