陳黎偉，陶龍龍，周百昌，汪 進(jìn)，龍鵬程，王 芳

(1.中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所 中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230027；3.安徽省核應(yīng)急專(zhuān)業(yè)技術(shù)支持中心，安徽 合肥 230031；4.中國(guó)人民解放軍96901部隊(duì)23分隊(duì)，北京 100095)

截至2018年9月，我國(guó)有44個(gè)核反應(yīng)堆在運(yùn)行，容量為40.6 kMW，13個(gè)在建，容量為14 kMW，并計(jì)劃增建36 kMW瓦的核反應(yīng)堆，到2020年，中國(guó)將擁有58 kMW的容量，乏燃料累積量將達(dá)到近9 000 tHM[1, 2]。2017年，我國(guó)出臺(tái)的《核安全與放射性污染防治“十三五”規(guī)劃及2025遠(yuǎn)景目標(biāo)》文件強(qiáng)調(diào)要推進(jìn)乏燃料貯存和處理能力建設(shè)，建立保障機(jī)制，優(yōu)化運(yùn)行管理?？梢?jiàn)，乏燃料管理已成為我國(guó)核燃料循環(huán)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)問(wèn)題[2, 3]。

乏燃料管理有三種主要方式：直接處理、后處理和乏燃料出口。無(wú)論是哪種方式，乏燃料運(yùn)輸在乏燃料的管理中都起著關(guān)鍵作用[4]。然而，乏燃料在運(yùn)輸過(guò)程中可能會(huì)受到不可抗力因素的影響，如：災(zāi)害天氣、車(chē)禍、人為誤操作等，導(dǎo)致乏燃料組件及運(yùn)輸容器受損，從而發(fā)生放射性核素泄漏[5]。泄漏的放射性核素會(huì)從燃料組件到運(yùn)輸容器內(nèi)腔再釋放到外部環(huán)境，對(duì)環(huán)境造成放射性污染[6]。有統(tǒng)計(jì)顯示，美國(guó)在1974年至1993年間與放射性運(yùn)輸容器表面污染相關(guān)事故共53起[7]；2013年，歐盟一輛裝載乏燃料容器的火車(chē)因脫軌而導(dǎo)致有放射性污染源泄漏，且有25萬(wàn)人居住在距離事故發(fā)生地僅2.5公里的范圍內(nèi)[7]；我國(guó)在1988年至1998年有13起與放射性材料運(yùn)輸相關(guān)的事故，且造成了57人受照[8]。李越等人系統(tǒng)分析了國(guó)內(nèi)外乏燃料運(yùn)輸現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，指出目前我國(guó)主要的運(yùn)輸方式為公路運(yùn)輸，并提出現(xiàn)階段應(yīng)加強(qiáng)乏燃料運(yùn)輸事故情景及后果評(píng)價(jià)方面研究[2]。相對(duì)于乏燃料存貯泄漏事故[9]，由于事故地點(diǎn)的不確定性，乏燃料運(yùn)輸事故具有更大的輻射風(fēng)險(xiǎn)[10]，因此，事故條件下乏燃料公路運(yùn)輸核素彌散后果評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)于當(dāng)前我國(guó)核事故早期應(yīng)急是必不可少的。

乏燃料運(yùn)輸事故后果評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)中，大氣彌散模型是計(jì)算個(gè)人劑量與集體劑量的基礎(chǔ)，美國(guó)基于高斯模型開(kāi)發(fā)的RADTRAN軟件實(shí)現(xiàn)了放射性材料運(yùn)輸輻射影響的計(jì)算和評(píng)價(jià)[11]；我國(guó)王任澤等人基于高斯模型開(kāi)發(fā)了放射性物質(zhì)運(yùn)輸后果評(píng)價(jià)軟件CRAMTRA1.0，并進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試[10]，馬文娟等人利用CRAMTRA1.0軟件分析了在三種運(yùn)輸方案下乏燃料從中國(guó)廣東某核電站到西北地區(qū)后處理廠的輻射影響[12]。然而，運(yùn)輸事故過(guò)程中的放射性物質(zhì)擴(kuò)散與遷移具有室外復(fù)雜環(huán)境的特點(diǎn)，如沉降、植被效應(yīng)、復(fù)雜地形與建筑等，尤其當(dāng)泄漏源高度位于植被或建筑物高度以下時(shí)，其泄漏的核素受植被效應(yīng)與建筑物壁面效應(yīng)影響較大，而高斯模型對(duì)于此類(lèi)情況下并不能很好的模擬[13]。

