復(fù)雜地下硐室群核事故钚氣溶膠擴(kuò)散行為研究

朱 勇,周 輝,趙海洋,李彥恒,楊凡杰

(1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430071;2.火箭軍工程設(shè)計研究院,北京 100011)

放射性核素的高能量衰變會破壞有機(jī)分子和生物組織,導(dǎo)致人員死亡或產(chǎn)生急性損傷。在核事故發(fā)生后的核事故應(yīng)急行動初始階段,放射性氣溶膠濃度較高,對事故應(yīng)急處理人員的生命健康存在巨大的威脅。存放核武器的地下硐室群是發(fā)生核事故的潛在風(fēng)險場所,研究核事故所產(chǎn)生的钚氣溶膠在地下硐室群中的擴(kuò)散行為,可為硐室群安全優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù),從而有效降低核事故帶來的潛在危害,提高核事故應(yīng)急處理期間應(yīng)急預(yù)案的有效性。

日本福島核事故后,人們對核電站[1-7]及海上核設(shè)施[8-9]核事故產(chǎn)生的放射性氣溶膠源項開展了廣泛研究,并在源項監(jiān)測與反演以及擴(kuò)散行為研究方面取得了多項成果[10-12]。這些研究工作主要是針對開放空間長距離的放射性氣溶膠擴(kuò)散行為,不同于地下硐室等線性封閉空間的情形。目前,針對地下單個硐室中的放射性氣溶膠的動態(tài)擴(kuò)散行為,人們多采用計算流體動力學(xué)(CFD)方法對其進(jìn)行模擬[13-14],而關(guān)于地下硐室群核事故钚氣溶膠的生成、擴(kuò)散機(jī)制等尚無公開的研究報道,人們尚未準(zhǔn)確掌握地下硐室群核事故钚氣溶膠擴(kuò)散至特定位置的時間、路徑、濃度等對應(yīng)急處理十分重要的關(guān)鍵信息。因此,有必要結(jié)合地下空間環(huán)境控制技術(shù)、氣溶膠科學(xué)和礦井通風(fēng)工程等多領(lǐng)域研究成果,提出地下硐室群核事故钚氣溶膠擴(kuò)散行為的模擬方法。

為了研究核事故钚氣溶膠在地下硐室群中的擴(kuò)散行為,本文首先對核事故钚氣溶膠源項進(jìn)行了分析,討論了钚氣溶膠顆粒產(chǎn)生的方式和粒徑分布特征,給出了硐室內(nèi)钚氣溶膠初始濃度的估算方法;然后通過分析钚氣溶膠顆粒的空氣動力學(xué)行為,給出了適合于描述钚氣溶膠顆粒在硐室內(nèi)傳輸?shù)谋緲?gòu)模型,建立了地下硐室群內(nèi)钚氣溶膠擴(kuò)散行為模擬方法;最后以某復(fù)雜地下硐室群為例,借助專業(yè)的通風(fēng)模擬軟件,討論了钚氣溶膠在兩種釋放場景(緩慢釋放和劇烈釋放)、不同釋放位置下钚氣溶膠的擴(kuò)散行為,提出了硐室群核事故的應(yīng)對措施與建議。研究結(jié)果對于地下硐室群核安全設(shè)計、核應(yīng)急處理與核擴(kuò)散風(fēng)險管控等具有一定的參考價值。

1 核事故钚氣溶膠源項分析

1.1 钚氣溶膠特征

1.1.1 钚氣溶膠的生成

核事故源項主要是指放射性物質(zhì)的組分、數(shù)量、釋放速率和釋放方式,核事故釋放的放射性氣溶膠以钚為主。钚氣溶膠的來源有4種:一是钚金屬的氧化或揮發(fā);二是輻照后的鈾或鈾化合物中生成的钚(主要是钚)氧化或揮發(fā);三是含钚懸浮液或水溶液的飛沫分散;四是被钚污染后的土壤或粉塵的再懸浮[15]。硐室內(nèi)的涉核產(chǎn)品所產(chǎn)生的钚氣溶膠以第一種來源為主。一般工況下,涉核產(chǎn)品在狹小空間內(nèi)可能產(chǎn)生碰撞,或發(fā)生火災(zāi)事故,導(dǎo)致钚氣溶膠緩慢釋放;極端工況下,也可能因為爆炸而使钚金屬熔化成液滴,并被爆轟沖擊作用拋灑到空中,與高溫空氣發(fā)生劇烈氧化反應(yīng),形成大量的放射性钚氣溶膠。由美國的試驗結(jié)果[16-17]可知,钚的緩慢氧化釋放過程一般可分為拋物線增長階段、穩(wěn)態(tài)腐蝕階段和鈍化緩慢腐蝕階段,钚氣溶膠釋放時間持續(xù)較長,但釋放量不大;而放射性物質(zhì)的爆炸燃燒過程則可分為點火、持續(xù)反應(yīng)和爆炸三個階段,钚氣溶膠釋放時間極短,大部分參與爆炸反應(yīng)的钚金屬轉(zhuǎn)化成了钚氣溶膠。劉志勇等[18]通過數(shù)值模擬與模型試驗揭示了爆炸載荷作用下鈾氣溶膠的形成機(jī)理,認(rèn)為鈾氣溶膠轉(zhuǎn)化效率與單位質(zhì)量鈾材料吸收的能量有關(guān)。

