通排風(fēng)情況對密閉空間中氚濃度的影響研究

余文力，王 亮，高云亮，王 濤，陳榮樺

（第二炮兵工程大學(xué) 一系，陜西 西安 710025）

氚與氘發(fā)生熱核反應(yīng)能放出巨大能量，這一過程不會造成環(huán)境污染，因此得到了廣泛的研究[1-3]。由于氚具有滲透性[4-6]，所以氚貯存在特定的容器內(nèi)。在意外條件的作用下，氚可能發(fā)生泄漏，其中的氚氣會擴(kuò)散到密閉空間之中，產(chǎn)生極大的安全隱患。文中主要針對儲氚容器在突發(fā)情況下發(fā)生氚意外泄漏時，研究通排風(fēng)對密閉空間中氚濃度的影響。采用數(shù)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，計(jì)算了空間內(nèi)氚的擴(kuò)散及濃度分布情況，并分析了通排風(fēng)口位置和速率對氚濃度分布的影響。

1 計(jì)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1 m。通排風(fēng)系統(tǒng)有一個進(jìn)氣口和一個排氣口，其直徑為400 mm，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了準(zhǔn)確了解氚流動、擴(kuò)散時密閉空間內(nèi)氚濃度的變化情況，在空間的7個位置設(shè)置了監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測整個計(jì)算過程中氚的濃度隨時間的變化情況。其中一個監(jiān)測點(diǎn)用來監(jiān)測容器處氚隨時間的變化情況，該監(jiān)測點(diǎn)隨容器的位置而變化；一個監(jiān)測點(diǎn)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(jiān)測點(diǎn)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(jiān)測點(diǎn)的位置分布情況，分別用 R1、C1、C2、C3、C4、M1、M2 表示， 其中 6 個固定監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)如表1所示。

圖1 密閉空間結(jié)構(gòu)及監(jiān)測示意圖Fig.1 Structure and monitoring diagram of confined space

表1 各個氚監(jiān)測點(diǎn)的位置分布Tab.1 Distribution of monitoring point

為簡便起見，模擬中將容器簡化為一個邊長為400 mm的正方體，泄漏的氚已經(jīng)均勻分布于容器中。計(jì)算中，采用考慮組分?jǐn)U散的三維非定常N-S方程：

采用隱式算法，時間計(jì)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=1.225 kg/m3，比熱 Cp=1 006.43 J/kg·K，熱傳導(dǎo)系數(shù) λ=0.024 2 W/m·K，粘性系數(shù) μ=1.789 4×10-5kg/m·s。 氚的分子量取為 6.032 1，其比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、粘性系數(shù)等物理參數(shù)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

2.1 模型1

模型一中通排風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)氣口與排氣口位于空間一端相對的位置，其直徑為400 mm，中心距地面的高度為2 m，距空間一端的距離為1 m。通排風(fēng)系統(tǒng)對密閉空間中空氣的置換率為2次/小時，折合成進(jìn)氣口的氣流速度為0.83 m/s。

圖2給出了密閉空間中氚的平均濃度隨時間的變化，可以看到氚的濃度隨時間的增加基本成指數(shù)規(guī)律減少。時間為18 440 s時，洞庫內(nèi)氚的平均濃度降為1.1×1010Bq/m3，達(dá)到行動水平；時間為32 320 s時，洞庫內(nèi)氚的平均濃度降為1.1×108Bq/m3，達(dá)到干預(yù)水平；時間為 39 595 s時，洞庫內(nèi)氚的平均濃度降為1.1×107Bq/m3，達(dá)到管理限值[7]。由圖中曲線可知，初始50 s左右的時間內(nèi)，氚的濃度下降較快，這是因?yàn)槿萜魑挥谂棚L(fēng)口下，初始擴(kuò)散時排風(fēng)口附近氚的濃度較高，隨風(fēng)排出的氚也較多，引起初始階段氚的濃度下降較快，之后氚的濃度近似按指數(shù)規(guī)律變化。

圖2 密閉空間中氚的平均濃度Fig.2 Tritium average concentration in confined space

圖3給出了氚濃度的不同管理水平時，氚在地面與1.7 m高度處（對應(yīng)工作人員呼吸高度）的分布情況。從圖中看出，對于行動水平、干預(yù)水平及管理限值條件下，地面上氚的分布具有相似性，靠近通排風(fēng)系統(tǒng)的一端具有較低的氚濃度，而且進(jìn)風(fēng)口附近的氚濃度最低。距地面1.7 m處水平面上氚濃度的分布在3種條件下，也具有相似性，以進(jìn)、排氣口連接的通道為界，一直到遠(yuǎn)離通排風(fēng)系統(tǒng)一端壁面都具有較高的氚濃度，其濃度高于相應(yīng)情況地面的濃度，而且也是進(jìn)氣口處的氚濃度較低。

