《Study on the representativeness of airborne effluent sampling in the stack of a high-temperature gas-cooled pebble-bed modular reactor》该文章于2021年8月发表在核科学领域内知名期刊《Annals of Nuclear Energy》上。
概要
论文基于计算流体力学(CFD)方法，系统研究了高温气冷堆球床模块(HTR-PM)烟囱内气态流出物的流动与混合特性，旨在确定符合国际标准(ISO 2889)要求的代表性采样位置。研究团队构建了包含主风道、双支管、混合室及双弯头的全尺寸三维通风模型，采用k–ε湍流模型和Euler–Lagrange离散相模型，模拟了三种工况(正常运行、停堆及事故)下的流场分布、示踪气体(SF6)浓度场及气溶胶粒子沉积规律。通过计算气旋角、速度变异系数(COV)及浓度COV等指标，论文定量评估了不同截面气流的混合均匀性，并结合ISO 2889判据确定了最优取样截面区间(y=44.5–47m)。结果表明，该断面区域满足全部均匀性标准要求，是可代表堆栈整体排放特征的理想取样点。研究同时揭示，混合室与弯头在促进流场均匀化的同时也会增强气溶胶沉积，为后续系统优化提供了依据。该工作为先进反应堆气态排放监测系统的代表性设计与验证提供了重要的技术路径。
关键词
气态流出物;取样代表性;高温气冷堆(HTR-PM);计算流体力学(CFD);ISO 2889标准
创新性
1. 首次建立基于HTR-PM真实几何与通风参数的全尺寸CFD模型，系统揭示混合室与弯头结构在改善烟囱流场均匀性方面的物理机制。
2. 采用双示踪法(气相SF6与气溶胶粒子)，实现了对气体与颗粒两相混合特性的同步量化评估，构建了综合的代表性判定指标体系。
3. 提出面向工程验证的多指标综合判据体系(气旋角、速度COV、浓度COV及沉积率)，实现了取样代表性由定性经验向定量评估的转变。
4. 研究结果直接服务于HTR-PM示范电站气态排放监测系统设计，为非PWR堆型烟囱代表性验证提供了首个实证化案例，填补了领域空白。
研究背景
在核电厂的运行与环境辐射监测中，烟囱气态流出物的代表性采样是国际标准(如ISO-2889、ANSI/HPS N13.1)所强调的核心要求。只有当采样点处气流充分混合、流速与浓度均匀，监测数据才能真实反映整个烟囱的排放特征。然而，针对高温气冷堆(HTR-PM)这类新型反应堆，其通风系统与传统压水堆差异显著，存在多分支通道、复杂混合室及多弯头结构，导致流场内存在显著的旋流与非均匀混合现象。传统实验验证往往依赖缩比模型或经验选点，难以兼顾结构复杂性与流动相似性;而仅凭标准经验并不能保证采样代表性。因此，基于CFD的数值仿真成为定量评估流场均匀性与指导采样点布设的有效手段。本研究正是在此背景下，针对HTR-PM示范堆的烟囱系统开展的系统性代表性验证工作。
研究意义
1. 本研究提出的CFD验证方法为先进核反应堆烟囱取样代表性设计提供了可量化、可重复的技术框架，推动了核设施监测从经验走向定量化。
2. 研究结果揭示了混合室、弯头与多入口流动结构对流场混合均匀性的影响规律，为采样口位置选择与烟囱结构优化提供了直接依据。
3. 该工作不仅支撑了HTR-PM排放监测系统的工程设计验证，也为未来第四代反应堆与后处理设施的气态取样代表性研究提供了可推广的方法论。