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法是解決復(fù)雜條件下大氣污染物彌散分布的有效工具[14]。謝清芳等人利用CFD方法，分析了不同來(lái)流方向條件下植被對(duì)鈾尾礦庫(kù)下風(fēng)向氡的擴(kuò)散分布及規(guī)律的影響[15]。Ghasemian等人利用CFD方法模擬了植被屏障下的流場(chǎng)和交通排放污染物濃度，為城市規(guī)劃者提供了一些有效建議[16]。Wang CH等人基于CFD方法系統(tǒng)分析了樹(shù)木與道路兩邊建筑物高度差異及道路兩邊建筑間隔距離差異對(duì)交通排放大氣污染物擴(kuò)散規(guī)律影響機(jī)制[17]。相比于交通污染源近地面排放，乏燃料公路運(yùn)輸泄漏事故還具有泄漏源位置不確定性的特點(diǎn)，從而為放射性污染物擴(kuò)散與遷移帶來(lái)了不確定性。

鳳麟核能團(tuán)隊(duì)圍繞反應(yīng)堆事故診斷、放射性核素環(huán)境影響、核應(yīng)急與公共安全等迫切需求，依托中子輸運(yùn)設(shè)計(jì)與安全評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)SuperMC[18]、可靠性與概率安全分析軟件系統(tǒng)RiskA[19]、核安全云NCloud等核心基礎(chǔ)，建成了數(shù)字社會(huì)環(huán)境下的虛擬核電站Virtual4DS[20]。本文通過(guò)修正放射性核素衰變項(xiàng)及動(dòng)量源損失項(xiàng)，提出一種基于CFD方法的乏燃料運(yùn)輸事故條件下的放射性核素彌散模型，并在Virtual4DS框架下，基于OpenFOAM 4.1軟件引擎進(jìn)行求解器開(kāi)發(fā)以實(shí)現(xiàn)事故場(chǎng)景模型的數(shù)值模擬，且在模擬中結(jié)合不同泄漏源高度及有無(wú)樹(shù)木影響的條件，實(shí)現(xiàn)了乏燃料公路運(yùn)輸事故下放射性核素分布，同時(shí)對(duì)比分析了不同條件下的核素彌散分布規(guī)律。

1 模型描述

1.1 乏燃料運(yùn)輸事故場(chǎng)景描述

根據(jù)2003年國(guó)家核安全局發(fā)布的《關(guān)于頒發(fā)大亞灣核電站乏燃料公路運(yùn)輸裝運(yùn)批準(zhǔn)書(shū)的通知》文件內(nèi)容[21]，從大亞灣核電站運(yùn)往甘肅四○四廠乏燃料后處理廠，途經(jīng)廣州、長(zhǎng)沙、武漢、信陽(yáng)、漯河、鄭州、洛陽(yáng)、西安、咸陽(yáng)時(shí)為高速路段，從咸陽(yáng)、蘭州、武威、甘肅乏燃料后處理廠時(shí)為國(guó)道路段。圖1為谷歌衛(wèi)星地圖中的信陽(yáng)至漯河高速路段的乏燃料運(yùn)輸路線場(chǎng)景圖，圖1(a)表示有樹(shù)條件下的運(yùn)輸場(chǎng)景；圖1(b)表示無(wú)樹(shù)條件下運(yùn)輸場(chǎng)景。此類(lèi)場(chǎng)景中道路兩旁均有建筑民房、服務(wù)區(qū)，為居民密集區(qū)，一旦發(fā)生核泄漏事故，將對(duì)周邊環(huán)境和人身造成放射性危害。因此，本文基于類(lèi)似場(chǎng)景作為研究樣地進(jìn)行場(chǎng)景建模。