1.1.2 钚氣溶膠粒徑分布特征

钚氣溶膠空氣動力學(xué)行為與其粒徑分布密切相關(guān)。美國能源部下屬的多個實驗室和核工廠進(jìn)行了大量的氣溶膠源項試驗,包括實驗室內(nèi)靜態(tài)和動態(tài)燃燒試驗以及大型外場炸藥爆炸試驗[19]。根據(jù)美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究結(jié)果[20-22],由靜態(tài)燃燒事故產(chǎn)生的钚氣溶膠產(chǎn)量在0.1%～10%之間,其中可吸入钚氣溶膠(空氣動力學(xué)直徑<10 μm)比例為0.005%～0.5%;而由爆炸事故產(chǎn)生的钚氣溶膠產(chǎn)量在75%～100%,其中可吸入钚氣溶膠比例為15%～30%,見表1。

表1 不同工況下钚氣溶膠產(chǎn)生比例[15]

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室在其現(xiàn)代化钚加工車間(PF-4)發(fā)生钚氣溶膠泄漏事故(簡稱PF-4事故)后測量了所泄漏的钚氣溶膠的粒徑分布,得到了钚氣溶膠的空氣動力學(xué)粒徑分布曲線(圖1)[21]、空氣動力學(xué)直徑中間值和幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差。由圖1可知,該事故中所產(chǎn)生的钚氣溶膠絕大部分空氣動力學(xué)直徑位于1～10 μm之間,近似呈對數(shù)正態(tài)分布特征。

圖1 PF-4事故所泄漏钚氣溶膠的空氣動力學(xué)粒徑分布 曲線[21]Fig.1 Aerodynamic particle size distribution curve of plutonium aerosol leaked from PF-4 accident[21]

1.1.3 钚氣溶膠初始濃度估算

钚氣溶膠初始濃度的估算是個困難的課題,由于核事故發(fā)生的極端危害性,往往很難獲得钚氣溶膠初始濃度的第一手監(jiān)測資料。一般情況下,人們采用遠(yuǎn)場監(jiān)測與源項反演相結(jié)合的方式獲得核事故中放射性物質(zhì)的擴(kuò)散濃度,如在開放空間中,可采用高斯煙羽模型對核事故源項的擴(kuò)散濃度進(jìn)行估算[23]。但地下硐室空間并非開放空間,钚氣溶膠擴(kuò)散方向受限,且高斯煙羽模型中的濃度為輻射濃度,而非钚氣溶膠濃度,因此高斯煙羽模型及其同類模型在硐室空間內(nèi)的適用性存疑。這種情況下,可根據(jù)核事故類型判斷钚氣溶膠的生成方式,再根據(jù)表1的研究結(jié)果估算钚氣溶膠生成量的上、下限及其期望值。一定質(zhì)量的钚氣溶膠在一定空間內(nèi)的均勻分布為其初始濃度,钚氣溶膠緩慢釋放場景的空間大小依據(jù)實際情況來進(jìn)行估算,钚氣溶膠劇烈釋放場景的空間大小可通過化爆事故影響范圍來初步圈定,也可采用CFD方法通過模擬氣溶膠在簡單硐室(1～2硐室空間)中的擴(kuò)散來獲取。另外,由前述分析可知,不同泄漏場景下钚氣溶膠的生成特征不同,體現(xiàn)在钚氣溶膠釋放比例、總量以及持續(xù)釋放時間等方面。需要注意的是,盡管化爆事故生成钚氣溶膠的時間很短,但并不意味著這種事故場景產(chǎn)生的影響也是短暫的,化爆事故殘余的钚材料所產(chǎn)生的輻射仍會源源不斷地釋放到環(huán)境中,其影響遠(yuǎn)甚于緩慢釋放場景。

