串联式放射性废水衰变池优化设计

刘 颖，苏晓书，冀 东，乔宇洁

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

随着核医学的发展，核素治疗被广泛地应用于临床。越来越多的大中型医院都开设了核医学科，通过放射性药物对人体进行治疗。采用该治疗方法时，患者需注射或者服用放射性药物，之后放射性药物通过新陈代谢随人体排泄物、体液排出[1]。这些放射性污水如果渗入或直接排入公共下水道，便会对周围环境造成污染，危害公众的安全和健康。由于放射性污染和其他污染性相比，难以察觉，很容易被忽视，但其造成的危害比其他环境污染更严重。因此，此类含放射性的代谢废物的废水不允许直接排入医院污水处理站，需要先集中收集并衰变处理至《医疗机构水污染物排放标准》(GB18466-2005)中规定的10 Bq/L后排入污水处理站。截至目前，国外设计的衰变池类型虽多种多样，但是目前理论研究多偏向于辐射防护角度，缺乏与流体力学方面的联系，同时研究过程中流体力学软件引入较少，不能全面反映放射性废水处理处置的动态过程。随着国家的重视及标准的颁布，国内对医院放射性废水排放方式的研究逐渐增多，也出现了如衰变池的屏蔽计算和优化设计[2-5]、放射性废水处理系统[6-9]、连续式衰变池的研究[10-12]、溢流式放射性衰变池优化设计[13-14]等研究成果，但仍存在一些问题。为解决结构不合理、死水区较大、放射性核素不能有效停留衰变等问题，本文以某医院核医学科为例，设计新结构型式的串联式衰变池，使放射性废水可以达标排放，拟为其他医院衰变池设计项目提供参考。

1 某医院放射性废水的排放参数

本文中某医院核医学科常用的核素有131I、99mTc、18F等，其半衰期分别为192.96 h、6.02 h、1.83 h，本研究以131I为例进行分析。ICRP(国际辐射防护委员会)第67号出版物给出了碘的生物动力学模型，模型中假设摄入131I的30%沉积在甲状腺，70%直接通过尿排出[15]。因此，本研究在计算131I的活度时，其排出量按照摄入量的70%计算。

该医院核医学科一层共计36个床位，供留观患者暂时休息。核医学科二层共计32个床位，假设二层床位全部用于治疗甲癌的患者住院，甲癌患者每人每次131I的用量为5.55×109Bq，患者口服131I后需要住院观察一周(7 d)，因此一周内131I的用量为5.55×109Bq×32=1.78×1011Bq。该部分摄入量的70%最终以废水的形式排入医院的衰变池，则平均到每天废水中131I的活度为1.78×1010Bq。

根据医院提供的患者用水量可知：

一层患者每天产生废水量为36人×6 L=216 L；

二层患者每天产生废水量为32人×30 L=960 L；

注射室每天产生废水量为10 L+10 L=20 L；

每天放射性废水产生总量为216 L+960 L+20 L=1 196 L≈1.2 m3。

因此，每天排入衰变池废水的活度浓度为1.78×1010Bq/1.2 m3=1.49×1010Bq/m3。

2 串联衰变池的几何仿真模型设计

2.1 模拟软件

计算流体动力学[16](computational fluid dynamics, CFD)主要用于解决流动的问题，主要包括网格划分软件、求解器软件和后处理软件，在工业领域应用非常广泛。计算流体动力学是一种利用计算机求解流体流动现象的系统分析方法和工具，由流体力学、数学及计算机科学交叉而成的一门全新学科。流体力学主要研究流体流动(流体动力学)或静止问题(流体静力学)，CFD主要研究前一部分，即流体动力学部分。

利用CFD进行模拟过程中，由于软件自身局限性，放射性核素的活度浓度只能由kg/m3表示，因此需要将放射性废水活度浓度的单位进行转换。核素质量与活度的转换关系如下：

m=3.19×1010TQ

(1)

式中：m为1 Ci放射性核素的质量，即3.7×1010Bq/g；T为核素的半衰期，h；Q为核素的质量数。由公式(1)可知，131I质量与活度的转换关系为：1 Bq→2.18×10-19kg。因此，每天排入衰变池的废水浓度1.49×1010Bq/m3即为3.25×10-9kg/m3。

2.2 典型串联式衰变池结构

目前常用串联式衰变池结构示于图1，顶部采用30 cm厚的混凝土进行覆盖，采用四个衰变池，废水经过衰变处理达标后排放。

图1 典型的串联式衰变池结构示意图

2.3 串联式衰变池CFD模型建立

本研究在目前普遍使用的衰变池结构型式基础上展开。串联式衰变池隔池体积及个数的选取满足以下条件：一是池中放射性废水浓度存放对应天数后低于10 Bq/L；二是工程可实现性好，对于260 m3总容积确定的情况下，隔池容积×隔池个数应基本等于总容积，其中隔池个数应为整数且不易过多，否则不利于工程实现。假设灌满衰变池需要N天，则第一天进入衰变池的废水在排放前衰变了(N-1) d，第二天进入衰变池的废水在排放前衰变了(N-2) d，以此类推；根据核素衰变规律，不断改变单个隔池容积及隔池个数，经反复理论计算，当衰变池池体个数为4时，水中总β放射性活度(3.70 Bq/L)接近且低于10 Bq/L，同时隔池体积与个数工程可行且成本较低。