圖1 乏燃料公路運(yùn)輸路線場(chǎng)景

假設(shè)一輛乏燃料運(yùn)輸卡車(chē)從臨時(shí)儲(chǔ)存庫(kù)行駛到后處理廠，車(chē)上裝有用于儲(chǔ)存壓水堆(PWR)燃料組件的NAC-STC型乏燃料容器。由于運(yùn)輸乏燃料金屬容器中使用的金屬墊圈受到長(zhǎng)期的高溫影響，金屬墊片的殘余線性載荷和總回彈距離因軟金屬外層護(hù)套的蠕變變形而松弛，在受到撞擊或其他機(jī)械振動(dòng)后，乏燃料容器密封條發(fā)生松動(dòng)。因此，放射性核素從儲(chǔ)罐泄漏到環(huán)境中[22]，以氣載的形式在環(huán)境中擴(kuò)散和遷移，并在植被和土壤上沉積，對(duì)周邊環(huán)境造成了輻射危害[23]。

當(dāng)樹(shù)木高于建筑物時(shí)，其對(duì)峽谷氣流和污染物濃度影響最大[17]，本工作主要考慮樹(shù)木高于建筑物的情況。乏燃料運(yùn)輸場(chǎng)景的幾何模型如圖2所示，假定計(jì)算域?yàn)?4H(x方向)×70H(y方向)×8H(z方向)(其中H=18 m)，建筑物、樹(shù)木和道路位于計(jì)算域的中部，其長(zhǎng)度為10H(180 m)。道路的寬度是2H(36 m)，從建筑物到車(chē)輛行駛道路的距離是2/3H(12 m)，樹(shù)木位于建筑物和車(chē)輛行駛道路之間，寬度是1/3H(6 m)，高度是3/2H(18 m)，從建筑物到樹(shù)木的距離是1/3H(6 m)。大氣氣流沿x正向垂直于道路方向經(jīng)過(guò)。

為準(zhǔn)確評(píng)估放射性核素對(duì)兩邊建筑的輻射危害，假設(shè)靠近來(lái)流處的建筑物且離釋放源最近的壁面為壁面一；靠近去流方向處的建筑物且離釋放源最近的壁面為壁面二。

圖2 乏燃料公路運(yùn)輸事故幾何模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

近地面氣流在地面、植被、建筑等復(fù)雜條件的影響下，較易形成湍流[24]。為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)乏燃料公路運(yùn)輸事故中泄漏核素的分布狀態(tài)，本文引入標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，綜合考慮核素衰變及動(dòng)量源的損失，建立了基于CFD方法的修正模型，用于模擬事故條件下的放射性核素彌散過(guò)程。模型中主要包括兩個(gè)部分，即流場(chǎng)模擬和放射性核素濃度模擬。

1.2.1 流場(chǎng)模擬

本文假設(shè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)空氣流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)，且考慮重力損失，由于在處理植被影響下的大氣污染物擴(kuò)散時(shí)，可將樹(shù)木區(qū)域視為多孔介質(zhì)[16, 25]，以壓力損失系數(shù)近似氣流在通過(guò)植被時(shí)產(chǎn)生的壓力損失，可以通過(guò)增加動(dòng)量源損失項(xiàng)來(lái)修正動(dòng)量守恒方程，以模擬樹(shù)木作用下的流場(chǎng)分布。簡(jiǎn)化后的質(zhì)量守恒方程與動(dòng)量守恒方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中：ui(m·s-1)為速度分量，i=1,2,3分別對(duì)應(yīng)x,y,z三個(gè)方向。

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中：t——時(shí)間，s；

ρ——流體的密度；

P——壓力，N·m-2；

μ,μi——分別為動(dòng)力粘度和湍流粘度；

g——重力加速度，m·s-2；

Sui——?jiǎng)恿吭磽p失項(xiàng);