1.2 钚氣溶膠空氣動力學(xué)行為與傳輸模型

钚氣溶膠顆粒在空氣中的行為受重力、流體浮力、拖拽力、布朗運動、渦流、絮凝、熱泳、光泳等物理過程的影響,但這些物理過程對钚氣溶膠顆粒的作用并非同一量級,而是與钚氣溶膠顆粒的空氣動力學(xué)粒徑有關(guān)。對于不同粒徑的钚氣溶膠顆粒的空氣動力學(xué)行為,目前已發(fā)展出多種模型[24-27]來對其進(jìn)行描述,理論已經(jīng)成熟。在配備通風(fēng)系統(tǒng)的地下硐室中,氣流的湍流作用(渦流)對氣溶膠顆粒的影響更大,這是通風(fēng)能改善硐室內(nèi)空氣環(huán)境的重要原因。

綜合考慮钚氣溶膠的上述空氣動力學(xué)行為,可建立钚氣溶膠顆粒在三維空間中的傳播模型[28],用公式表示為

(1)

式中:c為钚氣溶膠濃度(mg/m3);t為時間(s);u為風(fēng)速矢量(m/s);D為空氣擴(kuò)散張量;w為钚氣溶膠顆粒沉降速度(m/s)。

由于地下硐室為線性工程,因此钚氣溶膠顆粒在地下硐室內(nèi)的傳播模型可簡化為

(2)

式中:x為事故點與評估點的距離(m);Dx為沿地下硐室風(fēng)路風(fēng)向擴(kuò)散系數(shù);ux為風(fēng)沿地下硐室風(fēng)路方向的風(fēng)速(m/s);source為事故源钚氣溶膠釋放速率[mg/(m3·s)];sink為钚氣溶膠沉降速率[mg/(m3·s)]。

在給定邊界條件下,可以采用數(shù)值分析方法對上述方程進(jìn)行求解,從而獲得钚氣溶膠在地下硐室群各處的濃度及其與時間的關(guān)系。

2 核事故钚氣溶膠擴(kuò)散行為數(shù)值模擬

本文以某復(fù)雜地下硐室群為例,采用Ventsim三維可視化礦井通風(fēng)模擬軟件(簡稱Ventsim軟件)對復(fù)雜地下硐室群核事故钚氣溶膠擴(kuò)散行為進(jìn)行數(shù)值模擬。

Ventsim軟件由Howden Ventsim公司開發(fā),該軟件提供了一整套集成算法工具,用于分析礦井通風(fēng)的流量、熱量、污染物濃度等方面的工程問題。該軟件已成功應(yīng)用于全球800多個礦山,是目前模擬礦山硐室群中污染物擴(kuò)散的有效工具。在給定核事故場景、事故源所在位置、污染物初始濃度及其釋放特征參數(shù)的情況下,采用Ventsim軟件可對式(2)傳播模型進(jìn)行數(shù)值求解,具體算法可參考文獻(xiàn)[32]。

需要說明的是,雖然式(1)傳播模型表明钚氣溶膠在開放空間中的擴(kuò)散行為是三維的,但在硐室通風(fēng)條件下,钚氣溶膠擴(kuò)散的主要影響因素是風(fēng)流,逆風(fēng)方向湍流擴(kuò)散幾乎可以忽略不計,且由于隧洞圍巖的存在,其他方向的擴(kuò)散會受到限制,只有風(fēng)流方向是钚氣溶膠進(jìn)一步向外擴(kuò)散的方向。因此,式(2)傳播模型所描述的單硐室钚氣溶膠擴(kuò)散過程為一維擴(kuò)散。由于硐室群布局具有二維的特點,各硐室風(fēng)速不一定相同,因此也可以認(rèn)為硐室群中的钚氣溶膠擴(kuò)散行為是二維的。另外,由空氣動力學(xué)分析可知,當(dāng)核事故钚氣溶膠的空氣動力學(xué)直徑>10 μm時,钚氣溶膠顆粒在自身重力、絮凝、靜電力等作用下發(fā)生沉積作用,因此本文模擬僅考慮钚氣溶膠空氣動力學(xué)直徑≤10 μm的情況,不考慮由于钚氣溶膠擴(kuò)散過程中所產(chǎn)生的質(zhì)量損失。

