串聯式放射性廢水衰變池優化設計

劉 穎，蘇曉書，冀 東，喬宇潔

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

隨著核醫學的發展，核素治療被廣泛地應用于臨床。越來越多的大中型醫院都開設了核醫學科，通過放射性藥物對人體進行治療。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境污染更嚴重。因此，此類含放射性的代謝廢物的廢水不允許直接排入醫院污水處理站，需要先集中收集并衰變處理至《醫療機構水污染物排放標準》(GB18466-2005)中規定的10 Bq/L后排入污水處理站。截至目前，國外設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角度，缺乏與流體力學方面的聯系，同時研究過程中流體力學軟件引入較少，不能全面反映放射性廢水處理處置的動態過程。隨著國家的重視及標準的頒布，國內對醫院放射性廢水排放方式的研究逐漸增多，也出現了如衰變池的屏蔽計算和優化設計[2-5]、放射性廢水處理系統[6-9]、連續式衰變池的研究[10-12]、溢流式放射性衰變池優化設計[13-14]等研究成果，但仍存在一些問題。為解決結構不合理、死水區較大、放射性核素不能有效停留衰變等問題，本文以某醫院核醫學科為例，設計新結構型式的串聯式衰變池，使放射性廢水可以達標排放，擬為其他醫院衰變池設計項目提供參考。

1 某醫院放射性廢水的排放參數

本文中某醫院核醫學科常用的核素有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為例進行分析。ICRP(國際輻射防護委員會)第67號出版物給出了碘的生物動力學模型，模型中假設攝入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。

該醫院核醫學科一層共計36個床位，供留觀患者暫時休息。核醫學科二層共計32個床位，假設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131I的用量為5.55×109Bq×32=1.78×1011Bq。該部分攝入量的70%最終以廢水的形式排入醫院的衰變池，則平均到每天廢水中131I的活度為1.78×1010Bq。

根據醫院提供的患者用水量可知：

一層患者每天產生廢水量為36人×6 L=216 L；

二層患者每天產生廢水量為32人×30 L=960 L；

注射室每天產生廢水量為10 L+10 L=20 L；

每天放射性廢水產生總量為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 串聯衰變池的幾何仿真模型設計

2.1 模擬軟件

計算流體動力學[16](computational fluid dynamics, CFD)主要用于解決流動的問題，主要包括網格劃分軟件、求解器軟件和后處理軟件，在工業領域應用非常廣泛。計算流體動力學是一種利用計算機求解流體流動現象的系統分析方法和工具，由流體力學、數學及計算機科學交叉而成的一門全新學科。流體力學主要研究流體流動(流體動力學)或靜止問題(流體靜力學)，CFD主要研究前一部分，即流體動力學部分。

利用CFD進行模擬過程中，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行轉換。核素質量與活度的轉換關系如下：

m=3.19×1010TQ

(1)

式中：m為1 Ci放射性核素的質量，即3.7×1010Bq/g；T為核素的半衰期，h；Q為核素的質量數。由公式(1)可知，131I質量與活度的轉換關系為：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 典型串聯式衰變池結構

目前常用串聯式衰變池結構示于圖1，頂部采用30 cm厚的混凝土進行覆蓋，采用四個衰變池，廢水經過衰變處理達標后排放。

圖1 典型的串聯式衰變池結構示意圖

2.3 串聯式衰變池CFD模型建立

本研究在目前普遍使用的衰變池結構型式基礎上展開。串聯式衰變池隔池體積及個數的選取滿足以下條件：一是池中放射性廢水濃度存放對應天數后低于10 Bq/L；二是工程可實現性好，對于260 m3總容積確定的情況下，隔池容積×隔池個數應基本等于總容積，其中隔池個數應為整數且不易過多，否則不利于工程實現。假設灌滿衰變池需要N天，則第一天進入衰變池的廢水在排放前衰變了(N-1) d，第二天進入衰變池的廢水在排放前衰變了(N-2) d，以此類推；根據核素衰變規律，不斷改變單個隔池容積及隔池個數，經反復理論計算，當衰變池池體個數為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工程可行且成本較低。

首先，建立串聯式衰變池基本模型，然后通過CFD對逐步改進的池形進行處理效果模擬分析，用于該醫院的串聯式衰變池的幾何模型如圖2a所示。由于串聯式衰變池結構不合理、死水區較大、不能使放射性核素有效停留衰變等問題，分別設計了4種結構的衰變池：在衰變池底部左側加倒角(圖2b)、在衰變池底部右側加倒角(圖2c)、在衰變池底部兩側均加倒角(圖2d)、衰變池底部兩側加倒角與折流板打孔(圖2e)。每個池體的放射性廢水進、出口均采用對角設置，避免短流，便于放射性廢水在池體內存儲較長時間。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 串聯式衰變池5種結構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 串聯式衰變池模擬分析的參數設置

2.4.1網格劃分 串聯式衰變池模型的網格劃分中網格質量不小于0.3。

2.4.2邊界條件設置 將串聯式衰變池的入口尺寸設置為0.1 m×0.2 m。一定量廢水勻速進入衰變池與同等量廢水瞬間進入衰變池對于廢水在衰變池內的停留時間并無太大影響(核醫學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，為方便計算假設廢水勻速進入衰變池。醫院放射性廢水產生量為1.2 m3/d，因此廢水進入衰變池的速度為6.95×10-4m/s。

衰變池出口設置為自由出流，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置為光滑壁面。131I的半衰期設置為8.04 d。

根據T1/2=0.693/λ，可知131I的衰變常數為0.003 59，時間常數τ=1/λ，為278.55 h。根據質量與活度的轉換關系可知，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 結果與討論

3.1 不同結構衰變池的內部流線分布

通過CFD軟件模擬了典型衰變池及其4種優化結構的衰變池內部流線分布，模擬結果示于圖4。所示。由圖4a結果可知，典型衰變池中存在大量死水區(圖中空白部分)，為了改善串聯式衰變池的衰變效果，需要改進衰變池的結構型式，以加強池中水的流動。在衰變池底部左側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(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位置打孔，其水池水的流動改善效果明顯，死水區域明顯減少(圖4e)。

a——典型串聯式；b——衰變池底部左側加倒角；c——衰變池底部右側加倒角；d——底部兩側均加倒角；e——衰變池底部兩側加倒角與折流板打孔

3.2 優化后串聯式衰變池的放射性濃度

通過分析對比4種優化后的衰變池模型，最終選擇衰變池模型為“池體進出口采用對角設置、改變底部倒角的角度、折流板與池壁間距，以及在折流板適當位置打孔”的方案為最終的串聯式衰變池的優化模型。利用軟件對優化后的衰變池進行放射性濃度的模擬，由于不同的衰變池內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間，最終模擬結果示于圖5。

經軟件模擬，進入衰變池內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 衰變池內某鉛垂面的放射性濃度分布示意圖

4 結論

通過對比不同結構型式串聯式衰變池的內部流線分布，針對死水區過大等問題，提出了一種新型的串聯式衰變池的結構型式。該種新型串聯式衰變池通過采區對角排水、增加開孔折流板、池底倒角等結構優化措施，減少串聯式衰變池的死水區域，增強串聯式衰變池的衰變效果。本研究利用CFD軟件模擬了不同結構型式衰變池的放射性濃度，得到該醫院核醫學科最終優化串聯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，可實現達標排放。