λ——壓力損失系數(shù),m-1。

1.2.2 放射性核素濃度模擬

在大氣環(huán)境中，放射性核素濃度方程可表示為：

(3)

式中：C——坐標(biāo)點(diǎn)(x，y，z)處的每個(gè)時(shí)間步的濃度值，kBq·m-3;

ΓC(m2·s-1)——湍流擴(kuò)散系數(shù),m2/s;

SC——源項(xiàng)kBq·m-3·s-1。

在乏燃料公路運(yùn)輸事故場(chǎng)景中，泄漏的放射性核素會(huì)因大氣流場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，受樹(shù)冠效應(yīng)、壁面效應(yīng)、放射性衰變和沉積[26,27]的影響，逐漸向周?chē)h(huán)境擴(kuò)散和遷移。因此，我們需要對(duì)濃度方程作沉積、核素衰變等修正，然而，碘在乏燃料公路運(yùn)輸事故中主要以氣相形式遷移，且只有極小的粒子(平均粒徑在2 μm以?xún)?nèi))從容器中釋放出來(lái)[28]。因此，對(duì)于事故早期應(yīng)急(0.5 h～1 d)，放射性核素沉積量可以忽略不計(jì)。

其濃度修正方程可以表示為：

(4)

式中：λd——核素衰變因子;

T1/2——核素半衰期。

1.3 模型驗(yàn)證

由于輻射危害，用實(shí)驗(yàn)方法較難驗(yàn)證乏燃料公路運(yùn)輸過(guò)程中的核素彌散過(guò)程。本工作將采用Jeanjean APR等人工作[25]中模擬的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證案例，該驗(yàn)證模型由一個(gè)街道峽谷組成，樹(shù)木寬度與高度比例為1∶1，在樹(shù)木兩邊分別有一排10H(長(zhǎng))×H(寬)×H(高)的建筑物(H=18 m)，氣流從垂直于建筑物x軸正方向經(jīng)過(guò)，在兩排建筑中間和模型樹(shù)的底部有四條線源發(fā)射器，用于釋放出氣體示蹤劑SF6，其釋放率為Qi。其他邊界條件及參數(shù)設(shè)置參見(jiàn)文獻(xiàn)[25]，最后將濃度值使用歸一化濃度公式進(jìn)行表示：

(5)

圖3為Jeanjean APR等人在靠來(lái)流方向較近的建筑壁面的濃度模擬結(jié)果與本工作模擬結(jié)果的比較，其中圖3(a)表示為有樹(shù)條件下的空街峽谷墻壁歸一化濃度模擬，圖3(b)表示為無(wú)樹(shù)條件下的空街峽谷墻壁歸一化濃度模擬。從模擬的結(jié)果可以看出，連續(xù)釋放源在風(fēng)場(chǎng)及建筑壁面的作用下，在建筑壁面中間產(chǎn)生蓄積，且由于樹(shù)木的作用，造成了示蹤氣體濃度的升高，可見(jiàn)兩項(xiàng)工作在模擬的濃度分布情況是一致的。雖然部分區(qū)域等值線存在一些較小差異，這主要是因?yàn)楸疚脑诰W(wǎng)格處理上與Jeanjean APR等人可能有所不同，但總體濃度擴(kuò)散趨勢(shì)與分布是一致的。

圖3 靠來(lái)流方向較近的建筑壁面的濃度模擬

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算方法

在OpenFOAM 4.1多孔介質(zhì)求解器的基礎(chǔ)上添加了修正后的濃度方程，對(duì)求解器進(jìn)行重新開(kāi)發(fā)，以適合本工作的需求。

具體開(kāi)發(fā)步驟如下：

(1)創(chuàng)建輸入變量場(chǎng)：在多孔介質(zhì)求解器中創(chuàng)建三個(gè)標(biāo)量場(chǎng)(濃度場(chǎng)C、壓力場(chǎng)p，湍流擴(kuò)散系數(shù)alphat)和一個(gè)矢量場(chǎng)(速度場(chǎng)U)；