2.1 硐室群通風(fēng)風(fēng)路

2.1.1 硐室群風(fēng)路布置

根據(jù)工程現(xiàn)場提交的資料,建立某硐室群風(fēng)路圖,如圖2所示。圖2中,每個方格的邊長為100 m,除T0、T20、T24、T26等硐室長度為100 m外,其余各硐室長度均為200 m。該硐室群設(shè)計有兩個進(jìn)風(fēng)口和一個出風(fēng)口,出風(fēng)口負(fù)責(zé)將硐室群內(nèi)的受污空氣抽出,進(jìn)風(fēng)口負(fù)責(zé)將洞外新鮮空氣送入硐室群內(nèi),進(jìn)風(fēng)口硐室斷面為馬蹄形硐室,跨度為5 m,高度為5 m,等效截面積為25 m2。由于通道設(shè)計風(fēng)速約為3 m/s,因此進(jìn)風(fēng)通道設(shè)計風(fēng)壓為100 Pa,此時進(jìn)風(fēng)口硐室中的風(fēng)速為3.1 m/s,符合設(shè)計要求。出風(fēng)口斷面與進(jìn)風(fēng)口一致,由于出風(fēng)口與硐室外大氣相連,認(rèn)為其設(shè)計風(fēng)壓為0,風(fēng)路摩擦系數(shù)均取0.011 5。為簡化模擬,進(jìn)、出風(fēng)口尺寸與硐室通道尺寸一致。

圖2 某硐室群風(fēng)路布置圖Fig.2 Layout plan of airway in a certain chamber group

2.1.2 硐室群各風(fēng)路風(fēng)流方向的風(fēng)速和風(fēng)量計算結(jié)果

由前述钚氣溶膠在硐室群內(nèi)的傳播模型可知,為獲得钚氣溶膠在硐室群內(nèi)的擴(kuò)散行為,需首先獲得硐室內(nèi)的風(fēng)流速度,而風(fēng)流速度與硐室截面尺寸、洞壁摩擦阻力、風(fēng)機(jī)類型功率、風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)等因素有關(guān),各硐室內(nèi)風(fēng)速解算方法通?？煞譃榻馕龇ê蛿?shù)值分析方法,這些解算方法已經(jīng)成熟[29-30],本文采用解析法對各硐室內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行解算。

在上節(jié)輸入條件下,可對復(fù)雜硐室群內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)量進(jìn)行模擬計算,從而獲得硐室群各風(fēng)路風(fēng)流方向的風(fēng)速和風(fēng)量(表2),硐室群各風(fēng)路風(fēng)流方向如圖3中箭頭所示。其中,風(fēng)速作為式(2)傳播模型的重要輸入?yún)?shù)參與钚氣溶膠擴(kuò)散模擬。

注:圖中數(shù)據(jù)為風(fēng)沿風(fēng)流方向的風(fēng)速(m/s)。圖3 某硐室群各風(fēng)路風(fēng)流方向Fig.3 Air flow direction of each airway in a certain chamber group

表2 硐室群各風(fēng)路風(fēng)流方向的風(fēng)速和風(fēng)量計算結(jié)果

由圖3可知,當(dāng)新鮮空氣由進(jìn)風(fēng)口A進(jìn)入硐室T0后,分別沿路徑T4→T13→T12→T11→T20→ T23和T3→T7→T10→T19→T20→T23排出硐室群,由于兩條風(fēng)路之間存在壓差,因此T6、T9硐室內(nèi)的空氣由高壓風(fēng)路流向低壓風(fēng)路,經(jīng)過T6、T9硐室的分流,T7、T10硐室的風(fēng)速與風(fēng)量分別小于T3、T7硐室,而T12、T11則因為有T6、T9硐室的風(fēng)流補充,其風(fēng)速與風(fēng)量分別大于T13、T12硐室。由于對稱性,新鮮空氣經(jīng)進(jìn)風(fēng)口B進(jìn)入右側(cè)硐室群的風(fēng)流路徑、風(fēng)速、風(fēng)量與左側(cè)硐室群規(guī)律一致。

2.2 事故場景設(shè)置

場景一:钚氣溶膠的緩慢釋放,每秒釋放钚氣溶膠濃度為1.11×10-6mg/m3,不考慮初始釋放钚氣溶膠、彌漫初始空間所需的時間,僅考慮钚氣溶膠從初始空間擴(kuò)散至硐室內(nèi)的過程,其持續(xù)釋放時間為10 h,10 h后經(jīng)過緊急處理事故源不再釋放钚氣溶膠。場景一钚氣溶膠濃度與釋放時間的關(guān)系曲線,如圖4所示。

