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核电站冷却塔羽流对核岛放射性废气扩散的影响研究

石伟  
【摘要】:随着国家积极发展内陆核电,带有大型自然通风冷却塔的核电站将越来越多,核岛在正常运行时将释放出放射性废气,这些废气扩散行为的预测是核电站环境影响评价的重要工作。大型自然通风冷却塔产生的具有上升动量的湿热蒸汽在横向环境风的作用下将形成羽流,羽流将改变冷却塔下游附近的空气动力场。若核岛放射性废气排出口位于此区域,则放射性废气的扩散将受到羽流的影响。 核电放射性废气一般由核岛的核辅助厂房通风系统(DVN)的高空烟囱排向大气。大型冷却塔在环境风的影响下,在其背风面大范围空间内产生非常复杂的三维空气动力场,此时传统的解析方法(如高斯烟羽模型)将不能够准确预测羽流及核岛放射性废气的扩散行为。为了对冷却塔羽流扩散和核岛放射性废气扩散在环境风以及建筑物的影响下的扩散行为进行预测,本研究提出采用三维计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟的方法,依托FLUENT软件强大的复杂边界处理能力、网格生成能力、丰富的湍流模型和传热传质模型来开展了以下几相数值模拟计算: 1)冷却塔羽流的三维数值模拟 计算结果表明,不同环境风速对羽流上升弯曲有较大的影响,湍流Schmidt数对羽流的湿度场有较大的影响。羽流增加了冷却塔近场的空气扩散能力,Sc数越低,扩散能力越强,因而对将促进核岛放射性废气的扩散。 2)冷却塔羽流对核岛放射性废气扩散的影响稳态计算 计算结果可以发现,冷却塔羽流形成的羽流速度场对核岛高空烟囱释放的放射性废气扩散的影响较大,冷却塔羽流的形状主要取决于横向来风流速和冷却塔垂直上升流速的强度对比 3)冷却塔羽流对核岛放射性废气扩散的影响研究非稳态计算 计算结果发现,低风速时羽流对放射性废气扩散的影响较大;高风速时环境风对放射性废气扩散有直接的影响。 冷却塔羽流及核岛放射性废气扩散在流体力学中均属于典型的射流问题,本研究重点研究了环境风横流流速、温度及冷却塔出口流速、温度对下游核岛放射性废气扩散的影响,以及湍流扩散参数对计算结果的影响。建立的非稳态放射性废气衰变模式可用于正常运行工况或事故运行工况时的核岛放射性废气及核素(如I-131等)的预测计算,通过上述计算结果,我们可以得出结论如下: 就一般而言,冷却塔尾流比冷却塔羽流对核岛放射性影响大; 当核岛废气排出口位置较高时,冷却塔羽流形成的空气动力场直接影响到核岛放射性废气扩散的轨迹; 冷却塔羽流增大了标量扩散场的扩散系数,有利于废气的扩散; 无环境风影响时,羽流垂直上升,对核岛放射性废气扩散基本没有影响; 湍流Schmidt数对环境大气射流场的羽流分布具有较大影响; 非稳态计算结果与稳态计算结果具有一致性,但由于非稳态计算考虑到放射性的衰变,在关注放射性废气扩散动态过程(尤其是核电事故工况)时,采用非稳态模型可以预测羽流及核电放射性废气扩散的范围变化。


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