UF6设施气载释放事故应急评价模型的构建方法与流程

本发明涉及气体扩散模型的研究，具体涉及一种uf6设施气载释放事故应急评价模型的构建方法。

背景技术：

过去几十年，国内外对uf6泄漏事故后果做了大量模拟和试验研究。针对uf6特有的物理化学性质，目前多采用重气模型或高斯模型模拟其扩散。

气体密度大于其扩散所经过的周围空气密度的气体均称为重气。主要的重气模型有箱模型、浅层模型、三维流体力学模型、链模型等。箱模型假设重气云团为正立的坍塌圆柱体，圆柱体初始高度等于初始半径的一半，环境空气从云团的边缘或顶部进入。根据坍塌圆柱体的径向蔓延速度方程，应用能量守恒和质量守恒方程,可得任意时刻重气云团的半径计算公式：

式中:r-t时刻重气云团的半径，m；r0-重气云团的初始半径，m；ρ0-重气云团的初始密度，kg/m³；ρa-空气的密度，kg/m³；v0-重气云团的初始体积，m³；t-泄漏开始后时间，s。

高斯模型为非重气模型，包括高斯烟羽模型和高斯烟团模型，适用于中性(或正浮性)气体的被动扩散。高斯烟羽模型：

式中：χ-气云中危险物质浓度，kg/m³；h-泄漏源有效高度，m；q-源泄漏速 率，kg/s；u-风速，m/s；t-泄漏后的时间，s；σy-y方向的扩散系数，m；σz-z方向的扩散系数，m。

对于uf6气体，在释放初期，气体密度较大，为重气，随着空气的进入和化学反应的完成，逐渐变为中性(或正浮性)气体。因此，单纯的重气模型或单纯的高斯模型很难对uf6气体扩散行为进行准确地模拟。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种能够更加准确的模拟uf6气体扩散的uf6设施气载释放事故应急评价模型的构建方法。

本发明的技术方案如下：一种uf6设施气载释放事故应急评价模型的构建方法，包括如下步骤：

(1)以uf6泄漏速率和密度定义uf6初始控制体，建立控制体子模型，确定uf6初始控制体的初始厚度和初始宽度，并基于uf6云团为正立的坍塌圆柱体的假设，确定任意时刻的uf6控制体的宽度、厚度和空气进入uf6的速率；

(2)根据uf6与进入uf6控制体的水的化学反应，建立化学与热力学子模型，基于进入uf6控制体的水全部参加反应的假设，判断下风向任意处uf6参与反应的量，确定uf6气体由重气向中性气体过渡的节点；

(3)分两个阶段建立分段扩散子模型，第一阶段计算uf6存在时的扩散参数，第二阶段计算中性气体的扩散参数。

进一步，如上所述的uf6设施气载释放事故应急评价模型的构建方法，步骤(1)中，所述的控制体子模型如下：

uf6控制体的初始横截面积：

式中：auf6—uf6控制体横截面积，m²；

q’uf6—uf6质量泄露速率，kg/s；

ρuf6v—气态uf6密度，kg/m³；

u—1米风速，m/s；

控制体的初始横截面积为初始宽度、初始厚度的乘积，控制体宽度的变化为：

式中：wuf6—uf6控制体的宽度，m；

k—沉降系数，无量纲，理论值为取一较小值来描述表面阻力或调整模型，当前模型取值为1.3；

g—重力加速度；

t—泄漏开始后时间，s；

ρair—空气密度，kg/m³；

huf6—uf6控制体的厚度，m；

考虑高压uf6气体会因压力降低导致体积膨胀，因此将1s时控制体定义为初始控制体，初始厚度和初始宽度为：

式中：huf6c—uf6控制体的初始厚度，m；

wuf6c—uf6控制体的初始宽度，m；

假设uf6云团为正立的坍塌圆柱体，任意时刻uf6控制体宽度为：

任意时刻uf6控制体厚度为：

空气进入uf6的速率为：

式中：vair—空气进入体积速率，m³/s；

ue—空气进入速率，m/s；

空气进入速率ue的值：

式中：u*—大气湍流的摩擦速度，m/s；

ρuf6v—气态uf6密度，kg/m³。

进一步，如上所述的uf6设施气载释放事故应急评价模型的构建方法，步骤(2)中，所述的化学与热力学子模型如下：

假设空气、水蒸气和hf是理想气体，使用压缩因子z来描述uf6与理想气体的偏差：

式中：t—uf6温度，℃；

p—压强，kpa；

气态uf6的密度为：

式中，r—理想气体常数；

mw—uf6相对分子质量；

单位时间卷挟进的空气中水蒸气和进入uf6控制体的降雨量决定uf6化学反应可利用的水量为：

mh2o＝ρh2ov·vair+3.6×10⁵pr·wuf6·u·δt·ρh2ol

式中：mh2o—uf6化学反应可利用的水的量，kg；

δt—降雨持续时间，s；

ρh2ov—空气中水蒸气的密度，kg/m³；

vair—进入烟羽的空气体积，m³；

pr—降雨速率，mm/h；

ρh2ol—液态水的密度，kg/m³；

假设进入uf6控制体的水全部参加反应，通过mh2o可计算到下风向任意处参加反应的uf6的量(h2o与uf6充分反应质量比约为1：9.78)，与泄漏量的对比判断是否已完全反应，从而判断uf6气体是否由重气向中性气体转变。

