CN112786116A - 基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法 - Google Patents

基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法 Download PDF

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CN112786116A CN202011537287.3A CN202011537287A CN112786116A CN 112786116 A CN112786116 A CN 112786116A CN 202011537287 A CN202011537287 A CN 202011537287A CN 112786116 A CN112786116 A CN 112786116A
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Abstract

本发明涉及一种基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法。所述方法包括以下步骤：估算高放废液贮槽的泄漏量；估算泄漏阶段生成的气载放射性核素量；估算冲洗阶段因蒸发生成的气载放射性核素量；估算由设备室释放至外界环境的气载放射性核素量。本发明的提供的估算方法考虑了不同阶段气溶胶生成规律，能够快速获取设备室气载放射性核素的实时浓度，以及设备室向外界环境释放的放射性核素的活度。

Description

基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法
技术领域
本发明属于事故应急源项估算技术领域，具体涉及一种基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法。
背景技术
高放废液(HLLW)贮槽泄漏事故是高放废液贮存设施设计基准事故。HLLW含有99％以上的裂片元素和未被回收的超铀元素，放射性强，因此HLLW贮槽泄漏的后果比其他溶液泄漏严重。
高放废液贮槽泄漏事故环境释放主要以气载形式释放，气载放射性核素环境释放包括三个阶段：一是泄漏过程的放射性液体中惰性气体从溶液中释放、以及与空气、地板相互作用产生的气溶胶；二是蒸发生成阶段，可分为冲洗前的蒸发和冲洗稀释后的蒸发；三是设备室气溶胶经通风过滤后向环境释放，同时设备室会发生沉积。
美国NRC在《乏燃料后处理过程及事故现象》(NUREG-7232)给出了用于非反应堆设施释放源项估算的五因子公式：
Mar×DR×AFR×RF×LPF
其中：
Mar：操作中的乏燃料放射性存量
DR：损坏比，如储罐破裂，洒落量占初始操作量的份额
AFR：气溶胶释放份额，操作材料中气载化的份额
RF：操作物中可呼吸份额
LPF：泄漏路径因子，风险材料中释放到设施外的份额。如，气载洒落物中可吸入气溶胶跑出设施的份额。
然而，该方法主要用于安全分析，采用保守估计，没有考虑事故过程中不同阶段的气溶胶生成规律，无法对事故过程中工作人员和公众收到的照射进行详细分析。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法，其目的在于考虑高放废液泄漏事故全过程，包括贮槽泄漏过程，不同阶段气溶胶生成规律，快速获取设备室气载放射性核素的实时浓度，以及设备室向外界环境释放的放射性核素的活度。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法。
一种基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法，所述方法包括以下步骤：
步骤(1)、估算高放废液贮槽的泄漏量；
步骤(2)、估算泄漏阶段生成的气载放射性核素量；
步骤(3)、估算冲洗阶段因蒸发生成的气载放射性核素量；
步骤(4)、估算由设备室释放至外界环境的气载放射性核素量。
进一步地，假设贮槽内表面压力为P、初始温度为T0，液面高度H0，容积V和泄漏口高度Hh，破口等效面积为Shole；假设泄漏过程满足：泄漏口相对贮槽几何较小，足够小的时段Δt内处于稳态；在每一个时段内Δt，不考虑贮槽传热损失，泄漏过程为可逆绝热过程；泄漏为恒温过程；
