UF6设施气载释放事故应急评价模型的构建方法技术

本发明专利技术构建了一种UF6设施气载释放事故应急评价模型，包括控制体子模型、化学与热力学子模型、分段扩散子模型。控制体子模型主要模拟UF6的重气特性，化学与热力学子模型主要模拟UF6扩散过程中的化学反应和重气向中性(或正浮性)气体过渡，分段扩散子模型主要针对重气和中性(或正浮性)气体两个阶段进行扩散计算。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，更准确的模拟UF6气体的扩散。

【技术实现步骤摘要】
UF6设施气载释放事故应急评价模型的构建方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案如下：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。本专利技术的有益效果如下：本专利技术以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。具体实施方式本专利技术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的本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一种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。2.如权利要求1所述的UF6设施气载释放事故应急评价模型的构建方法，其特征在于：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；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：

【专利技术属性】
技术研发人员：孙树堂，张建岗，李国强，冯宗洋，贾林胜，汤荣耀，杨亚鹏，徐潇潇，
申请(专利权)人：中国辐射防护研究院，
类型：发明
国别省市：山西,14