TBM氚提取系统事故性氚释放的模拟研究

摘要

氚提取系统（TES）是实验包层模块（TBM）涉氚系统的三大子系统之一，其主要作用是将包层产生的氚分离、纯化提取并储存。TES氚泄漏释放事故的发生将造成对工作人员和公众的辐射危害，必须设计相应的除氚系统以控制氚在安全剂量值内。为了分析事故性释放的氚行为和除氚行为，开展了TES事故性氚释放的模拟研究工作。
　　TES采用三重包容设计，氚组件或设备安置于次级包容手套箱内，手套箱阻碍氚向操作室的扩散，但手套箱仍具有一定的泄漏率，因此，氚释放事故发生时，氚在手套箱和操作室两区域扩散。然而，目前相关的气体扩散研究中仅涉及一个区域的扩散，而且在采用FLUENT数值模拟时尚未发现在手套箱分界面设置泄漏率等相关参数，使氚组件泄漏后氚既能在手套箱扩散又能在操作室内扩散，从而使泄漏扩散模拟更加符合实际。针对以上问题，本论文作了以下研究工作：
　　（1）采用FMECA方法对TBM氚提取系统进行了安全分析，把TES事故分为四个等级，分别为Ⅰ级为安全的；Ⅱ级为临界的；Ⅲ级为危险的；Ⅳ级为严重的。结果得到回流换热器的外泄漏为Ⅱ级（临界的）事故等级；低温分子筛的床子破裂为Ⅲ级（危险的）事故等级；Pd/Ag扩散器的内外壁破裂和氢同位素分离系统的分离柱破裂为Ⅳ级（严重的）事故等级。把Pd/Ag扩散器和氢同位素分离柱的泄漏事故作为TES的最大可信事故。
　　（2）根据TES手套箱和操作室的实际尺寸，建立了3D几何模型，基于计算流体力学（CFD）方法，采用 FLUENT软件模拟了回流换热器的氚泄漏扩散和Pd/Ag扩散器的氚泄漏扩散，分析了通风对氚泄漏扩散及浓度分布的影响。建模时在手套箱套壁开了10mm小孔以便解决氚既能在手套箱扩散又能在操作室内扩散的问题。模拟得到回流换热器的氚泄漏事故对操作室未造成辐射危害，操作室内的氚浓度在104Bq/m3量级。
　　Pd/Ag扩散器泄漏的氚在操作室先很快地上升到氚安全剂量值，然后达到最大值后氚浓度开始下降。20次/h和15次/h的换气时室内危险持续最长时间分别是712s、3020s，在模拟截止时间1800s和3300s时室内氚浓度分别在2.73×109Bq/m3~4.43×109Bq/m3、8.62×109Bq/m3~1.35×1010Bq/m3范围。室内8次/h换气时在模拟截止时间8400s时氚浓度在1.47×1010Bq/m3~2.34×1010Bq/m3范围，仍有部分位置氚浓度高于安全值2.0×1010Bq/m3；5次/h换气时室内氚浓度在10800s时仍未下降到安全剂量值，其浓度范围为7.42×1011Bq/m3~1.14×1012Bq/m3。而在4种通风条件下手套箱氚浓度在1015Bq/m3量级，远大于操作室内氚浓度。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 国内外研究现状及进展

1.4 论文的研究内容

第2章 TBM氚提取系统事故分析

2.1 TES工艺及除氚系统

2.2 TES氚事故分析

2.3 确定TES事故等级

2.4 本章小结

第3章 TES临界泄漏扩散数值模拟

3.1 CFD方法简介

3.2 TES临界泄漏扩散计算模型

3.3 基于FLUENT的泄漏与扩散模拟

3.4 模拟结果及分析

3.5 本章小结

第4章 TES最大可信事故泄漏扩散数值模拟

4.1 TES最大可信事故模型

4.2 边界条件和初始条件

4.3 通风对氚泄漏扩散的影响

4.4 模拟实验结果对比分析

4.5 事故除氚分析

4.6 本章小结

第5章 结论、创新点和展望

5.1 论文研究结论

5.2 论文的创新点

5.3 研究展望

参考文献

作者攻读学位期间的科研成果

致谢