CN110489789B - 一种核设施退役环境中放射性气体扩散评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核设施退役环境中放射性气体扩散评估方法，属于核退役仿真领域。包括构建退役场景数学模型；采用均匀球形烟团模型模拟放射性气体的扩散；使用退役场景的数学模型对均匀球形烟团模型进行修正；计算放射性气体的活度分布，实现退役环境中放射性气体的扩散评估。本发明采用均匀球形烟团模型模拟放射性气体的扩散；考虑了实际退役场景对模型的影响，实现了核设施退役环境中放射性气体浓度分布的动态计算。本发明开发出了一种实时、高效的核设施退役环境中放射性气体扩散评估仿真方法，对核设施退役仿真具有重大的实际意义，应用前景广阔。

Description

一种核设施退役环境中放射性气体扩散评估方法

技术领域

本发明涉及一种核设施退役环境中放射性气体扩散评估方法，属于核退役仿真领域。

背景技术

核设施退役活动会产生大量的放射性气体。为了保证工人在退役活动中的安全，减少放射性气体对工人的内照射，必须分析和评估放射性气体的分布情况。

最早开发的放射性气体扩散模型是高斯模型，它主要应用于点源的扩散研究，包括高斯烟羽模型和高斯烟团模型。前者应用于连续源的扩散研究，后者应用于瞬时泄漏的扩散研究。CFD模拟流体流动是解决气体流动的新兴方法。CFD将数值计算方法和数据可视化技术有机结合起来，能够对流动、换热等相关物理现象进行模拟分析。但由于退役场景空间大，设备所占空间多，空气流通缓慢且放射性气体泄露点多，现有的这些气体扩散模型并不适用于退役场景放射性气体的扩散模拟。

综上所述，开发出一种实时、高效的核设施退役环境中放射性气体扩散评估仿真方法对核设施退役仿真具有重大的实际意义。

发明内容

本发明的目的是为了开发出一种实时、高效的核设施退役环境中放射性气体扩散评估仿真方法而提供一种核设施退役环境中放射性气体扩散评估方法。

本发明的目的是这样实现的，一种核设施退役环境中放射性气体扩散评估方法，具体包括以下步骤：

步骤1、根据核设施退役场景的参数构建虚拟退役环境的数学模型；

步骤2、构建放射性气体均匀球形烟团模型；

步骤3、考虑厂房对模型的影响；

步骤4、考虑退役场景对模型的影响；

步骤5、考虑多个泄露点对模型的影响；

步骤6、考虑排风管道对模型的影响。

本发明还包括这样一些结构特征：

1、步骤1所述数学模型包括厂房、设备、墙体，使用数学公式描述。

2、所述步骤2具体为：放射性气体均匀球形模型通过连续释放一系列球形均匀浓度烟团来模拟放射性气体的扩散，某个空间位置的气体浓度，是所有包含该位置的烟团浓度的累加和，在t时刻时，均匀球形烟团模型的形状公式为：

(x-x_i,t(j))²+(y-y_i,t(j))²+(z-z_i,t(j))²≤R_i,t(j)²

式中，x_i,t(j)、y_i,t(j)、z_i,t(j)为第i个泄露点释放的第j个烟团的中心位置，可根据泄露点的坐标与厂房内气体的流通速度计算得到；R_i(j)是球形烟团模型的半径，可根据放射性气体的扩散速度获得，球形烟团模型内放射性气体的浓度为：

式中，C_i,t(j)为t时刻第i个泄露点释放的第j个烟团内放射性气体的浓度，Bq/m³；Q_i(j)为第i个泄露点释放第j个烟团时泄露点处放射性气体的释放率，Bq/s；△t为泄露点释放相邻气团的时间间隔，s；V_i,t(j)是t时刻第i个泄露点释放的第j个烟团的体积，单位是m³，理想情况下，烟团模型的体积为：

3、所述步骤3具体为：考虑放射性气体烟团形状受到厂房空间的限制，将均匀球形烟团模型的形状公式公式修正为：

式中，x_min、y_min、z_min、x_max、y_max、z_max为厂房空间的边界，烟团的体积修正后为：

其中，V_out为烟团在厂房边界外的体积。

4、所述步骤4具体为：考虑放射性气体烟团模型与场景的数学模型差运算，对烟团形状公式进行修正，修正后烟团的体积为：

其中，V_in为烟团与核设施相交部分的体积。

5、所述步骤5具体为：由于核退役场景中放射性气体泄露点多，且每个烟团都是独立的，因此各空间位置处放射性气体的浓度，为所有泄露点产生的包含该位置烟团的浓度的累加和。

