腐蝕是金屬無時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Material Performance 2015年10月1日報道，意大利面臨的情況就是這樣的，雖然意大利國內核能生產已經停止，但是因發電、研究、醫學和工業活動所產生的副產品--低放射性廢料仍需要安全貯存。
 

核廢料貯藏設備
 

    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，負責意大利核設施的退役和放射性廢料的管理。該公司正在做的一個項目是針對意大利中部之前設立的核電站中的一座建筑進行整修。該項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貯藏的要求，直到將這些廢料運往一個永久的國家貯藏地。

    臨時設備是一個單層的矩形空間（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公司的結構工程師、項目團隊主管Gianluca Barbella說：“需要控制空氣濕度是因為鋼筒采用的不是不銹鋼，采用混凝土第二層包裝，就意味著除了最初取出來的時候鋼筒本身都是無法檢查的，因此對腐蝕過程的監控無法持續進行。而且，地點是暴露在相對濕度較高的環境當中。因此，濕度控制非常嚴格。”

    然而，設備的預期使用壽命是25年，這么多年采用暖通空調系統（HVAC）維持最佳條件所產生的成本是大量的。除此之外，因為設備無法擴大，暖通空調系統對空間的需求就會導致貯藏廢料的空間變小。還有，暖通空調系統的停工期是無法避免的，可能會是因為設備失靈，也可能會是因為定期檢修。

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

    Sogin公司的項目依賴于數值模擬來研究兩種不同工業等溫除濕機因不同尺寸和配置帶來的影響。模擬可以幫助Sogin公司設計出一款簡單、節能的除濕系統，從而對鋼筒中放射性廢料進行腐蝕防護。這項分析是由Sogin公司機械設計部的Piergianni Geraldini來完成的。其目的是辨認設備的需求，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貯藏設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現的，這項研究基于一個單相不可壓縮k-epsilon湍流模型。這一模型的目的是要做到當除濕機在使用狀態中時在貯藏區域再現氣流速度場。這些研究的結果被用于時間依賴的完全耦合模擬（time-dependent, fully-coupled simulations），研究空間大氣環境中熱量和水分的轉移（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現的，該通用軟件平臺基于一些先進的建模和模擬物理問題的數值方法和熱量轉移模型。全部的研究結果都被用于開發除濕機的最佳布局，幫助工程師們設計出一款全新的除濕系統，將渾濁空氣最小化，將運轉效率最大化，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廠商提供的除濕性能表現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移問題的好方法。”

    Gianluca Barbella說：“COMSOL模擬幫助我們設計的布局，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，但是這兩種除濕機包括四部分。我們設計的系統將限制渾濁氣泡，使裝置以最高效率運行，一旦設備完成服役，它會幫助我們減少鋼筒腐蝕的風險。

責任編輯：李玲珊

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