所述步骤(1)中估算高放废液贮槽的泄漏量的方法为：
步骤(a)，采用薄壁小孔模型，根据公式(1)、(2)估算高放废液贮槽的质量泄漏率：
Figure BDA0002853486120000021
P＝ρHLLWghL+Pgas (2)
其中，qs：质量泄漏率，kg/s；
Cd：泄漏系数；
Shole：破口面积，m2；
Pa：大气压，pa；
P：破口处总压，pa；
ρHLLW：高放废液密度，kg/m3；
g：重力加速度，m/s2；
hL：液面到破口的高度差，m；
Pgas：高放废液贮槽气相压力，Pa；
步骤b，由公式(3)求得Δt时间内泄漏高放废液质量：
ΔMleak(t)＝qs(t)×Δt (3)
其中，qs(t)：t时刻高放废液的质量泄漏率，kg/s
步骤c，由公式(4)、(5)、(6)估算高放废液体积减少量ΔV(t)以及高放废液的新体积V(t+Δt)、新液面高度H(t+Δt)：
Figure BDA0002853486120000031
V(t+Δt)＝V(t)-ΔV(t) (5)
Figure BDA0002853486120000032
步骤d，从开始泄漏时刻起，每经过一个循环，增加一个时间步长Δt，即：
ti+1＝ti+Δt；
步骤e，当H(t)≤Hh时，泄漏终止，将所有时间步长Δt内的泄漏量累加即可求得高放废液贮槽的泄漏量。
进一步地，泄漏阶段生成的气载放射性核素量的估算方法包括以下步骤：
步骤a，利用公式(7)、(8)估算泄露的高放废液的气溶胶生成份额；
ARF＝8.9×10-10Arch0.55 (7)
Figure BDA0002853486120000033
其中，
ρair：空气密度，g/cc；
H：洒落高度，cm，超过5m就不适用；
g：重力加速度，981cm/s2；
μ：溶液粘度，Pa·s；
步骤b，利用公式(9)估算泄漏阶段生成的气载放射性核素量
Figure BDA0002853486120000041
其中，
Figure BDA0002853486120000042
泄漏阶段生成的气载放射性核素i的量，Bq
Mleak(t)：泄漏的放射性液体的质量，kg
Figure BDA0002853486120000048
泄漏放射性液体中核素i的浓度，Bq/kg
ARFHLLW:高放废液气溶胶生成份额；
进一步地，冲洗阶段因蒸发生成的气载放射性核素量的估算利用公式(15)：
Figure BDA0002853486120000043
其中，
ρHLLW：高放废液密度，kg/m3；
Figure BDA0002853486120000044
高放废液中核素i的浓度，Bq/kg；
Figure BDA0002853486120000045
冲洗阶段因蒸发产生的气载核素i的活度，Bq；
SHLLW(t)：高放废液蒸发面积，m2；
REvap：高放废液蒸发速率，L/(m2·h)
Figure BDA0002853486120000046
核素i汽液分离系数，无量纲。
进一步地，气载放射性核素由设备室释放至外界环境需要两个步骤：首先进入排风管道逃逸出设备室；然后经过管道沉积和过滤器过滤后最终释放到外界环境。
进一步地，进入排风管道逃逸出设备室的气载放射性核素量的估算方法如下：
步骤a，利用公式(16)估算设备室体积泄漏率α(t)；
Figure BDA0002853486120000047
其中，
F(t)：设备室排风流量，m3/h；
Vfree：设备室自由空间体积，m3；
步骤b，利用公式(17)估算设备室内空气中核素i的浓度：
Figure BDA0002853486120000051
其中，
Ci(t)：设备室空气中核素i的浓度，Bq/m3；
λ：设备室自然去除率常数，1/h；
α：设备室体积泄漏率，1/h；
Ri(t)：设备室气溶胶生成速率，Bq/h；
步骤c，利用公式(18)估算进入排风管道逃逸出设备室的气载放射性核素：
Figure BDA0002853486120000052
Qi(t'→t)：时段t'→t进入排风管道逃逸出设备室的气载核素i活度，Bq。
进一步地，经过管道沉积和过滤器过滤后最终释放到环境的气载放射性核素的估算方法为：