場景二:化爆事故造成钚金屬破碎熔化并在爆轟波作用下快速釋放钚氣溶膠,本次模擬1 kg 武器級钚金屬在53.52 kg TNT炸藥爆炸下產(chǎn)生933 g钚氣溶膠的擴(kuò)散過程[31]。由于該過程屬于非線性動力擴(kuò)散過程,從爆炸發(fā)生到爆炸結(jié)束都非常迅速,因此為簡化處理,可認(rèn)為钚氣溶膠在爆轟作用下迅速彌漫事發(fā)硐室空間。同時,假定通風(fēng)系統(tǒng)仍能正常工作,钚氣溶膠在通風(fēng)作用下開始向其他硐室擴(kuò)散,初始硐室內(nèi)的钚氣溶膠濃度逐漸減小,由于缺乏實測數(shù)據(jù),因此暫時假定該過程持續(xù)1 000 s,且钚氣溶膠濃度隨時間呈對數(shù)函數(shù)降低。需要說明的是,場景二所產(chǎn)生的钚氣溶膠除經(jīng)歷了高濃度擴(kuò)散過程之外,由于化爆產(chǎn)生的钚金屬碎片仍有一部分無法通過通風(fēng)排出硐室,因此當(dāng)高濃度氣溶膠排出硐室后,殘留钚金屬碎片仍將對硐室環(huán)境持續(xù)產(chǎn)生影響。場景二钚氣溶膠濃度與釋放時間的關(guān)系曲線,如圖5所示。由于殘余钚的主要存在形態(tài)并非氣溶膠,其對硐室環(huán)境的影響與場景一類似,故場景二的模擬暫不考慮殘余钚的影響。

圖5 場景二钚氣溶膠濃度與釋放時間的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between plutonium areosol concentration and release time of scene two

2.3 事故源钚氣初始濃度估算及監(jiān)測點布置

事故源所在位置直接影響钚氣溶膠在硐室群內(nèi)的擴(kuò)散,本文假設(shè)硐室群左邊T6硐室為場景一發(fā)生地、硐室群右邊T26洞室為場景二發(fā)生地。不同事故場景下事故源钚氣溶膠初始濃度見表3。同時,在各風(fēng)路路徑上布置钚氣溶膠濃度監(jiān)測點(圖6),以觀察钚氣溶膠通過各監(jiān)測點時其濃度的變化規(guī)律。

圖6 事故場景發(fā)生地及監(jiān)測點布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of accident source and monitoring points

表3 事故源钚氣溶膠初始濃度

2.4 钚氣溶膠擴(kuò)散行為數(shù)值模擬結(jié)果與分析

將風(fēng)速和風(fēng)量計算結(jié)果、不同事故場景下事故源初始濃度及其釋放特征參數(shù)作為初始輸入條件,利用Ventsim通風(fēng)模擬軟件可獲得不同事故場景下各硐室內(nèi)钚氣溶膠濃度與擴(kuò)散時間。

2.4.1 場景一钚氣溶膠擴(kuò)散行為數(shù)值模擬結(jié)果與分析

由監(jiān)測結(jié)果可知,當(dāng)編號T6的硐室發(fā)生場景一的核事故時,钚氣溶膠主要沿T12、T11、T20、T23硐室擴(kuò)散至洞口,其他硐室基本不受影響;事故發(fā)生的點位對于硐室T6中平衡時的钚氣溶膠濃度存在影響,越靠近上風(fēng)口,钚氣溶膠平衡濃度越低,最低可達(dá)94.8×10-8mg/m3(T6與T3硐室交匯口),越靠近下風(fēng)口,T6硐室內(nèi)钚氣溶膠平衡濃度越高,最高可達(dá)111×10-8mg/m3(T6與T12硐室交匯口)。場景一各硐室钚氣溶膠濃度與擴(kuò)散時間,見表4。

