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，研究密閉廠房內發生放射性粉末物料灑落事故后室內空氣流動以及顆粒運動情況，并分析了顆粒粒徑、灑落速度、灑落高度的影響。結果表明：顆粒運動主要受密閉空間內部氣體環流的影響，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飄散懸浮，隨氣流運動;不同灑落速度造成的氣溶膠運動及分布情況區別很小;小粒徑顆粒更容易受周圍氣體的曳力影響而從主流區域脫離出來形成散射粉塵，因此，顆粒粒徑越小，灑落后造成的沉積范圍越大。

關鍵詞：CFD 方法;灑落事故;氣溶膠顆粒

中圖分類號：X591 文獻標識碼：A

核燃料循環設施諸多工藝涉及放射性粉末物料的生產、制備、倒料、混料等工序，在干法生產線操作的物料形態大多為粉末狀。在工藝系統中的轉移和輸送過程中，由于設備故障、人員誤操作等因素可能會造成放射性粉末物料從工藝設備中意外灑落，由于粉末、氧化物的粒徑較小、質量較輕，在發生灑落事故時，物料會在廠房內擴散、沉降，對工作人員和公眾造成輻射照射[1] 。

美國SNL 發布了非反應堆核設施的氣載釋放份額和可吸入份額手冊DOE-HDBK-3010-94，手冊中給出了許多實驗結果，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測量情況[2] 。Plinke 等人[3] 為了探究影響粉塵產生的因素，設計實驗裝置并進行了驗證，通過實驗測試了四種類型的顆粒物質，并建立了一個粉塵產生速率隨顆粒粒徑、釋放高度、材料流速和濕度變化的模型。Sutter 等人[4] 實驗測量了不同重量的材料從不同高度灑落所產生氣溶膠的氣載質量和粒徑分布。結果表明：對于下落距離小于3 m，空氣速度方向垂直于粉末流動方向的情景，可吸入份額ARF 中值為3. 00×10-4 ，上限值為2. 00×10-3 ;對于下落距離大于3 m，空氣速度方向垂直于粉末流動方向的情景，ARF 取2. 0×10-3 。國內對核燃料循環設施廠房放射性核素釋放源項等相關研究較少，由于缺少相關的實測數據，所以廠房內物料向環境釋放的源項估算主要采取國外數據進行保守假設。

目前，通過數值仿真手段研究核設施釋放源項逐漸成為一種趨勢。原子能院周艷玲等[5] 用FLUENT 軟件對不同操作條件下CeO2 粉末（PuO2替代材料） 傾倒過程進行了數值計算。昌旭東等[6] 運用CFD 方法模擬了239 PuO2 氣溶膠微粒在不同工況下的流動特性及其粒子軌跡。可見，對于室內氣溶膠運動擴散問題，CFD 方法具有更好的通用性，并且可以對氣溶膠的擴散規律和影響因素進行深入分析。本文基于計算流體力學方法，使用FLUENT 軟件針對密閉廠房開展放射性粉末物料灑落事故發生后氣溶膠運動擴散規律研究，獲取氣溶膠顆粒運動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獲取提供參考，及為事故后的應急和清污工作提供技術支持。

1 CFD 方法簡介

1. 1 理論基礎

對于氣固兩相流，多采用拉格朗日法和歐拉法計算，前者又稱顆粒軌道模型或離散相（DPM）模型[7-8] ，后者又稱雙流體模型[9] 。DPM 模型適用于廠房內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行求解。