Figure BDA0002853486120000053
其中，
Figure BDA0002853486120000054
时段t'→t经过管道沉积和过滤器过滤后最终释放到环境的气载核素i的活度，Bq；
ηT：气溶胶通过管道的效率，无量纲；
ηIod：碘通过管道的效率，无量纲；
ηnob：惰性气体通过管道的效率，取1.0，无量纲；
ηfilter：过滤效率，无量纲。
进一步地，利用公式(20)估算气溶胶通过管道的效率ηT：
ηT＝(1-ηg)(1-ηturb)(1-ηdiff)(1-ηbend) (20)
其中：
ηT：总的通过效率，无量纲；
ηg：重力沉降份额，无量纲；
ηturb：惯性沉积份额，无量纲；
ηdiff：布朗扩散沉积份额，无量纲
ηbend：弯头沉积份额，无量纲。
进一步地，利用公式(21)、(22)、(23)估算碘通过管道的效率ηIod：
Figure BDA0002853486120000061
Uorg＝e2809/T-19.30 (22)
Uele＝e2809/T-12.50 (23)
其中，
ηIod：碘在管道内总的通过效率，无量纲；
As：管道总的表面积，m2；
T：管道内排气温度，K；
Forg：有机碘份额，无量纲；
Fele：元素碘份额，无量纲；
Fpar：元素碘份额，无量纲；
进一步地，利用公式(24)估算过滤器通过效率：
ηfilter＝1-λfilter (24)；
其中，λfilter：过滤器过滤效率，无量纲。
本发明的有益效果在于：本发明针对现有技术的空白，提供了一种基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法，方法考虑了高放废液贮槽泄漏，不同阶段气溶胶生成规律，能够快速获取设备室气载放射性核素的实时浓度，以及设备室向外界环境释放的放射性核素的活度。该估算方法适用于后处理厂贮槽的破口泄漏源项估算，具有一定的普适性，可应用于不同料液贮槽泄漏破口泄漏源项估算，在后处理设施应急准备与响应方面有很强的使用价值和推广价值。
附图说明
图1为本发明提供的基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法的流程框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
如图1所示，一种基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法，所述方法包括以下步骤：
步骤(1)、估算高放废液贮槽的泄漏量：
假设贮槽内表面压力为P、初始温度为T0，液面高度H0，容积V和泄漏口高度Hh，破口等效面积为Shole；假设泄漏过程满足：泄漏口相对贮槽几何较小，足够小的时段Δt内处于稳态；在每一个时段内Δt，不考虑贮槽传热损失，泄漏过程为可逆绝热过程；泄漏为恒温过程；估算高放废液贮槽的泄漏量的方法为：
步骤(a)，采用薄壁小孔模型，根据公式(1)、(2)估算高放废液贮槽的质量泄漏率：
Figure BDA0002853486120000071
P＝ρHLLWghL+Pgas (2)
其中，qs：质量泄漏率，kg/s；
Cd：泄漏系数；
Shole：破口面积，m2；
Pa：大气压，pa；
P：破口处总压，pa；
ρHLLW：高放废液密度，kg/m3；
g：重力加速度，m/s2；
hL：液面到破口的高度差，m；
Pgas：高放废液贮槽气相压力，Pa；
步骤b，由公式(3)求得Δt时间内泄漏高放废液质量：
ΔMleak(t)＝qs(t)×Δt (3)
其中，qs(t)：t时刻高放废液的质量泄漏率，kg/s
步骤c，由公式(4)、(5)、(6)估算高放废液体积减少量ΔV(t)以及高放废液的新体积V(t+Δt)、新液面高度H(t+Δt)：
Figure BDA0002853486120000072
V(t+Δt)＝V(t)-ΔV(t) (5)
Figure BDA0002853486120000081
步骤d，从开始泄漏时刻起，每经过一个循环，增加一个时间步长Δt，即：
ti+1＝ti+Δt；
步骤e，当H(t)≤Hh时，泄漏终止，将所有时间步长Δt内的泄漏量累加即可求得高放废液贮槽的泄漏量。
