2MW液態(tài)釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆氣載放射性流出物近場(chǎng)擴(kuò)散的數(shù)值模擬

呂曉雯 陳暢其 夏曉彬 何 杰 張志宏 蔡 軍

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2MW液態(tài)釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆氣載放射性流出物近場(chǎng)擴(kuò)散的數(shù)值模擬

呂曉雯1,2陳暢其1,2夏曉彬1何 杰1,2張志宏1蔡 軍1

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

方法以2 MW液態(tài)釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆的擬定場(chǎng)址為研究對(duì)象，開展放射性氣態(tài)流出物在近場(chǎng)范圍內(nèi)分布規(guī)律的研究，分析風(fēng)速、煙囪高度、風(fēng)向等參數(shù)對(duì)氣態(tài)流出物大氣彌散因子分布的影響。結(jié)果表明，對(duì)于高架排放，由煙羽抬升的影響使得風(fēng)速越大近場(chǎng)范圍的放射性核素大氣彌散因子越高；在下風(fēng)向建筑群迎風(fēng)側(cè)均易出現(xiàn)放射性核素集聚區(qū)，煙囪高度越低集聚現(xiàn)象越明顯。本研究的結(jié)果可為熔鹽堆場(chǎng)區(qū)輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)及建筑物的布局、核應(yīng)急提供參考依據(jù)。

釷基熔鹽堆，大氣彌散，近場(chǎng)模擬，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)

由美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)提出的熔鹽堆，在第四代反應(yīng)堆國(guó)際研討會(huì)上被選為第四代先進(jìn)反應(yīng)堆之一。熔鹽堆具有良好的中子經(jīng)濟(jì)性、固有安全性、放射性廢物少、可持續(xù)發(fā)展、防核擴(kuò)散等優(yōu)點(diǎn)[1]。中國(guó)科學(xué)院于2011年啟動(dòng)釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(Thorium-based Molten Salt Reactor, TMSR)，其任務(wù)之一是建成2 MW液態(tài)釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆(Liquid-fueled Molten Salt Experimental Reactor, TMSR-LF1)[2]。按照我國(guó)核與輻射安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在反應(yīng)堆選址、設(shè)計(jì)與建設(shè)過程中需要開展環(huán)境影響評(píng)價(jià)分析，TMSR-LF1也不例外。

根據(jù)《研究堆應(yīng)急計(jì)劃和準(zhǔn)備》(HAD002/06)，對(duì)于額定功率水平小于或等于2 MW的研究堆，其應(yīng)急計(jì)劃區(qū)區(qū)域范圍的推薦值為運(yùn)行邊界[3]。因此開展近場(chǎng)范圍內(nèi)放射性氣態(tài)流出物的擴(kuò)散研究是小功率研究堆輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。目前核設(shè)施放射性氣態(tài)流出物大氣擴(kuò)散模擬大多采用高斯煙羽模型，各種修正的高斯煙羽模型被廣泛地應(yīng)用于環(huán)境影響評(píng)價(jià)、事故后果分析中。然而高斯煙羽模型適用于下墊面開闊平坦、湍流場(chǎng)均勻穩(wěn)定的氣象條件，對(duì)于地形條件復(fù)雜，受建筑物擾動(dòng)影響顯著的近場(chǎng)范圍的污染物擴(kuò)散模擬具有局限性。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法可以分析風(fēng)與建筑物、地形相互作用引起的湍流影響，在城市環(huán)境、街道峽谷范圍內(nèi)的污染物擴(kuò)散模擬中得到廣泛的應(yīng)用，近年來也被推廣至放射性氣態(tài)流出物的擴(kuò)散研究中。Hill等[4]使用湍流模型模擬了面污染源在復(fù)雜條件下的擴(kuò)散，并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞數(shù)據(jù)相吻合。謝海英等[5]選用RNG湍流模型分析了風(fēng)向?qū)值缻{谷內(nèi)污染物擴(kuò)散的影響。郭棟鵬等[6]采用CFD方法的湍流模型模擬了建筑物群對(duì)風(fēng)場(chǎng)與污染物擴(kuò)散的影響，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了CFD數(shù)值模擬結(jié)果的合理性。謝曉敏等[7]通過湍流模型模擬，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，符合比較好。De Sampaio等[8]通過CFD數(shù)值模擬計(jì)算了核設(shè)施在不同氣象條件下的放射性污染物擴(kuò)散，獲得了不同時(shí)刻污染物濃度等值線分布圖。Xie等[9]通過標(biāo)準(zhǔn)湍流模型進(jìn)行了鈾礦氡大氣擴(kuò)散模擬，并根據(jù)濃度場(chǎng)計(jì)算得到了最大有效劑量率。唐秀歡等[10]使用湍流模型對(duì)西安脈沖堆場(chǎng)區(qū)放射性氣體擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬，并指出季節(jié)溫度變化對(duì)氣體擴(kuò)散產(chǎn)生的變化不大。秦超等[11]對(duì)中性層結(jié)下核電廠煙羽彌散數(shù)值模型進(jìn)行了有效性分析，研究表明CFD數(shù)值模型可用于核電廠煙羽大氣彌散過程的研究。

