朱 勇,周 輝,趙海洋,李彥恒,楊凡杰

(1.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430071;2.火箭軍工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100011)

放射性核素的高能量衰變會(huì)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(dòng)初始階段,放射性氣溶膠濃度較高,對(duì)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(xiǎn)場(chǎng)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(jì)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(duì)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(xiàng)開展了廣泛研究,并在源項(xiàng)監(jiān)測(cè)與反演以及擴(kuò)散行為研究方面取得了多項(xiàng)成果[10-12]。這些研究工作主要是針對(duì)開放空間長(zhǎng)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(duì)地下單個(gè)硐室中的放射性氣溶膠的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散行為,人們多采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法對(duì)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(bào)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(shí)間、路徑、濃度等對(duì)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(duì)核事故钚氣溶膠源項(xiàng)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(dòng)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(chǎng)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(duì)措施與建議。研究結(jié)果對(duì)于地下硐室群核安全設(shè)計(jì)、核應(yīng)急處理與核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)管控等具有一定的參考價(jià)值。

1 核事故钚氣溶膠源項(xiàng)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(xiàng)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?yàn)楸ǘ诡薪饘偃刍梢旱?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(guó)的試驗(yàn)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(zhǎng)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(shí)間持續(xù)較長(zhǎng),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(diǎn)火、持續(xù)反應(yīng)和爆炸三個(gè)階段,钚氣溶膠釋放時(shí)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(yàn)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(dòng)力學(xué)行為與其粒徑分布密切相關(guān)。美國(guó)能源部下屬的多個(gè)實(shí)驗(yàn)室和核工廠進(jìn)行了大量的氣溶膠源項(xiàng)試驗(yàn),包括實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)燃燒試驗(yàn)以及大型外場(chǎng)炸藥爆炸試驗(yàn)[19]。根據(jù)美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)稱PF-4事故)后測(cè)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(dòng)力學(xué)粒徑分布曲線(圖1)[21]、空氣動(dòng)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(dòng)力學(xué)直徑位于1～10 μm之間,近似呈對(duì)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(dòng)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(gè)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(cè)資料。一般情況下,人們采用遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與源項(xiàng)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(duì)核事故源項(xiàng)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(chǎng)景的空間大小依據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行估算,钚氣溶膠劇烈釋放場(chǎng)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(jiǎn)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(chǎng)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(shí)間等方面。需要注意的是,盡管化爆事故生成钚氣溶膠的時(shí)間很短,但并不意味著這種事故場(chǎng)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(huì)源源不斷地釋放到環(huán)境中,其影響遠(yuǎn)甚于緩慢釋放場(chǎng)景。

1.2 钚氣溶膠空氣動(dòng)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(yùn)動(dòng)、渦流、絮凝、熱泳、光泳等物理過程的影響,但這些物理過程對(duì)钚氣溶膠顆粒的作用并非同一量級(jí),而是與钚氣溶膠顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑有關(guān)。對(duì)于不同粒徑的钚氣溶膠顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)行為,目前已發(fā)展出多種模型[24-27]來對(duì)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(duì)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(dòng)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(shí)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(jiǎn)化為

(2)

式中:x為事故點(diǎn)與評(píng)估點(diǎn)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(duì)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(shí)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(jiǎn)稱Ventsim軟件)對(duì)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(gè)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(chǎng)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(duì)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(jì),且由于隧洞圍巖的存在,其他方向的擴(kuò)散會(huì)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(diǎn),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(dòng)力學(xué)分析可知,當(dāng)核事故钚氣溶膠的空氣動(dòng)力學(xué)直徑>10 μm時(shí),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(dòng)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(chǎng)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(gè)方格的邊長(zhǎng)為100 m,除T0、T20、T24、T26等硐室長(zhǎng)度為100 m外,其余各硐室長(zhǎng)度均為200 m。該硐室群設(shè)計(jì)有兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口和一個(gè)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(jì)風(fēng)速約為3 m/s,因此進(jìn)風(fēng)通道設(shè)計(jì)風(fēng)壓為100 Pa,此時(shí)進(jìn)風(fēng)口硐室中的風(fēng)速為3.1 m/s,符合設(shè)計(jì)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(jì)風(fēng)壓為0,風(fēng)路摩擦系數(shù)均取0.011 5。為簡(jiǎn)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(jì)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(duì)各硐室內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行解算。

