呂曉雯 陳暢其 夏曉彬 何 杰 張志宏 蔡 軍

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2MW液態(tài)釷基熔鹽實驗堆氣載放射性流出物近場擴散的數(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（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

方法以2 MW液態(tài)釷基熔鹽實驗堆的擬定場址為研究對象，開展放射性氣態(tài)流出物在近場范圍內(nèi)分布規(guī)律的研究，分析風速、煙囪高度、風向等參數(shù)對氣態(tài)流出物大氣彌散因子分布的影響。結(jié)果表明，對于高架排放，由煙羽抬升的影響使得風速越大近場范圍的放射性核素大氣彌散因子越高；在下風向建筑群迎風側(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)果可為熔鹽堆場區(qū)輻射環(huán)境影響評價及建筑物的布局、核應(yīng)急提供參考依據(jù)。

釷基熔鹽堆，大氣彌散，近場模擬，計算流體動力學(xué)

由美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)提出的熔鹽堆，在第四代反應(yīng)堆國際研討會上被選為第四代先進反應(yīng)堆之一。熔鹽堆具有良好的中子經(jīng)濟性、固有安全性、放射性廢物少、可持續(xù)發(fā)展、防核擴散等優(yōu)點[1]。中國科學(xué)院于2011年啟動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)釷基熔鹽實驗堆(Liquid-fueled Molten Salt Experimental Reactor, TMSR-LF1)[2]。按照我國核與輻射安全相關(guān)的標準規(guī)范，在反應(yīng)堆選址、設(shè)計與建設(shè)過程中需要開展環(huán)境影響評價分析，TMSR-LF1也不例外。

根據(jù)《研究堆應(yīng)急計劃和準備》(HAD002/06)，對于額定功率水平小于或等于2 MW的研究堆，其應(yīng)急計劃區(qū)區(qū)域范圍的推薦值為運行邊界[3]。因此開展近場范圍內(nèi)放射性氣態(tài)流出物的擴散研究是小功率研究堆輻射環(huán)境影響評價的重要內(nèi)容。目前核設(shè)施放射性氣態(tài)流出物大氣擴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)境影響評價、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、湍流場均勻穩(wěn)定的氣象條件，對于地形條件復(fù)雜，受建筑物擾動影響顯著的近場范圍的污染物擴散模擬具有局限性。計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法可以分析風與建筑物、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)雜條件下的擴散，并與風洞實驗數(shù)據(jù)相比較，結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果與風洞數(shù)據(jù)相吻合。謝海英等[5]選用RNG湍流模型分析了風向?qū)值缻{谷內(nèi)污染物擴散的影響。郭棟鵬等[6]采用CFD方法的湍流模型模擬了建筑物群對風場與污染物擴散的影響，并與風洞試驗結(jié)果進行對比，驗證了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，并與風洞試驗結(jié)果進行了對比，符合比較好。De Sampaio等[8]通過CFD數(shù)值模擬計算了核設(shè)施在不同氣象條件下的放射性污染物擴散，獲得了不同時刻污染物濃度等值線分布圖。Xie等[9]通過標準湍流模型進行了鈾礦氡大氣擴散模擬，并根據(jù)濃度場計算得到了最大有效劑量率。唐秀歡等[10]使用湍流模型對西安脈沖堆場區(qū)放射性氣體擴散進行了數(shù)值模擬，并指出季節(jié)溫度變化對氣體擴散產(chǎn)生的變化不大。秦超等[11]對中性層結(jié)下核電廠煙羽彌散數(shù)值模型進行了有效性分析，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擬定場區(qū)為研究對象，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)境影響評價、核應(yīng)急計劃區(qū)的劃分等提供參考依據(jù)。

1 計算方法

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和湍流擴散的過程中所遵循的連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及擴散方程描述如下[12]：

式中：u為速度分量，m?s?1；為時間，s；為密度，kg?m?3；為壓力，Pa；為運動學(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%；為分子擴散系數(shù)，m2?s?1；為組分源項。

為使上述控制方程組閉合，增加標準湍流方程，其對應(yīng)的湍流動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)生的湍流動能；G是由浮力產(chǎn)生的湍流動能；1ε=1.44，2ε=1.92，C=0.09，=1.0，=1.3。

對上述方程中的湍流動能、湍流耗散率采用一階迎風離散格式進行離散，并采用基于壓力的壓力-速度耦合SIMPLE算法進行求解。

1.2 幾何建模及網(wǎng)格劃分

根據(jù)TMSR擬定場區(qū)的規(guī)劃布局情況進行CFD建模(圖1)。其中建筑物A、B尺寸均為80m× 150 m×25 m（長×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；放化實驗區(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。整個建筑物區(qū)域占地長約1200 m，寬約900 m。

圖1 建筑物布局 Fig.1 Building layout.

