放射性粉末物料洒落事故气溶胶分布特性CFD 研究

摘 要：基于CFD 方法，研究密闭厂房内发生放射性粉末物料洒落事故后室内空气流动以及颗粒运动情况，并分析了颗粒粒径、洒落速度、洒落高度的影响。结果表明：颗粒运动主要受密闭空间内部气体环流的影响，大部分颗粒沉积到地面或附着于壁面而被捕捉，少部分颗粒后期将在室内飘散悬浮，随气流运动;不同洒落速度造成的气溶胶运动及分布情况区别很小;小粒径颗粒更容易受周围气体的曳力影响而从主流区域脱离出来形成散射粉尘，因此，颗粒粒径越小，洒落后造成的沉积范围越大。

关键词：CFD 方法;洒落事故;气溶胶颗粒

中图分类号：X591 文献标识码：A

核燃料循环设施诸多工艺涉及放射性粉末物料的生产、制备、倒料、混料等工序，在干法生产线操作的物料形态大多为粉末状。在工艺系统中的转移和输送过程中，由于设备故障、人员误操作等因素可能会造成放射性粉末物料从工艺设备中意外洒落，由于粉末、氧化物的粒径较小、质量较轻，在发生洒落事故时，物料会在厂房内扩散、沉降，对工作人员和公众造成辐射照射[1] 。

美国SNL 发布了非反应堆核设施的气载释放份额和可吸入份额手册DOE-HDBK-3010-94，手册中给出了许多实验结果，并给出了推荐释放份额，其中收集了典型洒落事故的释放源项测量情况[2] 。Plinke 等人[3] 为了探究影响粉尘产生的因素，设计实验装置并进行了验证，通过实验测试了四种类型的颗粒物质，并建立了一个粉尘产生速率随颗粒粒径、释放高度、材料流速和湿度变化的模型。Sutter 等人[4] 实验测量了不同重量的材料从不同高度洒落所产生气溶胶的气载质量和粒径分布。结果表明：对于下落距离小于3 m，空气速度方向垂直于粉末流动方向的情景，可吸入份额ARF 中值为3. 00×10-4 ，上限值为2. 00×10-3 ;对于下落距离大于3 m，空气速度方向垂直于粉末流动方向的情景，ARF 取2. 0×10-3 。国内对核燃料循环设施厂房放射性核素释放源项等相关研究较少，由于缺少相关的实测数据，所以厂房内物料向环境释放的源项估算主要采取国外数据进行保守假设。

目前，通过数值仿真手段研究核设施释放源项逐渐成为一种趋势。原子能院周艳玲等[5] 用FLUENT 软件对不同操作条件下CeO2 粉末（PuO2替代材料） 倾倒过程进行了数值计算。昌旭东等[6] 运用CFD 方法模拟了239 PuO2 气溶胶微粒在不同工况下的流动特性及其粒子轨迹。可见，对于室内气溶胶运动扩散问题，CFD 方法具有更好的通用性，并且可以对气溶胶的扩散规律和影响因素进行深入分析。本文基于计算流体力学方法，使用FLUENT 软件针对密闭厂房开展放射性粉末物料洒落事故发生后气溶胶运动扩散规律研究，获取气溶胶颗粒运动分布特性以及浓度变化情况，为放射性粉末物料洒落事故释放源项获取提供参考，及为事故后的应急和清污工作提供技术支持。

1 CFD 方法简介

1. 1 理论基础

对于气固两相流，多采用拉格朗日法和欧拉法计算，前者又称颗粒轨道模型或离散相（DPM）模型[7-8] ，后者又称双流体模型[9] 。DPM 模型适用于厂房内颗粒相稀疏的稀疏气-固两相体系，因此本文采用离散相模型进行求解。