在上節(jié)輸入條件下,可對(duì)復(fù)雜硐室群內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)量進(jìn)行模擬計(jì)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(jì)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?yàn)橛蠺6、T9硐室的風(fēng)流補(bǔ)充,其風(fēng)速與風(fēng)量分別大于T13、T12硐室。由于對(duì)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(chǎng)景設(shè)置

場(chǎng)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(shí)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(shí)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(chǎng)景一钚氣溶膠濃度與釋放時(shí)間的關(guān)系曲線,如圖4所示。

場(chǎng)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(jí)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(dòng)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(jiǎn)化處理,可認(rèn)為钚氣溶膠在爆轟作用下迅速?gòu)浡掳l(fā)硐室空間。同時(shí),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(shí)測(cè)數(shù)據(jù),因此暫時(shí)假定該過程持續(xù)1 000 s,且钚氣溶膠濃度隨時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)降低。需要說明的是,場(chǎng)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(duì)硐室環(huán)境持續(xù)產(chǎn)生影響。場(chǎng)景二钚氣溶膠濃度與釋放時(shí)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(duì)硐室環(huán)境的影響與場(chǎng)景一類似,故場(chǎng)景二的模擬暫不考慮殘余钚的影響。

圖5 場(chǎng)景二钚氣溶膠濃度與釋放時(shí)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(cè)點(diǎn)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(chǎng)景一發(fā)生地、硐室群右邊T26洞室為場(chǎng)景二發(fā)生地。不同事故場(chǎng)景下事故源钚氣溶膠初始濃度見表3。同時(shí),在各風(fēng)路路徑上布置钚氣溶膠濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖6),以觀察钚氣溶膠通過各監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)其濃度的變化規(guī)律。

圖6 事故場(chǎng)景發(fā)生地及監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jì)算結(jié)果、不同事故場(chǎng)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(chǎng)景下各硐室內(nèi)钚氣溶膠濃度與擴(kuò)散時(shí)間。

2.4.1 場(chǎng)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(cè)結(jié)果可知,當(dāng)編號(hào)T6的硐室發(fā)生場(chǎng)景一的核事故時(shí),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(diǎn)位對(duì)于硐室T6中平衡時(shí)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(chǎng)景一各硐室钚氣溶膠濃度與擴(kuò)散時(shí)間,見表4。

表4 場(chǎng)景一各硐室钚氣溶膠濃度與擴(kuò)散時(shí)間

由表4可知:當(dāng)場(chǎng)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(shí),MT6-1監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(dòng)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(chǎng)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(cè)結(jié)果可知,當(dāng)編號(hào)T26的硐室發(fā)生場(chǎng)景二的化爆核事故時(shí),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(chǎng)景二各硐室钚氣溶膠濃度與擴(kuò)散時(shí)間見表5;場(chǎng)景二各硐室監(jiān)測(cè)點(diǎn)钚氣溶膠濃度隨時(shí)間的變化曲線,見圖7。

圖7 場(chǎng)景二各硐室內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)钚氣溶膠濃度隨時(shí)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(cè)點(diǎn)MT26-3監(jiān)測(cè)到钚氣溶膠,155 s該監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)濃度降低為0[表5和圖7(c)];T15硐室監(jiān)測(cè)點(diǎn)MT26-1、T21硐室監(jiān)測(cè)點(diǎn)MT26-4監(jiān)測(cè)到的钚氣溶膠濃度變化規(guī)律與監(jiān)測(cè)點(diǎn)MT26-3相同[表5和圖7(a)、圖7(d)];325 s后T17硐室監(jiān)測(cè)點(diǎn)MT26-2監(jiān)測(cè)到钚氣溶膠,350 s該監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(diǎn)36.9 mg/m3,然后在899 s升至階段高點(diǎn)58.6 mg/m3,隨后钚氣溶膠濃度再次下降,1 868 s后該監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí),硐室T15中相對(duì)高濃度的钚氣溶膠補(bǔ)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(shí)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(cè)點(diǎn)[表5和圖7(e)、圖7(f)],其原因與MT26-2監(jiān)測(cè)點(diǎn)類似。

