2MW液态钍基熔盐实验堆气载放射性流出物近场扩散的数值模拟

吕晓雯 陈畅其 夏晓彬 何 杰 张志宏 蔡 军



2MW液态钍基熔盐实验堆气载放射性流出物近场扩散的数值模拟

吕晓雯1,2陈畅其1,2夏晓彬1何 杰1,2张志宏1蔡 军1

1（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）2（中国科学院大学 北京 100049）

方法以2 MW液态钍基熔盐实验堆的拟定场址为研究对象，开展放射性气态流出物在近场范围内分布规律的研究，分析风速、烟囱高度、风向等参数对气态流出物大气弥散因子分布的影响。结果表明，对于高架排放，由烟羽抬升的影响使得风速越大近场范围的放射性核素大气弥散因子越高；在下风向建筑群迎风侧均易出现放射性核素集聚区，烟囱高度越低集聚现象越明显。本研究的结果可为熔盐堆场区辐射环境影响评价及建筑物的布局、核应急提供参考依据。

钍基熔盐堆，大气弥散，近场模拟，计算流体动力学

由美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)提出的熔盐堆，在第四代反应堆国际研讨会上被选为第四代先进反应堆之一。熔盐堆具有良好的中子经济性、固有安全性、放射性废物少、可持续发展、防核扩散等优点[1]。中国科学院于2011年启动钍基熔盐堆核能系统(Thorium-based Molten Salt Reactor, TMSR)，其任务之一是建成2 MW液态钍基熔盐实验堆(Liquid-fueled Molten Salt Experimental Reactor, TMSR-LF1)[2]。按照我国核与辐射安全相关的标准规范，在反应堆选址、设计与建设过程中需要开展环境影响评价分析，TMSR-LF1也不例外。

根据《研究堆应急计划和准备》(HAD002/06)，对于额定功率水平小于或等于2 MW的研究堆，其应急计划区区域范围的推荐值为运行边界[3]。因此开展近场范围内放射性气态流出物的扩散研究是小功率研究堆辐射环境影响评价的重要内容。目前核设施放射性气态流出物大气扩散模拟大多采用高斯烟羽模型，各种修正的高斯烟羽模型被广泛地应用于环境影响评价、事故后果分析中。然而高斯烟羽模型适用于下垫面开阔平坦、湍流场均匀稳定的气象条件，对于地形条件复杂，受建筑物扰动影响显著的近场范围的污染物扩散模拟具有局限性。计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法可以分析风与建筑物、地形相互作用引起的湍流影响，在城市环境、街道峡谷范围内的污染物扩散模拟中得到广泛的应用，近年来也被推广至放射性气态流出物的扩散研究中。Hill等[4]使用湍流模型模拟了面污染源在复杂条件下的扩散，并与风洞实验数据相比较，结果表明数值模拟结果与风洞数据相吻合。谢海英等[5]选用RNG湍流模型分析了风向对街道峡谷内污染物扩散的影响。郭栋鹏等[6]采用CFD方法的湍流模型模拟了建筑物群对风场与污染物扩散的影响，并与风洞试验结果进行对比，验证了CFD数值模拟结果的合理性。谢晓敏等[7]通过湍流模型模拟，并与风洞试验结果进行了对比，符合比较好。De Sampaio等[8]通过CFD数值模拟计算了核设施在不同气象条件下的放射性污染物扩散，获得了不同时刻污染物浓度等值线分布图。Xie等[9]通过标准湍流模型进行了铀矿氡大气扩散模拟，并根据浓度场计算得到了最大有效剂量率。唐秀欢等[10]使用湍流模型对西安脉冲堆场区放射性气体扩散进行了数值模拟，并指出季节温度变化对气体扩散产生的变化不大。秦超等[11]对中性层结下核电厂烟羽弥散数值模型进行了有效性分析，研究表明CFD数值模型可用于核电厂烟羽大气弥散过程的研究。

本文以2 MW TMSR-LF1拟定场区为研究对象，采用基于CFD方法的FLUENT软件研究了放射性气态流出物在近场范围内的分布规律。通过分析烟囱高度、不同气象条件对大气弥散产生的影响，从而得到放射性核素大气弥散因子的分布情况，为TMSR-LF1环境影响评价、核应急计划区的划分等提供参考依据。

1 计算方法

1.1 控制方程及求解方法

放射性流出物在大气弥散过程中速度远小于声速，可近似为不可压缩粘性流体。在这种流体中放射性核素随来流输运和湍流扩散的过程中所遵循的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及扩散方程描述如下[12]：

式中：u为速度分量，m∙s‒1；为时间，s；为密度，kg∙m‒3；为压力，Pa；为运动学粘性系数，m2∙s‒1；为地转角速度，rad∙s‒1；为速度矢量；为位温，K；κ为热扩散系数，m2∙s‒1；C为等压热容，J∙K‒1；R为x方向对应的辐射能通量，W；为组分浓度，mol%；为分子扩散系数，m2∙s‒1；为组分源项。