本文以2 MW TMSR-LF1擬定場(chǎng)區(qū)為研究對(duì)象，采用基于CFD方法的FLUENT軟件研究了放射性氣態(tài)流出物在近場(chǎng)范圍內(nèi)的分布規(guī)律。通過分析煙囪高度、不同氣象條件對(duì)大氣彌散產(chǎn)生的影響，從而得到放射性核素大氣彌散因子的分布情況，為TMSR-LF1環(huán)境影響評(píng)價(jià)、核應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分等提供參考依據(jù)。

1 計(jì)算方法

1.1 控制方程及求解方法

放射性流出物在大氣彌散過程中速度遠(yuǎn)小于聲速，可近似為不可壓縮粘性流體。在這種流體中放射性核素隨來流輸運(yùn)和湍流擴(kuò)散的過程中所遵循的連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程以及擴(kuò)散方程描述如下[12]：

式中：u為速度分量，m?s?1；為時(shí)間，s；為密度，kg?m?3；為壓力，Pa；為運(yùn)動(dòng)學(xué)粘性系數(shù)，m2?s?1；為地轉(zhuǎn)角速度，rad?s?1；為速度矢量；為位溫，K；κ為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2?s?1；C為等壓熱容，J?K?1；R為x方向?qū)?yīng)的輻射能通量，W；為組分濃度，mol%；為分子擴(kuò)散系數(shù)，m2?s?1；為組分源項(xiàng)。

為使上述控制方程組閉合，增加標(biāo)準(zhǔn)湍流方程，其對(duì)應(yīng)的湍流動(dòng)能方程以及湍流耗散方程分別如式(5)、(6)[13]所示：

式中：為湍流動(dòng)能，m2?s?2；為湍流耗散率；μ=ρC(2/)；G是由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；G是由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；1ε=1.44，2ε=1.92，C=0.09，=1.0，=1.3。

對(duì)上述方程中的湍流動(dòng)能、湍流耗散率采用一階迎風(fēng)離散格式進(jìn)行離散，并采用基于壓力的壓力-速度耦合SIMPLE算法進(jìn)行求解。

1.2 幾何建模及網(wǎng)格劃分

根據(jù)TMSR擬定場(chǎng)區(qū)的規(guī)劃布局情況進(jìn)行CFD建模(圖1)。其中建筑物A、B尺寸均為80m× 150 m×25 m（長(zhǎng)×寬×高，下同）；煙囪C高度為40m、直徑2 m；建筑物D、E尺寸為150m×240m×25 m；放化實(shí)驗(yàn)區(qū)F為300 m×140 m×21 m；辦公教育區(qū)G為250 m×180 m×18 m；研發(fā)區(qū)域H為185m×180m× 15 m；輻照技術(shù)區(qū)域I為350 m×180 m×9 m。整個(gè)建筑物區(qū)域占地長(zhǎng)約1200 m，寬約900 m。

圖1 建筑物布局 Fig.1 Building layout.

為保證流動(dòng)得到充分發(fā)展，在順風(fēng)方向計(jì)算流域?yàn)榻ㄖ飬^(qū)域的10倍，且建筑物區(qū)域中心位于計(jì)算流域沿風(fēng)流向的前1/3處[14]，從而計(jì)算域?yàn)?500m×7200 m×300 m，如圖2所示。

對(duì)計(jì)算域離散采用ANSYS Meshing劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，通過漸變網(wǎng)格尺寸的方式在流場(chǎng)變化明顯的區(qū)域（建筑物、煙囪以及近地面）對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，從而在保證計(jì)算精度的同時(shí)提高計(jì)算速率。

圖2 計(jì)算域三維模型 Fig.2 Three dimensional model of TMSR site.

