腐蝕是金屬無時(shí)無刻都需要面對的殘酷敵人，對于裝滿核廢料的鋼筒而言，同腐蝕的斗爭是絕不可能停止的。據(jù)Material Performance 2015年10月1日報(bào)道，意大利面臨的情況就是這樣的，雖然意大利國內(nèi)核能生產(chǎn)已經(jīng)停止，但是因發(fā)電、研究、醫(yī)學(xué)和工業(yè)活動所產(chǎn)生的副產(chǎn)品--低放射性廢料仍需要安全貯存。
 

核廢料貯藏設(shè)備
 

    核廢料貯藏需精確的濕度控制

    位于意大利羅馬的Sogin S.p.A.公司 （全稱：Società Gestione Impianti Nucleari）是意大利一家國有公司，負(fù)責(zé)意大利核設(shè)施的退役和放射性廢料的管理。該公司正在做的一個(gè)項(xiàng)目是針對意大利中部之前設(shè)立的核電站中的一座建筑進(jìn)行整修。該項(xiàng)目的目的是要滿足意大利和國際上對于低放射性廢料臨時(shí)貯藏的要求，直到將這些廢料運(yùn)往一個(gè)永久的國家貯藏地。

    臨時(shí)設(shè)備是一個(gè)單層的矩形空間（30m*15m），分成兩部分。廢料因具有放射性被包裹在混凝土里貯藏在鋼筒中。鋼筒外部直徑為0.8米，第二層包裝的直徑是1米。相對濕度（RH，全稱Relative Humidity）須維持在65%以下（包含65%），從而來防止腐蝕。

    Sogin公司的結(jié)構(gòu)工程師、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)主管Gianluca Barbella說：“需要控制空氣濕度是因?yàn)殇撏膊捎玫牟皇遣讳P鋼，采用混凝土第二層包裝，就意味著除了最初取出來的時(shí)候鋼筒本身都是無法檢查的，因此對腐蝕過程的監(jiān)控?zé)o法持續(xù)進(jìn)行。而且，地點(diǎn)是暴露在相對濕度較高的環(huán)境當(dāng)中。因此，濕度控制非常嚴(yán)格。”

    然而，設(shè)備的預(yù)期使用壽命是25年，這么多年采用暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）維持最佳條件所產(chǎn)生的成本是大量的。除此之外，因?yàn)樵O(shè)備無法擴(kuò)大，暖通空調(diào)系統(tǒng)對空間的需求就會導(dǎo)致貯藏廢料的空間變小。還有，暖通空調(diào)系統(tǒng)的停工期是無法避免的，可能會是因?yàn)樵O(shè)備失靈，也可能會是因?yàn)槎ㄆ跈z修。

    一種可能的選擇就是采用工業(yè)等溫除濕機(jī)，其體型相對較小，靈活可移動，需要的維修保養(yǎng)比較少，而且可以大幅度降低運(yùn)行成本。這些優(yōu)點(diǎn)都基于逆卡諾熱循環(huán)：風(fēng)扇將空氣鼓入裝置，在鼓入過程中，空氣會經(jīng)過一個(gè)蒸發(fā)器冷卻下來，空氣中過量的水分會冷凝成水滴流入一個(gè)水槽。之后空氣會經(jīng)過一個(gè)冷凝器，空氣會被加熱幾度，變成干燥暖空氣后回收到環(huán)境中。

    Sogin公司的項(xiàng)目依賴于數(shù)值模擬來研究兩種不同工業(yè)等溫除濕機(jī)因不同尺寸和配置帶來的影響。模擬可以幫助Sogin公司設(shè)計(jì)出一款簡單、節(jié)能的除濕系統(tǒng)，從而對鋼筒中放射性廢料進(jìn)行腐蝕防護(hù)。這項(xiàng)分析是由Sogin公司機(jī)械設(shè)計(jì)部的Piergianni Geraldini來完成的。其目的是辨認(rèn)設(shè)備的需求，從而確定出空間不同單元的最佳布局（如圖1）。
 

    圖1：該平面圖闡明了臨時(shí)貯藏設(shè)備的空間是如何被分成兩部分的。

    模擬確定最佳布局

    首先，空間中湍動空氣氣流的研究是通過靜止流體流動的研究來實(shí)現(xiàn)的，這項(xiàng)研究基于一個(gè)單相不可壓縮k-epsilon湍流模型。這一模型的目的是要做到當(dāng)除濕機(jī)在使用狀態(tài)中時(shí)在貯藏區(qū)域再現(xiàn)氣流速度場。這些研究的結(jié)果被用于時(shí)間依賴的完全耦合模擬（time-dependent, fully-coupled simulations），研究空間大氣環(huán)境中熱量和水分的轉(zhuǎn)移（見圖2）。所有的模擬都是通過美國馬薩諸薩州伯靈頓COMSOL公司多物理場仿真軟件來實(shí)現(xiàn)的，該通用軟件平臺基于一些先進(jìn)的建模和模擬物理問題的數(shù)值方法和熱量轉(zhuǎn)移模型。全部的研究結(jié)果都被用于開發(fā)除濕機(jī)的最佳布局，幫助工程師們設(shè)計(jì)出一款全新的除濕系統(tǒng)，將渾濁空氣最小化，將運(yùn)轉(zhuǎn)效率最大化，將相對濕度最佳化。
 

    圖2：模擬展示空間中的氣流速度（左圖）和整個(gè)空間的表面相對濕度（右圖），
圖中所示信息來源于不同除濕機(jī)類型和空間中的不同位置。

    Piergianni Geraldini說：“如果沒有如此精確的模擬工具，我們很可能不得不通過用簡化的近似值和裝置生產(chǎn)廠商提供的除濕性能表現(xiàn)曲線來模擬除濕過程；但是這一模擬向我們展示了一種可以解決三維立體熱量和水分轉(zhuǎn)移問題的好方法。”

    Gianluca Barbella說：“COMSOL模擬幫助我們設(shè)計(jì)的布局，是基于可以提供和其他配置相比相同除濕性能的兩種除濕機(jī)，但是這兩種除濕機(jī)包括四部分。我們設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將限制渾濁氣泡，使裝置以最高效率運(yùn)行，一旦設(shè)備完成服役，它會幫助我們減少鋼筒腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

責(zé)任編輯：李玲珊

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