为使上述控制方程组闭合，增加标准湍流方程，其对应的湍流动能方程以及湍流耗散方程分别如式(5)、(6)[13]所示：

式中：为湍流动能，m2∙s‒2；为湍流耗散率；μ=ρC(2/)；G是由层流速度梯度产生的湍流动能；G是由浮力产生的湍流动能；1ε=1.44，2ε=1.92，C=0.09，=1.0，=1.3。

对上述方程中的湍流动能、湍流耗散率采用一阶迎风离散格式进行离散，并采用基于压力的压力-速度耦合SIMPLE算法进行求解。

1.2 几何建模及网格划分

根据TMSR拟定场区的规划布局情况进行CFD建模(图1)。其中建筑物A、B尺寸均为80m× 150 m×25 m（长×宽×高，下同）；烟囱C高度为40m、直径2 m；建筑物D、E尺寸为150m×240m×25 m；放化实验区F为300 m×140 m×21 m；办公教育区G为250 m×180 m×18 m；研发区域H为185m×180m× 15 m；辐照技术区域I为350 m×180 m×9 m。整个建筑物区域占地长约1200 m，宽约900 m。

图1 建筑物布局 Fig.1 Building layout.

为保证流动得到充分发展，在顺风方向计算流域为建筑物区域的10倍，且建筑物区域中心位于计算流域沿风流向的前1/3处[14]，从而计算域为4500m×7200 m×300 m，如图2所示。

对计算域离散采用ANSYS Meshing划分非结构化网格，通过渐变网格尺寸的方式在流场变化明显的区域（建筑物、烟囱以及近地面）对网格进行加密，从而在保证计算精度的同时提高计算速率。

图2 计算域三维模型 Fig.2 Three dimensional model of TMSR site.

1.3 边界条件设置

入口边界采用速度入口边界条件，通过用户自定义函数描述风速大小。风速采用风廓线幂指数规律模拟，如式(7)[15]所示：

式中：()为高度处风速；、0分别为计算点高度及10 m高度；0为10 m高度处风速；为风廓线指数，本次计算采用D类稳定度，取值0.25[15]。出口采用压力出口边界条件，两侧及顶部采用对称边界条件，地面、建筑物壁面及烟囱壁面都定义为无滑移壁面。烟囱出口为速度入口边界，出口温度与环境温度相同。计算时使用的烟囱高度为40 m，放射性流出物在烟囱口的出口速度为10 m∙s‒1。

2 计算结果与分析

2.1 风速的影响

在开展核设施的环境影响评价时，一般按风速的大小将风速分为静风、<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等级[16]。因此计算时选取了0.5 m∙s‒1、1 m∙s‒1、3 m∙s‒1、6 m∙s‒1风速值进行计算，模拟了气载放射性流出物的扩散迁移情况(图3)。

从图3中可以看出，随着风速的增大，相同位置处的烟羽中心线高度越高，同时风速越大，气载放射性流出物沿风向及垂直方向的扩散能力越强。对比建筑物顶部的大气弥散因子可以发现，建筑物顶部区域的大气弥散因子随着风速而增大。风速越小，相同位置处烟羽中心线高度越大。4种风速下烟羽中心线高度随下风向距离的变化趋势见图4。

图3 下风向垂直面大气弥散因子分布 Fig.3 Contour of atmospheric dispersion factor on vertical plane along downwind direction.

图4 烟羽中心线高度随下风向距离的变化曲线 Fig.4 Height of plume centerline vs. distance of downwind.

从图4中可以看出，在下风向1500 m距离内，4种风速情况下烟羽中心线高度均出现抬升现象，且风速越小，抬升高度越高。0.5 m∙s‒1、1 m∙s‒1风速下烟羽中心线高度随着下风向距离而增加后趋于平缓，而3 m∙s‒1、6 m∙s‒1风速下，烟羽中心线高度随着下风向距离呈现出先增大后降低趋势。对比4种风速下相同下风向距离处的烟羽中心线高度，风速为0.5 m∙s‒1时的烟羽中心线最高，抬升高度为烟囱高度的3倍以上。烟羽的抬升现象是由于气载放射性流出物在烟囱出口处具有向上的初始动量，风速越小，由烟羽的初始动量产生的烟羽抬升高度越大。除此之外，风速越大湍流强度越大，烟羽中污染物与周围空气充分混合，抬升高度越低。

4种风速情况下的下风向轴线地面大气弥散因子随距离的分布曲线见图5，原点为烟囱所在位置，图5中曲线的空白部分是由于建筑物区域F、G所在的下风向位置处阻挡导致。从图5中可以看出，在计算范围内相同距离处3 m∙s‒1、6 m∙s‒1风速下的地面大气弥散因子均高于0.5 m∙s‒1、1 m∙s‒1风速下的大气弥散因子。然而出现这种现象的主要原因是由于风速越大，烟羽抬升高度越小甚至出现烟羽下洗现象导致。相比低风速而言风速大时烟羽高度降低，因此地面浓度增大。此外，随着风速增大导致湍流强度加强，放射性气态流出物在垂直方向的扩散能力增强，烟羽易扩散到地面。因此对于高架源而言，近场区域的地面浓度会随风速而增高。

图5 下风向轴线地面大气弥散因子随距烟囱距离的分布 Fig.5 Distribution of relative concentration along downwind axis.

