密闭空间中氚泄漏的浓度分布规律研究

余文力 王 亮

（中国人民解放军第二炮兵工程大学一系 陕西 西安 710025）

0 引言

氚广泛运用在化工、军事、医药等诸多领域，得到了广泛的研究[1-2]。因为氚具有渗透性[3-5]，平时贮存在特定的容器内。在意外条件的作用下，有可能发生泄漏，其中的氚气会扩散到周围空间之中，产生极大的安全隐患。本文主要针对储氚容器在突发情况下发生泄漏时，研究密闭空间中的氚浓度变化情况。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，仿真计算了空间内氚的扩散及浓度分布情况。

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1m。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400mm，中心距地面的高度为2m，距空间一端的距离为1m，其基本结构如图1所示。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0.83m/s。

图1 密闭空间结构及监测示意图

为了准确了解氚的流动和扩散时密闭空间内氚浓度的变化情况，在空间的6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C1、C2、C3、C4、M1、M2 表示，6 个固定监测点的坐标如表 1 所示。

表1 各个氚监测点的位置分布

为简单起见，模拟中将容器简化为一个直径为400mm、高度为400mm的圆柱，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=1.225kg/m3，比热 Cp=1006.43J/kg·K，热传导系数 λ=0.0242W/m·K，粘性系数 μ=1.7894×10-5kg/m·s。氚的分子量取为6.0321，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

容器位于空间的中心，该位置处，泄漏氚的自由扩散范围最大，如图2所示，10s时扩散才受到壁面的影响。泄漏位置与通风口距离较远，氚可以在较长的时间内主要依靠扩散在空间中传播，10s时才受到壁面轻微的影响。

下面说明该条件下氚的扩散、排出情况。图中给出的截面为过氚泄漏点和进气口、排气口的截面，即Z=6、Z=1和X=0三个截面。初始时刻，氚在空间中进行自由扩散，不受空间壁面的影响，此时氚在空间中的分布类似于同心球面，如图2a、b所示。随着时间的推移，扩散范围越来越大，到10s时开始于空间的侧壁相遇，开始受到壁面的影响，等值面的同心球面特点遭到破坏，自由扩散阶段结束，如图2c所示。随着氚的继续扩散，20s时开始到达空间顶部，如图2d所示，扩散受到空间顶部的影响。之后，氚在空间侧面和顶部的约束空间内向两端扩散，如图2e所示。50s时，氚的扩散开始受到通排风的影响，氚向这一端扩散的边界不再保持球面形状，如图2f所示，此图中还可以看到由于侧壁的影响，该处扩散受到阻碍，氚开始积聚。此前氚的运动主要在空间内部，以扩散为主，从此以后氚在空间内的运动开始受到通排风的明显影响，并且随着通排风排出。100s时，氚的运动边界越过通排风口的连线，扩散到此处的氚随进入进气口的空气、经过排气口排出空间外。由图2g可以看到，经过通排风口的Z=1的截面被新鲜空气吹出一条通道，同时由于通风对氚排出的促进作用，这一端氚的浓度开始迅速减小。随后，空间内的氚在通排风和扩散的作用下分布逐步均匀、浓度逐渐降低。图2h给出，由于扩散和空气的流动作用，中部泄漏点附近氚浓度逐渐降低，通排风口截面附近氚浓度逐渐升高；而另一端，则主要是依靠扩散的作用，氚逐渐向空间壁面扩散，浓度逐渐升高，到250s时氚扩散之空间壁面。之后，经过空间内通排风系统的流动和约束空间中扩散长时间的作用，其对空间中氚分布的影响与时间的相关性逐渐变弱，氚在空间中的分布趋于近似不变，这一过程在1000s左右基本完成，如图2i所示。然后，空间中的氚大体按照这一分布，如图2j所示，浓度逐渐下降，直到达到要求的管理限值[6-7]。

图2 氚泄漏时随时间的分布

图3 各监测点的氚浓度

图3给出了各个监测点处氚浓度的变化情况。该情况下，由于C1、C2、C3、C4四个监测点关于容器的位置对称，得到了基本相似的氚浓度变化规律。M1监测点实际上就是氚泄漏源，因此从初始氚混合物的浓度以近似于指数的规律下降；M2监测点距离泄漏源很近，氚浓度峰值明显升高。

图4给出了空间内氚平均浓度的变化情况。空间内氚浓度的减少成指数规律减少，浓度降低到行动水平的时间为19290s，浓度降低到干预水平的时间为33120s，降到管理限值的时间为40185s。

3 结论

本文采用数值仿真方法对氚意外泄漏时密闭空间内氚的浓度进行了计算，给出了氚的浓度及随时间的分布规律，主要得到了以下结论：

图4 空间氚平均浓度（正常情况）

（1）在泄露发生后，氚的浓度基本按指数规律衰减；

（2）氚泄漏的初始阶段，氚浓度的空间分布随时间有明显的变化；

（3）在泄漏初期，氚在空间内的分布很不均匀，如果能在泄漏源附近随时监测、及时发现，那么在氚尚未扩散开的短时间内，即使没有防护，也能够规划合适的路线，及时规避辐射对工作人员的伤害。

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