表4 場景一各硐室钚氣溶膠濃度與擴(kuò)散時間

由表4可知:當(dāng)場景一核事故位于距T6與T12硐室交匯口50 m的位置發(fā)生時,MT6-1監(jiān)測出钚氣溶膠平衡濃度為106.2×10-8mg/m3;事故發(fā)生211 s后,T12硐室的MT6-2監(jiān)測點監(jiān)測到钚氣溶膠,219 s后達(dá)到平衡,平衡濃度為17.7×10-8mg/m3;事故發(fā)生332 s后,T11硐室的MT6-3監(jiān)測點監(jiān)測到钚氣溶膠,346 s后達(dá)到平衡,平衡濃度為15.1×10-8mg/m3;事故發(fā)生430 s后,T20硐室的MT6-5監(jiān)測點監(jiān)測到钚氣溶膠,446 s后達(dá)到平衡,平衡濃度為8.4×10-8mg/m3。此后,上述受影響的硐室內(nèi)钚氣溶膠濃度始終保持動態(tài)平衡,濃度基本不變,但如事故源經(jīng)應(yīng)急處理停止釋放氣溶膠,則T6、T12、T11、T20硐室內(nèi)的钚氣溶膠將分別在120、220、320、405、435 s后降低為0(不考慮部分氣溶膠沉淀、附著作用)。

2.4.2 場景二钚氣溶膠擴(kuò)散行為數(shù)值模擬結(jié)果與分析

由監(jiān)測結(jié)果可知,當(dāng)編號T26的硐室發(fā)生場景二的化爆核事故時,事故硐室的钚氣溶膠將擴(kuò)散至硐室群右側(cè)所有硐室。場景二各硐室钚氣溶膠濃度與擴(kuò)散時間見表5;場景二各硐室監(jiān)測點钚氣溶膠濃度隨時間的變化曲線,見圖7。

圖7 場景二各硐室內(nèi)監(jiān)測點钚氣溶膠濃度隨時間的變化曲線Fig.7 Variation curves of plutonium aerosol concentration with time at each monitoring point in scene two

由表5和圖7可知:核事故發(fā)生后60 s內(nèi),钚氣溶膠在通風(fēng)的作用下進(jìn)入T5和T25硐室,兩硐室內(nèi)濃度不斷增加,事故發(fā)生139 s后T8硐室監(jiān)測點MT26-3監(jiān)測到钚氣溶膠,155 s該監(jiān)測點濃度升至峰值354.7 mg/m3,隨后濃度開始下降,1 108 s后該監(jiān)測點濃度降低為0[表5和圖7(c)];T15硐室監(jiān)測點MT26-1、T21硐室監(jiān)測點MT26-4監(jiān)測到的钚氣溶膠濃度變化規(guī)律與監(jiān)測點MT26-3相同[表5和圖7(a)、圖7(d)];325 s后T17硐室監(jiān)測點MT26-2監(jiān)測到钚氣溶膠,350 s該監(jiān)測點钚氣溶膠濃度升至峰值299.1 mg/m3,隨后钚氣溶膠濃度開始下降,882 s后降低至階段低點36.9 mg/m3,然后在899 s升至階段高點58.6 mg/m3,隨后钚氣溶膠濃度再次下降,1 868 s后該監(jiān)測點钚氣溶膠濃度降低為0,形成主-次雙峰結(jié)構(gòu)[圖7(b)],其原因在于硐室T18內(nèi)的風(fēng)速為1.5 m/s,而硐室T15內(nèi)的風(fēng)速僅為0.3 m/s,當(dāng)硐室T18中的钚氣溶膠濃度降低較多時,硐室T15中相對高濃度的钚氣溶膠補入硐室T17,導(dǎo)致硐室T17钚氣溶膠濃度短暫升高;钚氣溶膠濃度隨時間的變化曲線同樣呈現(xiàn)主-次雙峰結(jié)構(gòu)的還有MT26-5和MT23監(jiān)測點[表5和圖7(e)、圖7(f)],其原因與MT26-2監(jiān)測點類似。

3 硐室群核事故應(yīng)對措施

由上述研究結(jié)果可知,核事故所產(chǎn)生的钚氣溶膠的擴(kuò)散行為主要受泄漏方式、泄漏位置、钚氣溶膠顆粒粒徑以及通風(fēng)系統(tǒng)等因素的影響。其中,泄漏的方式?jīng)Q定了钚氣溶膠產(chǎn)生的量值;泄漏位置與通風(fēng)系統(tǒng)共同決定了钚氣溶膠的擴(kuò)散路徑、擴(kuò)散時間以及各受影響硐室內(nèi)的钚氣溶膠濃度;而钚氣溶膠顆粒的空氣動力學(xué)直徑則決定了哪些钚氣溶膠顆粒會沉淀在硐室內(nèi)部,哪些會隨著風(fēng)流排出硐室外部,對大氣環(huán)境產(chǎn)生不利影響。據(jù)此,結(jié)合上述計算結(jié)果,從硐室群核安全設(shè)計、核事故應(yīng)急處理、核擴(kuò)散風(fēng)險管控等方面對核事故應(yīng)對措施進(jìn)行討論。