圖3 對應(yīng)不同管理水平時，氚在地面與1.7 m高度處的分布Fig.3 Distribution of tritium in different level of management

2.2 模型2

模型2與模型1相比，通排風(fēng)口位置不變，進(jìn)口氣體速度變?yōu)?.66 m/s。通過計(jì)算得到的結(jié)果與模型1相近，只是由于進(jìn)氣速率的增加、流動的加快使得數(shù)值上有些差別。

圖4給出了模型2與模型1氚平均濃度的比較。由圖中看出，空間中氚濃度的變化也成指數(shù)規(guī)律，其氚濃度下降到行動水平、干預(yù)水平和管理限值的時間為9 302 s、16 225 s、19 800 s，其數(shù)值約為模型一所用時間的一半。由此可以認(rèn)為，對于長時間的通排風(fēng)，進(jìn)氣速率是影響空間中氚濃度的主要因素，加大進(jìn)氣速率可以有效提高空間中氚的外排速度。

圖4 模型1與模型2氚平均濃度的比較Fig.4 Comparison of tritium average concentration between model 1 and Model 2

2.3 模型3和模型4

為研究通排風(fēng)口位置對氚濃度分布的影響，將模型一作以下改變。模型3進(jìn)氣口位置不變，出氣口位置沿Z軸正方形移動10 m。模型四出氣口位置不變，進(jìn)氣口位置沿Y軸反方向移動1.5 m。

圖5～7給出了泄漏發(fā)生后10小時改變前后氚平均濃度的比較。由圖中看出，與模型一相比，兩種改變都可以有效降低泄漏后空間內(nèi)氚的平均濃度。當(dāng)進(jìn)氣口和出氣口處于同一Z截面時，該截面附近氚濃度明顯低于其它地方，當(dāng)進(jìn)氣口和出氣口相距較遠(yuǎn)時，氚平均濃度分布較為均勻。讓進(jìn)氣口和出氣口位于不同水平面可以更有效降低氚平均濃度。

圖5 模型1 Fig.5 Model 1

3 結(jié) 論

圖6 模型3 Fig.6 Model 3

本文采用數(shù)值仿真方法求解采用考慮組分?jǐn)U散的三維非定常N-S方程[8]對氚意外泄漏時密閉空間內(nèi)氚的濃度進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析了通排風(fēng)情況對氚濃度分布的影響，給出了各種情況下的氚濃度及分布規(guī)律，主要得到了以下結(jié)論：

1）在較長的時間內(nèi)，氚的濃度基本按指數(shù)規(guī)律衰減；

2）進(jìn)氣速率是影響空間中氚濃度的主要因素，加大進(jìn)氣速率可以有效提高空間中氚的外排速度；

3）通排風(fēng)口的位置對氚平均濃度有較大影響，拉遠(yuǎn)進(jìn)出氣口位置可以讓氚平均濃度分布更均勻，讓進(jìn)氣口和出氣口位于不同水平面可以有效降低氚平均濃度。

[1]彭述明，王和義，傅依備.氚化學(xué)與工藝[J].化學(xué)進(jìn)展，2011，23（7）:124-130.

PENG Shu-ming，WANG He-yi，F(xiàn)U Yi-bei. Tritium chemistry and techniques[J].Progress in Chemistry，2011，23（7）:124-130.

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

[3]Vliegen M，Haspeslagh P，Verluyten W.Alternative efficient tritium labeling of repaglinide[J].J.Label Compd.Radiopharm，2012，55（4）:155-157.

[4]劉紅兵，陶杰，張平則.防氚滲透涂層制備技術(shù)的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2006，20（9）:52-55.

LIUHong-bing，TAOJie，ZHANGPing-ze.Reviewonpreparation technique of tritium penetration barrier[J].Materials Review，2006， 20（9）:52-55.

[5]李德平，潘自強(qiáng).輻射防護(hù)手冊[M].北京:原子能出版社，1990.

[6]王佩璇，宋家樹.材料中的氦及氚滲透[M].北京:國防工業(yè)出版社，2002.

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

WU Zhong-wang，QU Jing-yuan，LIU Yuan-zhong.Quantification of emergency action levels for research reactor[J].Nuclear Power Engineering，2000，25（3）:213-215.

[8]劉凱.一級倒立擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)與LQR最優(yōu)控制仿真[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2012（3）：10-13.

LIU Kai.Single inverted pendulum system design and LQR optimal control simulation[J].Industrial Instrumentation&Automation，2012（3）：10-13.