步骤(2)、估算泄漏阶段生成的气载放射性核素量，假定释放溶液中含有的惰性气体完全释放的空气中，其他核素按照一定的份额变为气溶胶，估算方法包括以下步骤：
步骤a，利用公式(7)、(8)估算泄露的高放废液的气溶胶生成份额；高放废液泄漏过程中气溶胶生成份额采用美国NRCNUREG/CR-4997给出了液体洒落实验气溶胶释放份额关系式:
ARF＝8.9×10-10Arch0.55 (7)
Figure BDA0002853486120000082
其中，
ρair：空气密度，g/cc；
H：洒落高度，cm，超过5m就不适用；
g：重力加速度，981cm/s2；
μ：溶液粘度，Pa·s；
步骤b，利用公式(9)估算泄漏阶段生成的气载放射性核素量
Figure BDA0002853486120000083
其中，
Figure BDA0002853486120000084
泄漏阶段生成的气载放射性核素i的量，Bq
Mleak(t)：泄漏的放射性液体的质量，kg
Figure BDA0002853486120000085
泄漏放射性液体中核素i的浓度，Bq/kg
ARFHLLW:高放废液气溶胶生成份额。
步骤(3)、估算冲洗阶段因蒸发生成的气载放射性核素量：
冲洗阶段因蒸发生成的气载放射性核素量的估算利用公式(15)：
Figure BDA0002853486120000091
其中，
ρHLLW：高放废液密度，kg/m3；
Figure BDA0002853486120000092
高放废液中核素i的浓度，Bq/kg；
Figure BDA0002853486120000093
冲洗阶段因蒸发产生的气载核素i的活度，Bq；
SHLLW(t)：高放废液蒸发面积，m2；
REvap：高放废液蒸发速率，L/(m2·h)
Figure BDA0002853486120000094
核素i汽液分离系数，无量纲。
步骤(4)、估算由设备室释放至外界环境的气载放射性核素量。
气载放射性核素由设备室释放至外界环境需要两个步骤：首先进入排风管道逃逸出设备室；然后经过管道沉积和过滤器过滤后最终释放到外界环境。
其中进入排风管道逃逸出设备室的气载放射性核素量的估算方法如下：
步骤a，利用公式(16)估算设备室体积泄漏率α(t)；
Figure BDA0002853486120000095
其中，
F(t)：设备室排风流量，m3/h；
Vfree：设备室自由空间体积，m3；
步骤b，利用公式(17)估算设备室内空气中核素i的浓度：
Figure BDA0002853486120000096
其中，
Ci(t)：设备室空气中核素i的浓度，Bq/m3；
λ：设备室自然去除率常数，1/h；
α：设备室体积泄漏率，1/h；
Ri(t)：设备室气溶胶生成速率，Bq/h；
步骤c，利用公式(18)估算进入排风管道逃逸出设备室的气载放射性核素：
Figure BDA0002853486120000101
Qi(t'→t)：时段t'→t进入排风管道逃逸出设备室的气载核素i活度，Bq。
经过管道沉积和过滤器过滤后最终释放到环境的气载放射性核素的估算方法为：
Figure BDA0002853486120000102
其中，
Figure BDA0002853486120000103
时段t'→t经过管道沉积和过滤器过滤后最终释放到环境的气载核素i的活度，Bq；
ηT：气溶胶通过管道的效率，无量纲；
ηIod：碘通过管道的效率，无量纲；
ηnob：惰性气体通过管道的效率，取1.0，无量纲；
ηfilter：过滤效率，无量纲。
其中，估算气溶胶在管道内的通过效率ηT时，气溶胶在管道内的减弱主要考虑重力沉积、惯性性沉积、扩散沉积和弯头沉积，利用公式(20)估算气溶胶通过管道的效率ηT：
ηT＝(1-ηg)(1-ηturb)(1-ηdiff)(1-ηbend) (20)
其中：
ηT：总的通过效率，无量纲；
ηg：重力沉降份额，无量纲；
ηturb：惯性沉积份额，无量纲；
ηdiff：布朗扩散沉积份额，无量纲
ηbend：弯头沉积份额，无量纲。
碘的成分组成包括：有机碘、元素碘和颗粒碘，碘通过管道的效率是各组的加权：利用公式(20)、(21)、(22)、(23)估算碘通过管道的效率：
Figure BDA0002853486120000104
Uorg＝e2809/T-19.30 (22)