1.3 邊界條件設(shè)置

入口邊界采用速度入口邊界條件，通過用戶自定義函數(shù)描述風(fēng)速大小。風(fēng)速采用風(fēng)廓線冪指數(shù)規(guī)律模擬，如式(7)[15]所示：

式中：()為高度處風(fēng)速；、0分別為計(jì)算點(diǎn)高度及10 m高度；0為10 m高度處風(fēng)速；為風(fēng)廓線指數(shù)，本次計(jì)算采用D類穩(wěn)定度，取值0.25[15]。出口采用壓力出口邊界條件，兩側(cè)及頂部采用對(duì)稱邊界條件，地面、建筑物壁面及煙囪壁面都定義為無滑移壁面。煙囪出口為速度入口邊界，出口溫度與環(huán)境溫度相同。計(jì)算時(shí)使用的煙囪高度為40 m，放射性流出物在煙囪口的出口速度為10 m?s?1。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)速的影響

在開展核設(shè)施的環(huán)境影響評(píng)價(jià)時(shí)，一般按風(fēng)速的大小將風(fēng)速分為靜風(fēng)、<1.9 m?s?1、2.0?2.9 m?s?1、3.0?4.9 m?s?1、5.0?5.9 m?s?1、>6 m?s?1等級(jí)[16]。因此計(jì)算時(shí)選取了0.5 m?s?1、1 m?s?1、3 m?s?1、6 m?s?1風(fēng)速值進(jìn)行計(jì)算，模擬了氣載放射性流出物的擴(kuò)散遷移情況(圖3)。

從圖3中可以看出，隨著風(fēng)速的增大，相同位置處的煙羽中心線高度越高，同時(shí)風(fēng)速越大，氣載放射性流出物沿風(fēng)向及垂直方向的擴(kuò)散能力越強(qiáng)。對(duì)比建筑物頂部的大氣彌散因子可以發(fā)現(xiàn)，建筑物頂部區(qū)域的大氣彌散因子隨著風(fēng)速而增大。風(fēng)速越小，相同位置處煙羽中心線高度越大。4種風(fēng)速下煙羽中心線高度隨下風(fēng)向距離的變化趨勢(shì)見圖4。

圖3 下風(fēng)向垂直面大氣彌散因子分布 Fig.3 Contour of atmospheric dispersion factor on vertical plane along downwind direction.

圖4 煙羽中心線高度隨下風(fēng)向距離的變化曲線 Fig.4 Height of plume centerline vs. distance of downwind.

從圖4中可以看出，在下風(fēng)向1500 m距離內(nèi)，4種風(fēng)速情況下煙羽中心線高度均出現(xiàn)抬升現(xiàn)象，且風(fēng)速越小，抬升高度越高。0.5 m?s?1、1 m?s?1風(fēng)速下煙羽中心線高度隨著下風(fēng)向距離而增加后趨于平緩，而3 m?s?1、6 m?s?1風(fēng)速下，煙羽中心線高度隨著下風(fēng)向距離呈現(xiàn)出先增大后降低趨勢(shì)。對(duì)比4種風(fēng)速下相同下風(fēng)向距離處的煙羽中心線高度，風(fēng)速為0.5 m?s?1時(shí)的煙羽中心線最高，抬升高度為煙囪高度的3倍以上。煙羽的抬升現(xiàn)象是由于氣載放射性流出物在煙囪出口處具有向上的初始動(dòng)量，風(fēng)速越小，由煙羽的初始動(dòng)量產(chǎn)生的煙羽抬升高度越大。除此之外，風(fēng)速越大湍流強(qiáng)度越大，煙羽中污染物與周圍空氣充分混合，抬升高度越低。

