余文力，王 亮，高云亮，王 涛，陈荣桦

（第二炮兵工程大学 一系，陕西 西安 710025）

氚与氘发生热核反应能放出巨大能量，这一过程不会造成环境污染，因此得到了广泛的研究[1-3]。由于氚具有渗透性[4-6]，所以氚贮存在特定的容器内。在意外条件的作用下，氚可能发生泄漏，其中的氚气会扩散到密闭空间之中，产生极大的安全隐患。文中主要针对储氚容器在突发情况下发生氚意外泄漏时，研究通排风对密闭空间中氚浓度的影响。采用数值仿真软件Fluent，建立了储氚容器及密闭贮存空间的仿真模型，计算了空间内氚的扩散及浓度分布情况，并分析了通排风口位置和速率对氚浓度分布的影响。

1 计算模型

密闭空间的尺寸为：5m（宽，X 方向）×3.5m（高，Y 方向）×12m（长，Z方向），其截面为拱形，拱高为1 m。通排风系统有一个进气口和一个排气口，其直径为400 mm，其基本结构如图1所示。

为了准确了解氚流动、扩散时密闭空间内氚浓度的变化情况，在空间的7个位置设置了监测点，监测整个计算过程中氚的浓度随时间的变化情况。其中一个监测点用来监测容器处氚随时间的变化情况，该监测点随容器的位置而变化；一个监测点用来代表工作人员位于密闭空间中心位置处氚吸入的情况；其余的监测点为地面上不同位置氚浓度的变化情况。图1给出了一种情况下个监测点的位置分布情况，分别用 R1、C1、C2、C3、C4、M1、M2 表示， 其中 6 个固定监测点的坐标如表1所示。

图1 密闭空间结构及监测示意图Fig.1 Structure and monitoring diagram of confined space

表1 各个氚监测点的位置分布Tab.1 Distribution of monitoring point

为简便起见，模拟中将容器简化为一个边长为400 mm的正方体，泄漏的氚已经均匀分布于容器中。计算中，采用考虑组分扩散的三维非定常N-S方程：

采用隐式算法，时间计算采用二阶隐式方法，粘性采用k-ε 两方程湍流模型，空气密度 ρ=1.225 kg/m3，比热 Cp=1 006.43 J/kg·K，热传导系数 λ=0.024 2 W/m·K，粘性系数 μ=1.789 4×10-5kg/m·s。 氚的分子量取为 6.032 1，其比热、热传导系数、粘性系数等物理参数都通过动理论方法、利用Lenard-Jones作用势得到。

2 氚在密闭空间中意外泄漏时的浓度分布研究

2.1 模型1

模型一中通排风系统的进气口与排气口位于空间一端相对的位置，其直径为400 mm，中心距地面的高度为2 m，距空间一端的距离为1 m。通排风系统对密闭空间中空气的置换率为2次/小时，折合成进气口的气流速度为0.83 m/s。

图2给出了密闭空间中氚的平均浓度随时间的变化，可以看到氚的浓度随时间的增加基本成指数规律减少。时间为18 440 s时，洞库内氚的平均浓度降为1.1×1010Bq/m3，达到行动水平；时间为32 320 s时，洞库内氚的平均浓度降为1.1×108Bq/m3，达到干预水平；时间为 39 595 s时，洞库内氚的平均浓度降为1.1×107Bq/m3，达到管理限值[7]。由图中曲线可知，初始50 s左右的时间内，氚的浓度下降较快，这是因为容器位于排风口下，初始扩散时排风口附近氚的浓度较高，随风排出的氚也较多，引起初始阶段氚的浓度下降较快，之后氚的浓度近似按指数规律变化。

图2 密闭空间中氚的平均浓度Fig.2 Tritium average concentration in confined space

图3给出了氚浓度的不同管理水平时，氚在地面与1.7 m高度处（对应工作人员呼吸高度）的分布情况。从图中看出，对于行动水平、干预水平及管理限值条件下，地面上氚的分布具有相似性，靠近通排风系统的一端具有较低的氚浓度，而且进风口附近的氚浓度最低。距地面1.7 m处水平面上氚浓度的分布在3种条件下，也具有相似性，以进、排气口连接的通道为界，一直到远离通排风系统一端壁面都具有较高的氚浓度，其浓度高于相应情况地面的浓度，而且也是进气口处的氚浓度较低。

图3 对应不同管理水平时，氚在地面与1.7 m高度处的分布Fig.3 Distribution of tritium in different level of management

2.2 模型2

模型2与模型1相比，通排风口位置不变，进口气体速度变为1.66 m/s。通过计算得到的结果与模型1相近，只是由于进气速率的增加、流动的加快使得数值上有些差别。

图4给出了模型2与模型1氚平均浓度的比较。由图中看出，空间中氚浓度的变化也成指数规律，其氚浓度下降到行动水平、干预水平和管理限值的时间为9 302 s、16 225 s、19 800 s，其数值约为模型一所用时间的一半。由此可以认为，对于长时间的通排风，进气速率是影响空间中氚浓度的主要因素，加大进气速率可以有效提高空间中氚的外排速度。

图4 模型1与模型2氚平均浓度的比较Fig.4 Comparison of tritium average concentration between model 1 and Model 2

2.3 模型3和模型4

为研究通排风口位置对氚浓度分布的影响，将模型一作以下改变。模型3进气口位置不变，出气口位置沿Z轴正方形移动10 m。模型四出气口位置不变，进气口位置沿Y轴反方向移动1.5 m。

图5～7给出了泄漏发生后10小时改变前后氚平均浓度的比较。由图中看出，与模型一相比，两种改变都可以有效降低泄漏后空间内氚的平均浓度。当进气口和出气口处于同一Z截面时，该截面附近氚浓度明显低于其它地方，当进气口和出气口相距较远时，氚平均浓度分布较为均匀。让进气口和出气口位于不同水平面可以更有效降低氚平均浓度。

图5 模型1 Fig.5 Model 1

3 结 论

图6 模型3 Fig.6 Model 3

本文采用数值仿真方法求解采用考虑组分扩散的三维非定常N-S方程[8]对氚意外泄漏时密闭空间内氚的浓度进行了仿真计算，分析了通排风情况对氚浓度分布的影响，给出了各种情况下的氚浓度及分布规律，主要得到了以下结论：

1）在较长的时间内，氚的浓度基本按指数规律衰减；

2）进气速率是影响空间中氚浓度的主要因素，加大进气速率可以有效提高空间中氚的外排速度；

3）通排风口的位置对氚平均浓度有较大影响，拉远进出气口位置可以让氚平均浓度分布更均匀，让进气口和出气口位于不同水平面可以有效降低氚平均浓度。

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