Uele＝e2809/T-12.50 (23)
其中，
ηIod：碘在管道内总的通过效率，无量纲；
As：管道总的表面积，m2；
T：管道内排气温度，K；
Forg：有机碘份额，无量纲；
Fele：元素碘份额，无量纲；
Fpar：元素碘份额，无量纲；
利用公式(24)估算过滤器通过效率：
ηfilter＝1-λfilter (24)；
其中，λfilter：过滤器过滤效率，无量纲。
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，倘若对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。上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤(1)、估算高放废液贮槽的泄漏量；
步骤(2)、估算泄漏阶段生成的气载放射性核素量；
步骤(3)、估算冲洗阶段因蒸发生成的气载放射性核素量；
步骤(4)、估算由设备室释放至外界环境的气载放射性核素量。
2.根据权利要求1所述的基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法，其特征在于，假设贮槽内表面压力为P、初始温度为T0，液面高度为H0，容积为V和泄漏口高度为Hh，破口等效面积为Shole；假设泄漏过程满足：泄漏口相对贮槽几何较小，足够小的时段Δt内处于稳态；在每一个时段内Δt，不考虑贮槽传热损失，泄漏过程为可逆绝热过程；泄漏为恒温过程；
所述步骤(1)中估算高放废液贮槽的泄漏量的方法为：
步骤(a)，采用薄壁小孔模型，根据公式(1)、(2)估算高放废液贮槽的质量泄漏率：
Figure FDA0002853486110000011
P＝ρHLLWghL+Pgas (2)
其中，qs：质量泄漏率，kg/s；
Cd：泄漏系数；
Shole：破口面积，m2；
Pa：大气压，pa；
P：破口处总压，pa；
ρHLLW：高放废液密度，kg/m3；
g：重力加速度，m/s2；
hL：液面到破口的高度差，m；
Pgas：高放废液贮槽气相压力，Pa；
步骤b，由公式(3)求得Δt时间内泄漏高放废液质量：
ΔMleak(t)＝qs(t)×Δt (3)
其中，qs(t)：t时刻高放废液的质量泄漏率，kg/s
步骤c，由公式(4)、(5)、(6)估算高放废液体积减少量ΔV(t)以及高放废液的新体积V(t+Δt)、新液面高度H(t+Δt)：
Figure FDA0002853486110000021
V(t+Δt)＝V(t)-ΔV(t) (5)
Figure FDA0002853486110000022
步骤d，从开始泄漏时刻起，每经过一个循环，增加一个时间步长Δt，即：
ti+1＝ti+Δt；
步骤e，当H(t)≤Hh时，泄漏终止，将所有时间步长Δt内的泄漏量累加即可求得高放废液贮槽的泄漏量。
3.根据权利要求1所述的基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法，其特征在于，泄漏阶段生成的气载放射性核素量的估算方法包括以下步骤：
步骤a，利用公式(7)、(8)估算泄露的高放废液的气溶胶生成份额；
ARF＝8.9×10-10Arch0.55 (7)
Figure FDA0002853486110000023
其中，
ρair：空气密度，g/cc；
H：洒落高度，cm，超过5m就不适用；
g：重力加速度，981cm/s2；
μ：溶液粘度，Pa·s；
步骤b，利用公式(9)估算泄漏阶段生成的气载放射性核素量
Figure FDA0002853486110000024
其中，
Figure FDA0002853486110000025
泄漏阶段生成的气载放射性核素i的量，Bq
Mleak(t)：泄漏的放射性液体的质量，kg
Figure FDA0002853486110000031
泄漏放射性液体中核素i的浓度，Bq/kg
ARFHLLW：高放废液气溶胶生成份额。
4.根据权利要求1所述的基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法，其特征在于，冲洗阶段因蒸发生成的气载放射性核素量的估算利用公式(15)：