6、所述步骤6具体为：当烟团与排风管道相接时，烟团模型形状不变，单位时间内通过排风管道排走的气体活度为烟团的浓度乘以排风管的气体流量，修正后烟团的浓度为：

其中，V_f为单位时间内排风管道抽走气体的体积。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明开发出一种基于数学建模方法，将放射性气体简化为内部均匀的球形烟团模型，并动态的计算放射性气体空间分布的仿真方法。本发明实现了采用均匀球形烟团模型模拟放射性气体的扩散；本发明考虑了实际退役场景对模型的影响，实现了放射性气体浓度分布的动态计算。

附图说明

图1是(x,y,z)位置处放射性气体的浓度；

图2是放射性气体扩散过程中体积受厂房空间的限制；

图3是放射性气体扩散过程中体积受场景设施的影响；

图4是多泄露点情况下(x,y,z)位置处的放射性气体的浓度；

图5是放射性气体扩散过程中受排风管道的影响。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如附图所示，图1是(x,y,z)位置处放射性气体的浓度；图2是放射性气体扩散过程中体积受厂房空间的限制；图3是放射性气体扩散过程中体积受场景设施的影响；图4是多泄露点情况下(x,y,z)位置处的放射性气体的浓度；图5是放射性气体扩散过程中受排风管道的影响。

本发明提出一种针对核退役环境中泄露的放射性气体，采用均匀球形烟团模型模拟放射性气体的扩散，并动态的计算放射性气体浓度分布的仿真方法。

本发明采用C++语言编程，主要功能为：构建退役场景的数学模型，并采用均匀球形烟团模型模拟放射性气体的扩散，使用退役场景的数学模型对均匀球形烟团模型进行修正，最终计算放射性气体的活度分布。整个发明包括退役环境建模、均匀球形烟团模型建模、放射性气体浓度分布计算三个模块。

本发明采用以下技术方案：

1、根据核设施退役场景的参数构建虚拟退役环境的数学模型。

根据核设施退役场景的确定参数，构建退役环境的数学模型。数学模型包括厂房、设备、墙体等，可以使用数学公式进行描述。

2、构建放射性气体均匀球形烟团模型。

放射性气体均匀球形烟团模型有以下假设条件：

(a)、泄露处每次产生的烟团是有边界的圆球形，且烟团内放射性气体的浓度分布均匀；

(b)、扩散气体与实物接触时完全不吸收；

(c)、忽略浮力及重力作用，气团中不发生化学反应；

(d)、放射性气体扩散速度不随时间变化，即为匀速向四周扩散；

(e)、气团中心的移动速度等于环境风速。

放射性气体均匀球形模型通过连续释放一系列球形均匀浓度烟团来模拟放射性气体的扩散。在扩散过程中，每个烟团都具有独立行为，不断发生空间位移与形状改变。某个空间位置的气体浓度，是所有包含该位置的烟团浓度的累加和。如图1所示，在放射性气体泄漏持续时间内，泄露源释放了3个烟团，则在(x,y,z)位置处放射性气体的浓度等价为包含该位置所有烟团浓度的叠加。

在t时刻时，均匀球形烟团模型的形状公式为：

(x-x_i,t(j))²+(y-y_i,t(j))²+(z-z_i,t(j))²≤R_i,t(j)²

式中，x_i,t(j)、y_i,t(j)、z_i,t(j)为第i个泄露点释放的第j个烟团的中心位置，可根据泄露点的坐标与厂房内的气体的流通速度计算得到；R_i(j)是球形烟团模型的半径，可根据放射性气体的扩散速度获得。

根据假设条件，烟团内放射性气体的浓度是均匀分布的，因此球形烟团模型内放射性气体的浓度为：

式中，C_i,t(j)为t时刻第i个泄露点释放的第j个烟团内放射性气体的浓度，Bq/m³；Q_i(j)为第i个泄露点释放第j个烟团时泄露点处放射性气体的释放率，Bq/s；△t为泄露点释放相邻气团的时间间隔，s；V_i,t(j)是t时刻第i个泄露点释放的第j个烟团的体积，m³。在理想情况下，均匀球形烟团模型为圆球形，体积为：