為保證流動得到充分發(fā)展，在順風方向計算流域為建筑物區(qū)域的10倍，且建筑物區(qū)域中心位于計算流域沿風流向的前1/3處[14]，從而計算域為4500m×7200 m×300 m，如圖2所示。

對計算域離散采用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變化明顯的區(qū)域（建筑物、煙囪以及近地面）對網(wǎng)格進行加密，從而在保證計算精度的同時提高計算速率。

圖2 計算域三維模型 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)描述風速大小。風速采用風廓線冪指數(shù)規(guī)律模擬，如式(7)[15]所示：

式中：()為高度處風速；、0分別為計算點高度及10 m高度；0為10 m高度處風速；為風廓線指數(shù)，本次計算采用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。計算時使用的煙囪高度為40 m，放射性流出物在煙囪口的出口速度為10 m?s?1。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 風速的影響

在開展核設(shè)施的環(huán)境影響評價時，一般按風速的大小將風速分為靜風、<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[16]。因此計算時選取了0.5 m?s?1、1 m?s?1、3 m?s?1、6 m?s?1風速值進行計算，模擬了氣載放射性流出物的擴散遷移情況(圖3)。

從圖3中可以看出，隨著風速的增大，相同位置處的煙羽中心線高度越高，同時風速越大，氣載放射性流出物沿風向及垂直方向的擴散能力越強。對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速而增大。風速越小，相同位置處煙羽中心線高度越大。4種風速下煙羽中心線高度隨下風向距離的變化趨勢見圖4。

圖3 下風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，在下風向1500 m距離內(nèi)，4種風速情況下煙羽中心線高度均出現(xiàn)抬升現(xiàn)象，且風速越小，抬升高度越高。0.5 m?s?1、1 m?s?1風速下煙羽中心線高度隨著下風向距離而增加后趨于平緩，而3 m?s?1、6 m?s?1風速下，煙羽中心線高度隨著下風向距離呈現(xiàn)出先增大后降低趨勢。對比4種風速下相同下風向距離處的煙羽中心線高度，風速為0.5 m?s?1時的煙羽中心線最高，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量，風速越小，由煙羽的初始動量產(chǎn)生的煙羽抬升高度越大。除此之外，風速越大湍流強度越大，煙羽中污染物與周圍空氣充分混合，抬升高度越低。

4種風速情況下的下風向軸線地面大氣彌散因子隨距離的分布曲線見圖5，原點為煙囪所在位置，圖5中曲線的空白部分是由于建筑物區(qū)域F、G所在的下風向位置處阻擋導(dǎo)致。從圖5中可以看出，在計算范圍內(nèi)相同距離處3 m?s?1、6 m?s?1風速下的地面大氣彌散因子均高于0.5 m?s?1、1 m?s?1風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。相比低風速而言風速大時煙羽高度降低，因此地面濃度增大。此外，隨著風速增大導(dǎo)致湍流強度加強，放射性氣態(tài)流出物在垂直方向的擴散能力增強，煙羽易擴散到地面。因此對于高架源而言，近場區(qū)域的地面濃度會隨風速而增高。

圖5 下風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氣載放射性流出物的擴散稀釋能力，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氣載放射性流出物擴散分布的影響時采用北風風向進行計算，計算采用的風速為3 m?s?1。煙囪在30 m、40m、50 m高度情況下，近場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，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，在垂直方向放射性核素很快擴散到F、G區(qū)域建筑物所在的高度，煙流與建筑物區(qū)域迎風面相撞，停滯或分裂在建筑物周圍，建筑物迎風面因放射性核素向下輸運從而導(dǎo)致地面高濃度，因此在F、G建筑物區(qū)域迎風面緊貼建筑物一側(cè)出現(xiàn)濃度集聚現(xiàn)象。

2.3 風向的影響

TMSR擬建場區(qū)在春、夏季節(jié)的主導(dǎo)風向分別為東風、東南風，秋、冬季節(jié)的主導(dǎo)風向為偏北風。同時考慮到場區(qū)建筑物布局，煙囪位于場區(qū)西北部，工作人員密集區(qū)域辦公教育區(qū)G位于場區(qū)西南部。當出現(xiàn)北風、西北風時，工作人員密集的區(qū)域位于釋放源下風向。因此計算中僅模擬北風及西北風兩種情況下建筑物周圍大氣彌散因子分布情況，圖7(a)、(b)分別給出了北風及西北風風向下近場范圍內(nèi)大氣彌散因子的分布情況，計算所用煙囪高度為40 m，風速為3 m?s?1?？梢钥闯?，來流風向為北風時，近場局地范圍內(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、西北風時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，因此對場區(qū)工作人員不會產(chǎn)生影響。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的高斯模型無法適用于核設(shè)施近場范圍內(nèi)氣載放射性流出物的擴散研究，本文以2 MW TMSR-LF1擬定場址為研究對象，采用CFD方法從風速、煙囪高度、風向等方面出發(fā)研究這些因素對氣載放射性流出物大氣彌散因子分布的影響，預(yù)測場區(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) 對于高架排放，由于煙羽抬升影響使得風速越大近場范圍內(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向距離而增大。

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

3) 當來流風向為北風時，放射性核素易在辦公教育區(qū)域南部形成集聚；當為西北風向時，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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中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(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，研究方向為輻射環(huán)境影響分析

夏曉彬，E-mail: xiaxiaobin@sinap.ac.cn

2016-01-19，

2016-03-15