Figure FDA0002853486110000032
其中，
ρHLLW：高放废液密度，kg/m3；
Figure FDA0002853486110000033
高放废液中核素i的浓度，Bq/kg；
Figure FDA0002853486110000034
冲洗阶段因蒸发产生的气载核素i的活度，Bq；
SHLLW(t)：高放废液蒸发面积，m2；
REvap：高放废液蒸发速率，L/(m2·h)
Figure FDA0002853486110000035
核素i汽液分离系数，无量纲。
5.根据权利要求1所述的基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法，其特征在于，气载放射性核素由设备室释放至外界环境需要两个步骤：首先进入排风管道逃逸出设备室；然后经过管道沉积和过滤器过滤后最终释放到外界环境。
6.根据权利要求5所述的基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法，其特征在于，进入排风管道逃逸出设备室的气载放射性核素量的估算方法如下：
步骤a，利用公式(16)估算设备室体积泄漏率α(t)；
Figure FDA0002853486110000036
其中，
F(t)：设备室排风流量，m3/h；
Vfree：设备室自由空间体积，m3；
步骤b，利用公式(17)估算设备室内空气中核素i的浓度：
Figure FDA0002853486110000041
其中，
Ci(t)：设备室空气中核素i的浓度，Bq/m3；
λ：设备室自然去除率常数，1/h；
α：设备室体积泄漏率，1/h；
Ri(t)：设备室气溶胶生成速率，Bq/h；
步骤c，利用公式(18)估算进入排风管道逃逸出设备室的气载放射性核素：
Figure FDA0002853486110000042
Qi(t'→t)：时段t'→t进入排风管道逃逸出设备室的气载核素i活度，Bq。
7.根据权利要求6所述的基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法，其特征在于，经过管道沉积和过滤器过滤后最终释放到环境的气载放射性核素的估算方法为：
Figure FDA0002853486110000043
其中，
Figure FDA0002853486110000044
时段t'→t经过管道沉积和过滤器过滤后最终释放到环境的气载核素i的活度，Bq；
ηT：气溶胶通过管道的效率，无量纲；
ηIod：碘通过管道的效率，无量纲；
ηnob：惰性气体通过管道的效率，取1.0，无量纲；
ηfilter：过滤效率，无量纲。
8.根据权利要求7所述的基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法，其特征在于，利用公式(20)估算气溶胶通过管道的效率ηT：
ηT＝(1-ηg)(1-ηturb)(1-ηdiff)(1-ηbend) (20)
其中：
ηT：总的通过效率，无量纲；
ηg：重力沉降份额，无量纲；
ηturb：惯性沉积份额，无量纲；
ηdiff：布朗扩散沉积份额，无量纲
ηbend：弯头沉积份额，无量纲。
9.根据权利要求7所述的基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法，其特征在于，利用公式(20)、(21)、(22)、(23)估算碘通过管道的效率：
Figure FDA0002853486110000051
Uorg＝e2809/T-19.30 (22)
Uele＝e2809/T-12.50 (23)
其中，
ηIod：碘在管道内总的通过效率，无量纲；
As：管道总的表面积，m2；
T：管道内排气温度，K；
Forg：有机碘份额，无量纲；
Fele：元素碘份额，无量纲；
Fpar：元素碘份额，无量纲；
10.根据权利要求7所述的基于破口的高放废液泄漏事故应急释放源项估算方法，其特征在于，利用公式(24)估算过滤器通过效率：
ηfilter＝1-λfilter (24)；
其中，λfilter：过滤器过滤效率，无量纲。
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