3、考虑厂房对模型的影响。

放射性气体扩散形状会受到厂房空间的限制，因此需要对烟团形状公式进行修正：

式中，x_min、y_min、z_min、x_max、y_max、z_max为厂房空间的边界。如图2所示，烟团的体积修正后为：

其中，V_out为烟团在厂房边界外的体积。

4、考虑退役场景对模型的影响。

核退役场景中的设施体积巨大，会影响放射性气体的扩散。因此需要对烟团模型与场景的数学模型进行差运算，对烟团形状公式进行修正。如图3所示，烟团的体积修正后为：

其中，V_in为烟团与核设施相交部分的体积。

5、考虑多个泄露点对模型的影响。

核退役场景中，放射性气体泄露点多，且每个泄露点的泄露量也不相同。如图4所示，由于每个烟团都是独立的，因此(x,y,z)位置处的放射性气体的浓度，为所有泄露点产生的包含该位置烟团的浓度的累加和。

6、考虑排风管道对模型的影响。

放射性气体会通过排风管道，经过滤、吸收等操作后排放到外界环境。如图5所示，当烟团与排风管道相接时，假设模型形状不变，则单位时间内通过排风管道排走的气体活度为烟团的浓度乘以排风管的气体流量。修正后烟团的浓度为：

其中，V_f为单位时间内排风管道抽走气体的体积。

综上，本发明公开一种核设施退役环境中放射性气体扩散评估方法，具体涉及一种针对核退役环境中泄露的放射性气体，采用均匀球形烟团模型模拟放射性气体的扩散，并动态的计算放射性气体浓度分布的仿真方法。本发明包括：构建退役场景数学模型；采用均匀球形烟团模型模拟放射性气体的扩散；使用退役场景的数学模型对均匀球形烟团模型进行修正；计算放射性气体的活度分布，实现退役环境中放射性气体的扩散评估。本发明包括退役环境建模、均匀球形烟团模型建模、放射性气体浓度分布计算三个模块，实现了核设施退役环境中放射性气体扩散的动态计算。

Claims (3)

1.一种核设施退役环境中放射性气体扩散评估方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、根据核设施退役场景的参数构建虚拟退役环境的数学模型；

步骤2、构建放射性气体均匀球形烟团模型；

放射性气体均匀球形模型通过连续释放一系列球形均匀浓度烟团来模拟放射性气体的扩散，某个空间位置的气体浓度，是所有包含该位置的烟团浓度的累加和，在t时刻时，均匀球形烟团模型的形状公式为：

(x-x_i,t(j))²+(y-y_i,t(j))²+(z-z_i,t(j))²≤R_i,t(j)²

式中，x_i,t(j)、y_i,t(j)、z_i,t(j)为第i个泄露点释放的第j个烟团的中心位置，可根据泄露点的坐标与厂房内气体的流通速度计算得到；R_i，t(j)是球形烟团模型的半径，可根据放射性气体的扩散速度获得，球形烟团模型内放射性气体的浓度为：

式中，C_i,t(j)为t时刻第i个泄露点释放的第j个烟团内放射性气体的浓度，Bq/m³；Q_i(j)为第i个泄露点释放第j个烟团时泄露点处放射性气体的释放率，Bq/s；△t为泄露点释放相邻气团的时间间隔，s；V_i,t(j)是t时刻第i个泄露点释放的第j个烟团的体积，单位是m³，理想情况下，烟团模型的体积为：

步骤3、考虑厂房对模型的影响；

考虑放射性气体烟团形状受到厂房空间的限制，将均匀球形烟团模型的形状公式修正为：

式中，x_min、y_min、z_min、x_max、y_max、z_max为厂房空间的边界，烟团的体积修正后为：

其中，V_out为烟团在厂房边界外的体积；

步骤4、考虑退役场景对模型的影响；

考虑放射性气体烟团模型与场景的数学模型差运算，对烟团形状公式进行修正，修正后烟团的体积为：

其中，V_in为烟团与核设施相交部分的体积；

步骤5、考虑多个泄露点对模型的影响；

步骤6、考虑排风管道对模型的影响；

当烟团与排风管道相接时，烟团模型形状不变，单位时间内通过排风管道排走的气体活度为烟团的浓度乘以排风管的气体流量，修正后烟团的浓度为：

其中，V_f为单位时间内排风管道抽走气体的体积。

2.根据权利要求1所述一种核设施退役环境中放射性气体扩散评估方法，其特征在于，步骤1所述数学模型包括厂房、设备、墙体，使用数学公式描述。

3.根据权利要求2所述一种核设施退役环境中放射性气体扩散评估方法，其特征在于，所述步骤5具体为：由于核退役场景中放射性气体泄露点多，且每个烟团都是独立的，因此各空间位置处放射性气体的浓度，为所有泄露点产生的包含该位置烟团的浓度的累加和。

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