3.1 核安全設(shè)計措施

硐室群的核安全設(shè)計主要涉及分支硐室的各功能布局,以及與之相匹配的通風(fēng)設(shè)計。通風(fēng)系統(tǒng)除保證硐室群內(nèi)有足夠的新鮮空氣供應(yīng)外,還應(yīng)考慮核安全需求,人員集中的區(qū)域應(yīng)位于硐室群的上風(fēng)位置,涉核活動場所應(yīng)位于下風(fēng)硐室。例如,場景一事故發(fā)生在T6硐室,場景二的事故發(fā)生在T26硐室,雖然兩種場景產(chǎn)生的钚氣溶膠濃度存在數(shù)量級的差異,但钚氣溶膠的擴(kuò)散走向均與風(fēng)流走向一致。在不考慮化爆瞬間沖擊作用的情況下,钚氣溶膠的擴(kuò)散僅影響下風(fēng)向硐室,不影響上風(fēng)向硐室,如前所述,場景一事故僅影響T6、T12、T11、T20、T23硐室,而場景二則影響了下風(fēng)向所有硐室。顯然,場景二的涉核活動場所布局并不合理,場景一的涉核活動場所布局稍優(yōu)于場景二,但其位置仍位于較上風(fēng)向的硐室。本案例中,T9和T16硐室是較為理想的涉核活動場所,在不考慮钚氣溶膠擴(kuò)散至硐室外的風(fēng)險情況下,該區(qū)域作為涉核活動場所時對其他硐室的影響較小。同時,應(yīng)針對潛在的事故硐室配備應(yīng)急處理通道,應(yīng)急處理通道應(yīng)設(shè)置在上風(fēng)向硐室,以確保事故發(fā)生時應(yīng)急處理通道不受或較少受到钚氣溶膠的污染。

硐室密閉門的設(shè)置是另一項重要的核安全設(shè)計內(nèi)容。假設(shè)事故發(fā)生時通風(fēng)系統(tǒng)仍能正常工作,則钚氣溶膠會隨著風(fēng)流進(jìn)入其他硐室,因此密閉門的設(shè)置應(yīng)考慮兩個方面的因素,一是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對钚氣溶膠的識別響應(yīng)時間,二是密閉門從獲得關(guān)閉指令進(jìn)行啟動到完全關(guān)閉所需的時間。監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)布設(shè)在涉核場所附近,以確保事故發(fā)生時能較快地響應(yīng);密閉門的設(shè)置應(yīng)滿足時間要求,使得密閉門在钚氣溶膠抵達(dá)之前能夠完全關(guān)閉,并且不會溢出到其他硐室。此外,對密閉門的應(yīng)急關(guān)閉控制也需要進(jìn)行系統(tǒng)研究。以場景一為例,關(guān)閉場景一T6硐室左端密閉門,會影響流入T6硐室的空氣流量和流速,減緩T6硐室內(nèi)的钚氣溶膠流出,而T13硐室的關(guān)閉(假設(shè)T6硐室左側(cè)密閉門不關(guān)閉)則會導(dǎo)致T6硐室內(nèi)的風(fēng)速由0.3 m/s增加到1.5 m/s,大大增加了钚氣溶膠的擴(kuò)散速度(圖8)。

圖8 T13硐室密閉門關(guān)閉導(dǎo)致T6硐室風(fēng)速增加 示意圖Fig.8 Increase in the wind speed of T6 chamber caused by the closing of the airtight door of T13 chamber

3.2 核事故應(yīng)急處理措施

應(yīng)急處理的主要目的是盡可能降低核事故造成的生命財產(chǎn)損失,包括影響范圍控制、醫(yī)學(xué)應(yīng)急處理和應(yīng)急處理時機(jī)等。其中,影響范圍控制涉及的硐室群功能布局、通風(fēng)設(shè)計、密閉門設(shè)置等在核安全設(shè)計階段需考慮的內(nèi)容已在上節(jié)述及;而醫(yī)學(xué)應(yīng)急處理非本學(xué)科內(nèi)容,因此這里僅結(jié)合钚氣溶膠擴(kuò)散行為討論應(yīng)急處理時機(jī)。