(2)添加濃度方程頭文件CEqn.H：頭文件中寫(xiě)入本文中的濃度輸運(yùn)方程；

(3)添加傳輸參數(shù)頭文件：readTransportProperties.H：添加求解過(guò)程中所需要的參數(shù)，如：層流Prandtl數(shù)，湍流Prandtl數(shù)，衰變因子，沉積因子等；

(4)與速度、壓力聯(lián)立求解。在執(zhí)行文件中(.C文件)添加 #include “CEqn.H”，使其基于pimple算法進(jìn)行壓力速度耦合求解；

(5)最后進(jìn)行求解器編譯；

(6)在算例求解過(guò)程中，給定速度、壓力、湍流擴(kuò)散參數(shù)，湍動(dòng)能、湍流耗散率、源項(xiàng)等初始條件和邊界條件，利用topoSet命令對(duì)樹(shù)木多孔介質(zhì)區(qū)域進(jìn)行指定，先對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，最后將求解后的穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)作為初始條件，使用自定義求解器進(jìn)行迭代求解。

另外，輸運(yùn)方程均采用有限體積法離散[14]，所有方程采用中心差分格式和迎風(fēng)格式進(jìn)行求解。

2.2 邊界條件

在乏燃料運(yùn)輸中，假設(shè)天氣晴朗，環(huán)境溫度為20 ℃，且為等溫狀態(tài)?？諝饷芏葢?yīng)為1.2 kg·m-3。事故發(fā)生在場(chǎng)景模型正中心位置，泄漏引起了放射性核素131I的連續(xù)釋放，泄漏率為3.3 kBq·m-3·s-1，大約為0.72 μg·m-3·s-1質(zhì)量流量，碘在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)約為0.8×10-5m2s-1[29]，來(lái)流沿x正方向的初始風(fēng)速為2 m·s-1，壁面邊界采用Neumann邊界條件，且為固體壁面無(wú)滑移條件，流體通過(guò)樹(shù)木的壓力損失系數(shù)為200，湍流長(zhǎng)度尺度(Λ)通過(guò)選擇來(lái)流直徑確定。根據(jù)公式(6)至公式(8)對(duì)雷諾數(shù)(Re)、初始湍流動(dòng)能(k)和湍流耗散率(ε)進(jìn)行初始值設(shè)定。

(6)

(7)

(8)

本工作主要計(jì)算泄漏事故后發(fā)生的1 h以?xún)?nèi)的放射性131I連續(xù)釋放，分別考慮泄漏源在2 m(位于建筑物高度以下)和22.5 m(位于建筑物高度與樹(shù)高度之間)的高度，以表示運(yùn)輸車(chē)輛經(jīng)過(guò)普通路面、橋或邊坡等不同路面高度的情形。由于空氣中的碘摩爾分?jǐn)?shù)是約為4.36×10-11，因而不影響空氣混合物流動(dòng)性能，為了向核應(yīng)急決策者提供更多的實(shí)際信息，在結(jié)果討論中考慮工作場(chǎng)所的131I最大允許濃度為0.33 kBq m-3[9]。

2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性測(cè)試

圖4 在t=720 s時(shí)刻y=630 m平面在z=2 m高度131I從x=558 m至x=594 m區(qū)間濃度

2.4 分析與討論

為了獲取不同乏燃料公路運(yùn)輸場(chǎng)景下的核素彌散分布規(guī)律，下面結(jié)合有無(wú)樹(shù)木影響及不同源高兩個(gè)部分，從大氣流場(chǎng)的分布、濃度空間分布與建筑壁面濃度時(shí)間變化等方面對(duì)乏燃料運(yùn)輸事故條件下放射性核素131I彌散規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖5 y=630 m平面釋放源附近穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)分布