4種風(fēng)速情況下的下風(fēng)向軸線地面大氣彌散因子隨距離的分布曲線見圖5，原點(diǎn)為煙囪所在位置，圖5中曲線的空白部分是由于建筑物區(qū)域F、G所在的下風(fēng)向位置處阻擋導(dǎo)致。從圖5中可以看出，在計(jì)算范圍內(nèi)相同距離處3 m?s?1、6 m?s?1風(fēng)速下的地面大氣彌散因子均高于0.5 m?s?1、1 m?s?1風(fēng)速下的大氣彌散因子。然而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是由于風(fēng)速越大，煙羽抬升高度越小甚至出現(xiàn)煙羽下洗現(xiàn)象導(dǎo)致。相比低風(fēng)速而言風(fēng)速大時(shí)煙羽高度降低，因此地面濃度增大。此外，隨著風(fēng)速增大導(dǎo)致湍流強(qiáng)度加強(qiáng)，放射性氣態(tài)流出物在垂直方向的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，煙羽易擴(kuò)散到地面。因此對(duì)于高架源而言，近場(chǎng)區(qū)域的地面濃度會(huì)隨風(fēng)速而增高。

圖5 下風(fēng)向軸線地面大氣彌散因子隨距煙囪距離的分布 Fig.5 Distribution of relative concentration along downwind axis.

2.2 煙囪高度的影響

煙囪的高度影響大氣對(duì)氣載放射性流出物的擴(kuò)散稀釋能力，增高煙囪高度能夠有效地降低地表放射性核素的活度濃度水平。但在TMSR擬定場(chǎng)區(qū)中工作人員大多集中于辦公教育G區(qū)域，而煙囪位于該區(qū)域的正北方，因此在研究不同煙囪高度對(duì)氣載放射性流出物擴(kuò)散分布的影響時(shí)采用北風(fēng)風(fēng)向進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算采用的風(fēng)速為3 m?s?1。煙囪在30 m、40m、50 m高度情況下，近場(chǎng)地表的大氣彌散因子分布情況如圖6所示。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，煙囪高度越高，通過煙囪釋放的放射性氣態(tài)流出物受建筑物影響越小，這體現(xiàn)出明顯的高架源排放特征。以1×10 s?m為大氣彌散因子閾值，三種釋放高度情況下均在G區(qū)域的南側(cè)向南區(qū)域出現(xiàn)大氣彌散因子大于閾值的擴(kuò)散集聚區(qū)，且釋放高度越低，集聚區(qū)面積越大。一方面是由于垂直方向的彌散作用使污染物沉降到地表面，另一方面則是氣流在G建筑物區(qū)域南部出現(xiàn)空腔區(qū)形成下沉氣流導(dǎo)致。30 m高度釋放時(shí)，不僅在G區(qū)域南側(cè)向南區(qū)域出現(xiàn)高于閾值的集聚區(qū)，在G區(qū)域、F區(qū)域迎風(fēng)面同樣也出現(xiàn)高于1×10?6s?m?3的集聚區(qū)。這主要是由于釋放高度為30 m時(shí)，在垂直方向放射性核素很快擴(kuò)散到F、G區(qū)域建筑物所在的高度，煙流與建筑物區(qū)域迎風(fēng)面相撞，停滯或分裂在建筑物周圍，建筑物迎風(fēng)面因放射性核素向下輸運(yùn)從而導(dǎo)致地面高濃度，因此在F、G建筑物區(qū)域迎風(fēng)面緊貼建筑物一側(cè)出現(xiàn)濃度集聚現(xiàn)象。