3 硐室群核事故應(yīng)對(duì)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(shí)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(dòng)力學(xué)直徑則決定了哪些钚氣溶膠顆粒會(huì)沉淀在硐室內(nèi)部,哪些會(huì)隨著風(fēng)流排出硐室外部,對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生不利影響。據(jù)此,結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果,從硐室群核安全設(shè)計(jì)、核事故應(yīng)急處理、核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)管控等方面對(duì)核事故應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行討論。

3.1 核安全設(shè)計(jì)措施

硐室群的核安全設(shè)計(jì)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(jì)。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(dòng)場(chǎng)所應(yīng)位于下風(fēng)硐室。例如,場(chǎng)景一事故發(fā)生在T6硐室,場(chǎng)景二的事故發(fā)生在T26硐室,雖然兩種場(chǎng)景產(chǎn)生的钚氣溶膠濃度存在數(shù)量級(jí)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(chǎng)景一事故僅影響T6、T12、T11、T20、T23硐室,而場(chǎng)景二則影響了下風(fēng)向所有硐室。顯然,場(chǎng)景二的涉核活動(dòng)場(chǎng)所布局并不合理,場(chǎng)景一的涉核活動(dòng)場(chǎng)所布局稍優(yōu)于場(chǎng)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(dòng)場(chǎng)所,在不考慮钚氣溶膠擴(kuò)散至硐室外的風(fēng)險(xiǎn)情況下,該區(qū)域作為涉核活動(dòng)場(chǎng)所時(shí)對(duì)其他硐室的影響較小。同時(shí),應(yīng)針對(duì)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(shí)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(xiàng)重要的核安全設(shè)計(jì)內(nèi)容。假設(shè)事故發(fā)生時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)仍能正常工作,則钚氣溶膠會(huì)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(gè)方面的因素,一是環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)钚氣溶膠的識(shí)別響應(yīng)時(shí)間,二是密閉門從獲得關(guān)閉指令進(jìn)行啟動(dòng)到完全關(guān)閉所需的時(shí)間。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)布設(shè)在涉核場(chǎng)所附近,以確保事故發(fā)生時(shí)能較快地響應(yīng);密閉門的設(shè)置應(yīng)滿足時(shí)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(huì)溢出到其他硐室。此外,對(duì)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(chǎng)景一為例,關(guān)閉場(chǎng)景一T6硐室左端密閉門,會(huì)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(huì)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(cái)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(shí)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(jì)、密閉門設(shè)置等在核安全設(shè)計(jì)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(shí)機(jī)。

應(yīng)急處理時(shí)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(duì)場(chǎng)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(chǎng)景二泄漏的钚氣溶膠濃度遠(yuǎn)大于場(chǎng)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(xiǎn)的情況下,可在2 091 s后進(jìn)入硐室群。應(yīng)急處理時(shí)機(jī)還會(huì)影響應(yīng)急處理過程中的防護(hù)方式,高濃度污染時(shí)需要注重吸入造成的內(nèi)照射,低濃度污染時(shí)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(shí)間也會(huì)同時(shí)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(jì)參數(shù)另行計(jì)算和制定。

3.3 核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)管控措施

核事故產(chǎn)生的钚氣溶膠排出硐室外將會(huì)污染大氣環(huán)境,根據(jù)《核安全法》的要求,應(yīng)急處理時(shí)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(jì)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(shí)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(duì)事故場(chǎng)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(duì)于事故場(chǎng)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(yàn),主要是因?yàn)榛鹿什粌H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(huì)加重上述過濾系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),影響過濾效果。因此,針對(duì)事故場(chǎng)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(duì)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(xiǎn)管控的首要任務(wù)。

4 結(jié) 論

本文對(duì)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(jì)和通風(fēng)風(fēng)路設(shè)計(jì)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(xiǎn),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(xiǎn)。

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(shí),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(jì)算。