圖5表示y=630 m平面釋放源附近穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)分布，其中圖5(a)表示無(wú)樹(shù)條件下的風(fēng)場(chǎng)分布；圖5(b)表示有樹(shù)條件下的風(fēng)場(chǎng)分布(虛線區(qū)域內(nèi)表示樹(shù)木)。從圖中可以看出，樹(shù)木對(duì)建筑物之間的湍流漩渦有明顯的減弱作用，在無(wú)樹(shù)條件下，建筑物之間產(chǎn)生了較大渦旋，相比之下，有樹(shù)環(huán)境下的建筑物之間則沒(méi)有大的渦旋作用。

圖6給出了z=2 m高的釋放源131I在y=630 m平面第3 600 s時(shí)的濃度分布情況，其中圖6(a)表示無(wú)樹(shù)條件下的濃度分布；圖6(b)表示有樹(shù)條件下的濃度分布。無(wú)樹(shù)條件下的放射性核素131I受湍流回流作用向來(lái)流方向逐漸擴(kuò)散，對(duì)靠近來(lái)流方向的建筑物污染較大。然而在有樹(shù)條件下，因兩建筑物之間渦旋效應(yīng)被減弱，131I向泄漏源四周擴(kuò)散較為明顯，且在風(fēng)場(chǎng)的作用下，擴(kuò)散逐漸向去流方向偏移，對(duì)去流方向建筑物逐漸造成污染?？梢钥闯?，樹(shù)木對(duì)放射性核素?cái)U(kuò)散范圍起到了一定的抑制作用。

圖6 z=2 m高的釋放源131I 在y=630 m平面t=3 600ths的濃度分布

從圖7中可以看出，無(wú)樹(shù)條件下的壁面一的131I最大濃度和平均濃度都明顯比壁面二要高。但是有樹(shù)條件下的情況恰恰相反，壁面二的131I最大濃度和平均濃度都明顯比壁面一要高，這是因?yàn)樵跓o(wú)樹(shù)條件下131I受到回旋渦流的影響，釋放的核素不斷向來(lái)流方向建筑壁面蓄積，從而導(dǎo)致壁面一的放射性核素濃度較高現(xiàn)象。通過(guò)模擬，我們可以得到第3 600 s在無(wú)樹(shù)條件下，壁面二的131I平均濃度為0.005 kBq·m-3，比壁面一的平均濃度(0.025 kBq·m-3)低5倍；有樹(shù)條件下，壁面二的131I平均濃度為0.008 9 kBq·m-3，比壁面一的平均濃度(0.003 2 kBq·m-3)高2.8倍。而且，在相同邊界條件下，壁面一在無(wú)樹(shù)木條件的131I平均濃度比有樹(shù)條件下高7.8倍。由此可見(jiàn)，建筑物之間的樹(shù)木對(duì)建筑物的放射性污染起到了一定的抑制作用，且要加強(qiáng)無(wú)樹(shù)條件下來(lái)流方向附近的建筑物壁面去污工作。

圖7z=2 m高的釋放源131I在建筑物壁面的濃度

Fig.7131I concentration of the walls of the building at thez=2 m leakage height

圖8給出了z=22.5 m高的釋放源131I在y=630 m平面第3 600 s時(shí)的濃度分布情況，其中圖8(a)表示無(wú)樹(shù)條件下的濃度分布；圖8(b)表示有樹(shù)條件下的濃度分布。在無(wú)樹(shù)條件下泄漏的放射性核素首先向去流方向擴(kuò)散，對(duì)去流方向較近的建筑物造成了污染，然后部分核素被渦旋捕捉后逐漸向來(lái)流方向建筑物擴(kuò)散。在有樹(shù)條件下，釋放源逐漸在兩樹(shù)之間較為均勻的向四周擴(kuò)散。相比源高z=2 m時(shí)131I濃度分布情況，無(wú)樹(shù)條件下131I擴(kuò)散趨勢(shì)呈明顯不同，這主要是因?yàn)榻ㄖ镏g的渦流對(duì)擴(kuò)散造成的影響。