2.3 風(fēng)向的影響

TMSR擬建場(chǎng)區(qū)在春、夏季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向分別為東風(fēng)、東南風(fēng)，秋、冬季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)。同時(shí)考慮到場(chǎng)區(qū)建筑物布局，煙囪位于場(chǎng)區(qū)西北部，工作人員密集區(qū)域辦公教育區(qū)G位于場(chǎng)區(qū)西南部。當(dāng)出現(xiàn)北風(fēng)、西北風(fēng)時(shí)，工作人員密集的區(qū)域位于釋放源下風(fēng)向。因此計(jì)算中僅模擬北風(fēng)及西北風(fēng)兩種情況下建筑物周圍大氣彌散因子分布情況，圖7(a)、(b)分別給出了北風(fēng)及西北風(fēng)風(fēng)向下近場(chǎng)范圍內(nèi)大氣彌散因子的分布情況，計(jì)算所用煙囪高度為40 m，風(fēng)速為3 m?s?1?？梢钥闯?，來流風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)時(shí)，近場(chǎng)局地范圍內(nèi)的放射性核素易在G區(qū)域南部范圍集聚，大氣彌散因子隨著離G建筑物區(qū)域距離而增大，最大大氣彌散因子約為7.9×10?6s?m?3，其他區(qū)域的大氣彌散因子均在1×10?6s?m?3以下。相比于北風(fēng)、西北風(fēng)時(shí)在來流方向輻照技術(shù)區(qū)域I的前后區(qū)域形成較大范圍大氣彌散因子高于1×10?6s?m?3的放射性核素集聚區(qū)，大氣彌散因子最大值出現(xiàn)在I區(qū)域迎風(fēng)面，值約為7.0×10?6s?m?3。由于在I區(qū)域北部的放射性核素集聚區(qū)是沒有規(guī)劃的空白區(qū)域，因此對(duì)場(chǎng)區(qū)工作人員不會(huì)產(chǎn)生影響。

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的高斯模型無法適用于核設(shè)施近場(chǎng)范圍內(nèi)氣載放射性流出物的擴(kuò)散研究，本文以2 MW TMSR-LF1擬定場(chǎng)址為研究對(duì)象，采用CFD方法從風(fēng)速、煙囪高度、風(fēng)向等方面出發(fā)研究這些因素對(duì)氣載放射性流出物大氣彌散因子分布的影響，預(yù)測(cè)場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)放射性核素的濃度分布。通過本研究得到以下結(jié)論：

1) 對(duì)于高架排放，由于煙羽抬升影響使得風(fēng)速越大近場(chǎng)范圍內(nèi)地表水平的放射性核素大氣彌散因子越高，在此范圍內(nèi)大氣彌散因子隨著下風(fēng)向距離而增大。

2) 煙囪高度越低，建筑物對(duì)放射性核素?cái)U(kuò)散的影響越明顯，建筑物迎風(fēng)面與流出物煙流相撞使放射性核素向下輸運(yùn)，易于在迎風(fēng)面出現(xiàn)高污染區(qū)。

3) 當(dāng)來流風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)時(shí)，放射性核素易在辦公教育區(qū)域南部形成集聚；當(dāng)為西北風(fēng)向時(shí)，放射性核素集聚區(qū)域主要出現(xiàn)在來流方向輻照技術(shù)區(qū)的前后方。

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中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(No.XDA02005004)資助

Supported by Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences (No.XDA02005004)

Numerical simulation to dispersion of radioactive airborne effluents in near-field of 2-MW TMSR-LF1

LYU Xiaowen1,2CHEN Changqi1,2XIA Xiaobin1HE Jie1,2ZHANG Zhihong1CAI Jun1

1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Dispersion of radioactive airborne effluents in the near field is an important content of environment impact assessment of nuclear facilities. Due to the effect of complex building, the Gaussian plume model is not suitable for simulation of atmospheric dispersion in near field. Purpose: This paper attempts to analyze the atmospheric dispersion factors in near-field area of 2-MW liquid-fueled molten salt experimental reactor (TMSR-LF1) and provide data for environment impact assessment. Methods: Based on the building layout of proposed site of TMSR-LF1, the distribution of atmospheric dispersion factors were calculated by using method of Computational Fluid Dynamics (CFD) and the influences to the distribution of different factors were analyzed. Results: For elevated emission, because of the plume rise, the greater the wind speed is, the higher the concentration is in near field area; the pollutant accumulation areas will be prone to present at upwind side of buildings along the direction of wind. Conclusion: All these provide important data for nuclear emergency, and environmental impact assessment for TMSR-LF1.

TMSR-LF1, Atmospheric dispersion, Near-field simulation, CFD

LYU Xiaowen, female, born in 1987, graduated from Zhengzhou University in 2009, doctor student, focusing on environmental impact analysis

XIA Xiaobin, E-mail: xiaxiaobin@sinap.ac.cn

TL75

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.050603

呂曉雯，女，1987年出生，2009年畢業(yè)于鄭州大學(xué)，現(xiàn)為博士研究生，研究方向?yàn)檩椛洵h(huán)境影響分析

夏曉彬，E-mail: xiaxiaobin@sinap.ac.cn

2016-01-19，

2016-03-15