首先，建立串联式衰变池基本模型，然后通过CFD对逐步改进的池形进行处理效果模拟分析，用于该医院的串联式衰变池的几何模型如图2a所示。由于串联式衰变池结构不合理、死水区较大、不能使放射性核素有效停留衰变等问题，分别设计了4种结构的衰变池：在衰变池底部左侧加倒角(图2b)、在衰变池底部右侧加倒角(图2c)、在衰变池底部两侧均加倒角(图2d)、衰变池底部两侧加倒角与折流板打孔(图2e)。每个池体的放射性废水进、出口均采用对角设置，避免短流，便于放射性废水在池体内存储较长时间。其中，图2e中衰变池底部倒角角度和折流板开孔大小及位置示于图3。

图2 串联式衰变池5种结构型式的几何模型示意图

图3 倒角角度和开孔位置及尺寸示意图

2.4 串联式衰变池模拟分析的参数设置

2.4.1网格划分 串联式衰变池模型的网格划分中网格质量不小于0.3。

2.4.2边界条件设置 将串联式衰变池的入口尺寸设置为0.1 m×0.2 m。一定量废水匀速进入衰变池与同等量废水瞬间进入衰变池对于废水在衰变池内的停留时间并无太大影响(核医学科实际运行一天中的放射性废水分多次、不定时排入衰变池)，同时考虑软件的局限性，为方便计算假设废水匀速进入衰变池。医院放射性废水产生量为1.2 m3/d，因此废水进入衰变池的速度为6.95×10-4m/s。

衰变池出口设置为自由出流，压力为101 325 Pa。由于衰变池池壁的粗糙度对大体积水流的影响可忽略，因此将衰变池的壁面设置为光滑壁面。131I的半衰期设置为8.04 d。

根据T1/2=0.693/λ，可知131I的衰变常数为0.003 59，时间常数τ=1/λ，为278.55 h。根据质量与活度的转换关系可知，每天排入衰变池的废水的活度浓度为1.49×1010Bq/m3，即3.25×10-9kg/m3。

3 结果与讨论

3.1 不同结构衰变池的内部流线分布

通过CFD软件模拟了典型衰变池及其4种优化结构的衰变池内部流线分布，模拟结果示于图4。所示。由图4a结果可知，典型衰变池中存在大量死水区(图中空白部分)，为了改善串联式衰变池的衰变效果，需要改进衰变池的结构型式，以加强池中水的流动。在衰变池底部左侧加倒角对衰变池中水的流动有一定改善，但是变化不大(图4b)；在衰变池底部右侧加倒角相对于池中无倒角的方案，并未改善衰变池中水的流动(图4c)；底部两侧均加倒角的衰变池中水的流动有明显改善，但是衰变池中仍存在一定的死水区(图4d)。改变底部倒角的角度、折流板与池壁间距以及在折流板适当位置打孔，其水池水的流动改善效果明显，死水区域明显减少(图4e)。

a——典型串联式；b——衰变池底部左侧加倒角；c——衰变池底部右侧加倒角；d——底部两侧均加倒角；e——衰变池底部两侧加倒角与折流板打孔

3.2 优化后串联式衰变池的放射性浓度

通过分析对比4种优化后的衰变池模型，最终选择衰变池模型为“池体进出口采用对角设置、改变底部倒角的角度、折流板与池壁间距，以及在折流板适当位置打孔”的方案为最终的串联式衰变池的优化模型。利用软件对优化后的衰变池进行放射性浓度的模拟，由于不同的衰变池内放射性浓度量级跨度大，为了研究不同衰变池的放射性浓度分布，划分不同的放射性浓度区间，最终模拟结果示于图5。

经软件模拟，进入衰变池内的废水的有效停留时间为5 200 h，即放射性废水在衰变池内贮存衰变5 200 h后排出衰变池。衰变池出口活度浓度要求低于10 Bq/L。由图5可知，串联式衰变池的放射性出口浓度为9.10×10-16kg/m3(4.18 Bq/L)，满足要求。

图5 衰变池内某铅垂面的放射性浓度分布示意图

4 结论

通过对比不同结构型式串联式衰变池的内部流线分布，针对死水区过大等问题，提出了一种新型的串联式衰变池的结构型式。该种新型串联式衰变池通过采区对角排水、增加开孔折流板、池底倒角等结构优化措施，减少串联式衰变池的死水区域，增强串联式衰变池的衰变效果。本研究利用CFD软件模拟了不同结构型式衰变池的放射性浓度，得到该医院核医学科最终优化串联式衰变池排放口的放射性浓度为4.18 Bq/L，满足小于10 Bq/L的要求，可实现达标排放。