进一步，如上所述的uf6设施气载释放事故应急评价模型的构建方法，步骤(3)中，所述的分段扩散子模型如下：

如果有未反应的uf6存在，hf和uo2f2归一化浓度：

其中，h＝δht+1.5σz+h；

x/q’为hf和uo2f2归一化浓度，x为hf和uo2f2的浓度(kg/m³)，q’为uf6释放后对应的hf和uo2f2的释放速度(kg/s)；

y为横向距离；

σy为横向扩散参数；

σz为垂向扩散参数；

h为实际释放高度；

δht为烟羽的抬升高度；

uf6完全转化为hf和uo2f2后，wuf6为常数，其值等于完全发生反应时的控制 体的宽度，hf和uo2f2归一化浓度：

其中，z为受体高度。

本发明的有益效果如下：本发明以uf6与水蒸气的化学反应为切入点，判断重气向中性气体(或正浮性)过渡的节点，分段模拟uf6气体扩散。该模型通过uf6气体的水解反应，将传统的重气模型和高斯模型有机的结合起来，从而能够更加准确的模拟uf6气体的扩散。

具体实施方式

本发明构建了一种新的模拟uf6扩散的模型，其中包括控制体子模型、化学与热力学子模型、分段扩散子模型。

该模型假设：uf6烟羽在近地面处释放；uf6泄漏速率和密度定义uf6初始控制体积；uf6的重力沉降决定控制体积的变形；空气仅通过uf6控制体积上表面进入，侧面夹带可忽略不计，因为在泄漏几秒钟之后，上表面的面积将远大于侧面积；进入烟羽中的水蒸汽完全参加反应；uf6烟羽抬升仅考虑因水解反应造成的热抬升。

(1)控制体子模型

uf6泄漏速率和密度定义uf6初始控制体，它的大小将直接影响uf6的化学反应。控制体的初始横截面积：

式中：auf6—uf6控制体横截面积，m²；

q’uf6—uf6质量泄露速率，kg/s；

ρuf6v—气态uf6密度，kg/m³；

u—1米风速，m/s。

uf6控制体的初始横截面积为初始宽度、初始厚度的乘积，控制体宽度的 变化：

式中：wuf6—uf6控制体的宽度，m；

k—沉降系数，无量纲，理论值为取一较小值来描述表面阻力或调整模型，当前模型取值为1.3；

g—重力加速度；

t—泄漏开始后时间，s；

ρair—空气密度，kg/m³；

huf6—uf6控制体的厚度，m；

考虑高压uf6气体会因压力降低导致体积膨胀，因此将1s时控制体定义为uf6初始控制体，初始厚度和初始宽度：

假设uf6云团为正立的坍塌圆柱体，任意时刻uf6控制体宽度：

任意时刻uf6控制体厚度：

空气进入uf6的速率：

式中：vair—空气进入体积速率，m³/s；

ue—空气进入速率，m/s；

空气进入速率ue的值：

式中：u*—大气湍流的摩擦速度，m/s；

ρuf6v—气态uf6密度，kg/m³。

(2)化学与热力学子模型

假设空气、水蒸气和hf是理想气体，使用压缩因子来描述uf6与理想气体的偏差。

式中：t—uf6气体温度，℃；

p—压强，kpa；

气态uf6的密度：

式中，r—理想气体常数；

mw—uf6相对分子质量；

单位时间卷挟进的空气中水蒸气和进入uf6控制体积的降雨量决定uf6化学反应可利用的水量：

mh2o＝ρh2ov·vair+3.6×10⁵pr·wuf6·u·δt·ρh2ol(11)

式中：mh2o—uf6化学反应可利用的水量，kg；

δt—降雨持续时间，s；

ρh2ov—空气中水蒸气的密度，kg/m³；

vair—进入烟羽的空气体积，m³；

pr—降雨速率，mm/h；

ρh2ol—液态水的密度，kg/m³。

假设进入控制体的水全部参加反应，通过mh2o可计算到下风向x处参加反应的uf6的量(h2o与uf6充分反应质量比约为1：9.78)，与泄漏量的对比判断是否已完全反应，从而判断uf6气体是否由重气向中性(或正浮性)气体转变。

(3)分段扩散子模型

扩散子模型分两个阶段：第一阶段，计算有uf6存在时的扩散；第二阶段，计算中性(或正浮性)气体扩散。

只要有未反应的uf6存在，hf和uo2f2归一化浓度：

其中，h＝δht+1.5σz+h；

x/q’为hf和uo2f2归一化浓度，x为hf和uo2f2的浓度(kg/m³)，q’为uf6释放后对应的hf和uo2f2的释放速度(kg/s)；

y为横向距离；

σy为横向扩散参数；

σz为垂向扩散参数；

h为实际释放高度；

δht为烟羽的抬升高度。

uf6完全转化为hf和uo2f2后，hf和uo2f2归一化浓度：

其中，z为受体高度。

公式(13)中的wuf6为常数，其值等于完全发生反应时的控制体积的宽。

(4)模型验证

1986-1989年，法国政府在波尔多做了三次uf6释放实验，实际释放高度为3.15m，平均释放速率约4.8kg/min，并在不同的距离对1m高处铀浓度进行了监测。三次试验主要气象数据见表1。

表1法国波尔多三次实验主要气象数据

根据历史实验参数进行模拟计算，可溶性铀浓度的计算值与实验值见表2。

表2可溶性铀浓度的模型计算值与实验测量值对比表单位：mg/m³

与实验测量值对比可知，本模型计算值与三次实验测量值较接近，p/o在0.5-2之间,适用于进行uf6泄漏事故后果分析。

根据三次试验结果，进行了误差分析，见表3。

表3两模型总铀浓度模拟结果分析对比表

注:fb为平均分数偏差，mg为几何平均偏差，vg为几何平均方差，nmse为归一化方差。

从表3看出，新构建的模型的模拟结果可靠性较好，可用于构建uf6泄漏后果近源场评价模型。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。