圖8 z=22.5 m高的釋放源131I 在y=630 m平面t=3 600th s的濃度分布

圖9 z=22.5 m高的釋放源131I在建筑物壁面的濃度

從圖7和圖9中可以看出，無(wú)論釋放源在何處，有樹(shù)條件下的核素濃度增長(zhǎng)變化曲線相對(duì)平緩。與源高z=2m情況不同的是，當(dāng)釋放源高位于z=22.5 m時(shí)，無(wú)樹(shù)條件下的壁面一的131I最大濃度和平均濃度都明顯比壁面二要低。而在有樹(shù)條件下的情況相對(duì)復(fù)雜，從第0 s到1 680 s，壁面二的131I最大濃度均比壁面一要高；從1 680 s后，壁面一的131I最大濃度均比壁面二要高；但是對(duì)于兩旁建筑物的壁面平均131I濃度變化值非常接近，呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。這是因?yàn)樵跓o(wú)樹(shù)條件下131I主要直接受到去流風(fēng)的影響，釋放的核素不斷向去流方向擴(kuò)散，對(duì)壁面二建筑壁面直接造成了放射性污染；有樹(shù)條件下泄漏源周?chē)チ鞣较蝻L(fēng)得到了減弱，131I不斷向四周均勻擴(kuò)散。通過(guò)模擬，我們可以得到第3 600 s時(shí)刻在無(wú)樹(shù)條件下，壁面二平均131I濃度為0.006 6 kBq·m-3，比壁面一平均131I濃度(0.001 5 kBq·m-3)高4.4倍；比有樹(shù)條件下的壁面二平均131I濃度(0.002 1 kBq·m-3)要高3倍。由此可見(jiàn)，當(dāng)源高位于建筑物以上，樹(shù)以下時(shí)，無(wú)樹(shù)條件下去流方向附近建筑放射性污染較為嚴(yán)重。

3 結(jié)論

本文基于CFD的方法研究了乏燃料公路運(yùn)輸事故條件下放射性核素彌散過(guò)程，而且我們可以通過(guò)此方法得到乏燃料運(yùn)輸事故后不同泄漏源位置放射性核素的具體分布情況以及對(duì)周邊建筑的輻射危害，從而可以為核應(yīng)急工作者提供參考依據(jù)。此外，根據(jù)模擬，我們主要得出了以下結(jié)論：

(1)湍流漩渦的減弱效應(yīng)對(duì)泄漏源擴(kuò)散范圍起到了一定的抑制作用，從而影響了核素分布規(guī)律。

(2)當(dāng)源高位于建筑物以下，有樹(shù)條件下，去流方向附近的建筑放射性污染較來(lái)流方向附近的建筑嚴(yán)重。相反，在無(wú)樹(shù)條件下來(lái)流方向附近的建筑放射性污染較去流方向附近的建筑嚴(yán)重。

(3)源高位于建筑物以上樹(shù)以下，有樹(shù)條件下，泄漏源均勻向四周擴(kuò)散，對(duì)道路兩邊建筑造成的放射性污染相當(dāng)。而在無(wú)樹(shù)條件下，去流方向附近的建筑物的放射性污染比來(lái)流方向附近的建筑物污染要嚴(yán)重。

因此，當(dāng)泄漏源發(fā)生在不同高度時(shí)，泄漏源對(duì)道路兩邊的建筑所造成的放射性污染程度都是明顯不同的。在此基礎(chǔ)上，我們對(duì)核應(yīng)急工作者提出了兩點(diǎn)建議。對(duì)于發(fā)生乏燃料運(yùn)輸事故后處理，應(yīng)首先判斷泄漏源、樹(shù)木、建筑物的相對(duì)高度，然后通過(guò)放射性核素彌散模擬的方法估計(jì)放射性危害區(qū)域，從而為核事故后的放射性處置提供更加真實(shí)的信息。

致謝

本論文得到中國(guó)科學(xué)院信息化專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(XXH13 506-104)，中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目資助。同時(shí)衷心感謝鳳麟團(tuán)隊(duì)全體成員的幫助和指導(dǎo)。