應(yīng)急處理時機(jī)方面,應(yīng)急處理人員可根據(jù)钚氣溶膠擴(kuò)散模擬結(jié)果擇機(jī)進(jìn)入核事故硐室區(qū)域。如:針對場景一的情形,由于泄漏的钚氣溶膠濃度總體偏低,應(yīng)急處理人員可較早地從進(jìn)風(fēng)口或應(yīng)急處理通道進(jìn)入硐室群;而場景二泄漏的钚氣溶膠濃度遠(yuǎn)大于場景一,因此可在事故硐室內(nèi)钚氣溶膠降低至低濃度水平之后再進(jìn)入,在不考慮核擴(kuò)散風(fēng)險的情況下,可在2 091 s后進(jìn)入硐室群。應(yīng)急處理時機(jī)還會影響應(yīng)急處理過程中的防護(hù)方式,高濃度污染時需要注重吸入造成的內(nèi)照射,低濃度污染時則需要注意地面和墻面的钚氣溶膠沉降污染。另外,如果事故發(fā)生之初密閉門就被關(guān)閉,則原有的風(fēng)路被改變,钚氣溶膠濃度降低的方式和時間也會同時發(fā)生改變,應(yīng)急處理預(yù)案需要根據(jù)應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)另行計算和制定。

3.3 核擴(kuò)散風(fēng)險管控措施

核事故產(chǎn)生的钚氣溶膠排出硐室外將會污染大氣環(huán)境,根據(jù)《核安全法》的要求,應(yīng)急處理時需要嚴(yán)格控制钚氣溶膠的排放。根據(jù)前文分析,核事故發(fā)生后,密閉門處于關(guān)閉狀態(tài),事故硐室內(nèi)的钚氣溶膠主要通過應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)排出。因此,可將應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計為風(fēng)管形式,在風(fēng)管內(nèi)設(shè)置钚氣溶膠過濾裝置,必要時在風(fēng)管內(nèi)設(shè)置多層過濾系統(tǒng),以確保排風(fēng)管中的钚氣溶膠濃度達(dá)到安全排放水平。針對事故場景一,其產(chǎn)生的钚氣溶膠濃度較低,可采用該方法進(jìn)行過濾處理。而對于事故場景二下化爆事故產(chǎn)生的钚氣溶膠,采用該方法處理的有效性還有待檢驗,主要是因為化爆事故不僅產(chǎn)生钚氣溶膠,還可能導(dǎo)致事故硐室發(fā)生垮塌、產(chǎn)生額外的粉塵煙氣等,這些將會加重上述過濾系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),影響過濾效果。因此,針對事故場景二,可根據(jù)情況考慮增設(shè)輔助止損設(shè)施,或?qū)⑹鹿薯鲜易鲇谰梅忾]處理。需要說明的是,化爆事故的環(huán)境影響巨大,不僅對硐室內(nèi)的工作人員、涉核產(chǎn)品等產(chǎn)生嚴(yán)重影響,爆炸本身產(chǎn)生的沖擊作用還可能導(dǎo)致硐室內(nèi)核物質(zhì)通過破損的圍巖進(jìn)入地下水系統(tǒng),從而污染地下水環(huán)境。因此,避免化爆事故產(chǎn)生是核擴(kuò)散風(fēng)險管控的首要任務(wù)。

4 結(jié) 論

本文對復(fù)雜地下硐室群核事故钚氣溶膠的擴(kuò)散行為進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,獲得了如下結(jié)論:

1) 核事故所產(chǎn)生的钚氣溶膠的擴(kuò)散行為主要受核泄漏方式、核泄漏位置、钚氣溶膠顆粒粒徑以及通風(fēng)系統(tǒng)等因素的控制,钚氣溶膠顆粒在硐室中的運動主要受渦流影響,其擴(kuò)散方向與硐室群內(nèi)的風(fēng)流方向一致,擴(kuò)散抵達(dá)時間受硐室內(nèi)風(fēng)速控制。

2) 為減輕钚氣溶膠擴(kuò)散帶來的災(zāi)難性影響,建議將硐室群設(shè)計和通風(fēng)風(fēng)路設(shè)計與钚氣溶膠擴(kuò)散行為研究相結(jié)合,統(tǒng)籌考慮可能發(fā)生的核事故風(fēng)險,建立核事故應(yīng)急保障系統(tǒng),降低核事故應(yīng)急處理風(fēng)險。

由于初始輸入資料極為有限,研究結(jié)果僅為該領(lǐng)域的探索性研究,有些物理過程由于缺乏資料而不能被考慮。因此,在采用本研究成果時,應(yīng)注意分析初始條件是否與本研究相符,如存在差異,則應(yīng)采用本研究中的方法重新進(jìn)行計算。