2.2 烟囱高度的影响

烟囱的高度影响大气对气载放射性流出物的扩散稀释能力，增高烟囱高度能够有效地降低地表放射性核素的活度浓度水平。但在TMSR拟定场区中工作人员大多集中于办公教育G区域，而烟囱位于该区域的正北方，因此在研究不同烟囱高度对气载放射性流出物扩散分布的影响时采用北风风向进行计算，计算采用的风速为3 m∙s‒1。烟囱在30 m、40m、50 m高度情况下，近场地表的大气弥散因子分布情况如图6所示。从图6中可以发现，烟囱高度越高，通过烟囱释放的放射性气态流出物受建筑物影响越小，这体现出明显的高架源排放特征。以1×10 s∙m为大气弥散因子阈值，三种释放高度情况下均在G区域的南侧向南区域出现大气弥散因子大于阈值的扩散集聚区，且释放高度越低，集聚区面积越大。一方面是由于垂直方向的弥散作用使污染物沉降到地表面，另一方面则是气流在G建筑物区域南部出现空腔区形成下沉气流导致。30 m高度释放时，不仅在G区域南侧向南区域出现高于阈值的集聚区，在G区域、F区域迎风面同样也出现高于1×10‒6s∙m‒3的集聚区。这主要是由于释放高度为30 m时，在垂直方向放射性核素很快扩散到F、G区域建筑物所在的高度，烟流与建筑物区域迎风面相撞，停滞或分裂在建筑物周围，建筑物迎风面因放射性核素向下输运从而导致地面高浓度，因此在F、G建筑物区域迎风面紧贴建筑物一侧出现浓度集聚现象。

2.3 风向的影响

TMSR拟建场区在春、夏季节的主导风向分别为东风、东南风，秋、冬季节的主导风向为偏北风。同时考虑到场区建筑物布局，烟囱位于场区西北部，工作人员密集区域办公教育区G位于场区西南部。当出现北风、西北风时，工作人员密集的区域位于释放源下风向。因此计算中仅模拟北风及西北风两种情况下建筑物周围大气弥散因子分布情况，图7(a)、(b)分别给出了北风及西北风风向下近场范围内大气弥散因子的分布情况，计算所用烟囱高度为40 m，风速为3 m∙s‒1。可以看出，来流风向为北风时，近场局地范围内的放射性核素易在G区域南部范围集聚，大气弥散因子随着离G建筑物区域距离而增大，最大大气弥散因子约为7.9×10‒6s∙m‒3，其他区域的大气弥散因子均在1×10‒6s∙m‒3以下。相比于北风、西北风时在来流方向辐照技术区域I的前后区域形成较大范围大气弥散因子高于1×10‒6s∙m‒3的放射性核素集聚区，大气弥散因子最大值出现在I区域迎风面，值约为7.0×10‒6s∙m‒3。由于在I区域北部的放射性核素集聚区是没有规划的空白区域，因此对场区工作人员不会产生影响。

3 结语

传统的高斯模型无法适用于核设施近场范围内气载放射性流出物的扩散研究，本文以2 MW TMSR-LF1拟定场址为研究对象，采用CFD方法从风速、烟囱高度、风向等方面出发研究这些因素对气载放射性流出物大气弥散因子分布的影响，预测场区范围内放射性核素的浓度分布。通过本研究得到以下结论：

1) 对于高架排放，由于烟羽抬升影响使得风速越大近场范围内地表水平的放射性核素大气弥散因子越高，在此范围内大气弥散因子随着下风向距离而增大。

2) 烟囱高度越低，建筑物对放射性核素扩散的影响越明显，建筑物迎风面与流出物烟流相撞使放射性核素向下输运，易于在迎风面出现高污染区。

3) 当来流风向为北风时，放射性核素易在办公教育区域南部形成集聚；当为西北风向时，放射性核素集聚区域主要出现在来流方向辐照技术区的前后方。

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National Nuclear Safety Administration. Issues in atmospheric dispersion on site selection of nuclear power plant: HAD 101/02[S]. 1987

中国科学院战略性先导科技专项(No.XDA02005004)资助

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

吕晓雯，女，1987年出生，2009年毕业于郑州大学，现为博士研究生，研究方向为辐射环境影响分析

夏晓彬，E-mail: xiaxiaobin@sinap.ac.cn

2016-01-19，

2016-03-15