拉格朗日烟团模型在核事故早期应急决策中的应用

ISSN 1000-0054 CN 11-2223/ N 　 清华大学学报 (自然科学版) J T singh ua Un iv ( Sci & Tech ) , 2000年 第 40 卷 第 12期 2000, Vo l. 40, No . 12 3/ 28 6 9 　 拉格朗日烟团模型在核事故早期应急决策中的应用* 余　琦, 　刘原中 (清华大学 核能技术 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究院, 北京 100084) 　　收稿日期: 2000-03-28 　　作者简介: 余琦( 1974-) , 女(汉) , 江西, 博士研究生。 　* 基金项目: 国家“九五”科技攻关项目( 85-213-05-01) 文　摘: 研究干预水平和气象条件对核事故早期应急决策 的影响。利用 Lag rang ian 烟团模型 RIM PUFF 预测 PWR6 事故时相应于稳定和不稳定气象条件下的剂量分布; 考虑 了由国家核安全局和国家环保局联合发布的安全导则《核事 故辐射应急时对公众防护的干预原则和水平》( HAF0703/ NEPA9002) 中的干预水平和 IAEA 新推荐的干预水平。 PWR6 事故条件下, 采用各种实时气象条件的计算结果表 明, 隐蔽和服稳定碘的区域的半径为 10 km 范围, 撤离区的 半径为 5 km。两种干预水平在应急行动范围方面的差异主 要体现在隐蔽区域上, 后者给出的隐蔽区域比前者给出的区 域小很多。干预水平与气象条件对早期应急决策的影响是很 大的。 关键词: 核事故; 早期应急防护措施; 干预水平; L ag rang ian 烟团模型 中图分类号: T L 73; X 16 文献标识码: A 文 章 编 号: 1000-0054( 2000) 12-0006-04 　　Chernobyl事故后, 人们发现对任何核事故进 行协调统一的厂外应急管理是必需的,也是重要的。 计算机系统提供的应急管理可以对事故的放射性影 响作出快速而可靠的预测和评价, 并且可以用来为 应急行动和对策的强制执行提供又快又好的决策。 1997 年, 我国引进了 RODOS ( real-time online decision support system for off-site emergency management )系统。它根据事故源项和实时输入的 气象数据,对当前和未来的辐射情景作出 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和预 测; 并且模拟可能的对策(如隐蔽、撤离、服用稳定 碘片、食物禁止和迁避等) ,确定它们的可行性以及 利弊的定量化。 本文针对特定的源项 PWR6利用 Lagrangian 烟团模型进行早期应急决策研究。 1　源项及其他 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 采用 PWR6源项。对该源项, 事故发生到开始 释放的时间为 12 h, 释放持续时间为 10 h, 预计堆 芯熔化到释放的时间为 1 h, 释放高度为 0 m, 释热 率为 0 W, 放射性物质的释放放射性份额 �如表 1 所示。表 2中给出了计算所用的堆芯放射性活度 A 总量。 表 1　PWR6的释放放射性份额 � 放射性物质 � 放射性物质 � Xe-Kr 0. 3 T e-Sb 1×10- 3 有机 I 2×10- 3 Ba-Sr 9×10- 5 I 8×10- 4 Ru* 7×10- 5 Cs-Rb 8×10- 4 La* * 1×10- 5 　　* 包括 Mo , Rh, Tc, Co , Ru; 　　* * 包括 Nd, Y , Ce, Pr , La , Nb, Am, Cm, Pu, Np, Zr。 表 2　堆芯活度总量 核素名 A / EBq 核素名 A / EBq 核素名 A / EBq 88Kr 2. 13 131I 2. 82 133Xe 5. 88 89Sr 3. 00 132I 4. 11 135Xe 1. 16 90Sr 13. 6 133I 5. 87 134Cs 21. 1 131Te 41. 6 134I 6. 35 137Cs 18. 4 132Te 4. 07 135I 5. 45 140Ba 5. 17 　　* 1 EBq= 1018 Bq. 2　大气弥散模型 RIMPUFF RIMPUFF 模型是一个 Lag rang ian 烟团模型。 该模型通过一系列烟团的顺序释放来模拟连续烟羽 的释放。它不仅能模拟烟羽的长期平均形态, 而且还 可以模拟烟羽的短期行为。即使是在非均匀稳定的 条件下,也可通过相应的实际风场,来模拟不断变化 的短期烟羽形状。 2. 1　浓度计算公式 考虑点源的情况。假定污染物浓度分布呈三维 的正态分布, 则单个烟团造成的浓度分布可由下式 获得: C( x , y , z ) = A ( 2�) 3�x�y�z � exp - 1 2 x - x c�x 2 - 1 2 y - y c�y 2 � �∞ n= - ∞ exp - 1 2 z - z c + 2nZ inv�z 2 + exp - 1 2 z + z c + 2nZinv�z 2 , 其中: A 为烟团中放射性物质的活度; x c, y c 和 z c 为烟团的中心坐标; Z inv为逆温层顶的高度; �x , �y 和 �z 为分别为烟团的水平和垂直扩散参数; x , y 和 z 为空间任意点的坐标。 模式中同时考虑了干湿沉积和放射性衰变等清 除过程。每个网格点上的浓度由所有的烟团的贡献 叠加得到。 2. 2　流场模式 RIMPU FF 模型由气象预处理程序和风场模块 提供流场数据。气象预处理程序根据气象塔测量数 据,包括云量、净辐射、风速、风向和垂向温度廓线 等, 计算出所需的参数如稳定度类别、Monin- Obukhov 长度、混合层高度、热通量、摩擦速率以及 风速和温度的平均廓线等。模型根据输入的数据种 类来选择适当的预处理程序进行运算。 RIMPU FF 模型利用风场模型 LINCOM 产生 的诊断风场来输送烟团。LINCOM 模型提供的风场 能反映出地形起伏和粗糙度变化对风场造成的 扰动。 RIMPU FF 的风场模块可以采用单个气象站的 测量数据作为输入数据,也可以利用多个气象站的 测量结果来产生更为接近真实情况的风场。 2. 3　烟团的分裂措施 在近距离范围内, 由于流场相对均匀, 所以用烟 团中心代表整个烟团进行输送与扩散是允许的。但 当烟团传输距离增加, 流场特性可能变得不均匀,烟 团中心处的流场特性不再代表整个烟团所处区域的 流场特性。因此RIMPUFF 模型采取了烟团的分裂 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 来减少计算误差。 当烟团的尺寸增加到一定限值时,原始烟团将 被分裂成 3～5个小烟团,以这些小烟团代替原始的 大烟团继续在特定的流场中进行输送与扩散。在复 杂地形条件下, 采用水平分裂烟团的方法; 考虑风 切变的影响时, 则采用垂直分裂烟团的方法。 3　事故早期应急措施模型 EMERSIM 模型是核事故应急决策支持系统 RODOS 的事故早期应急措施模型。事故早期所采 取的应急行动主要有隐蔽,撤离和服稳定碘。 为了确定以可避免剂量表示的行动区域, 对 EMERSIM 模型进行了修改。修改后的模型首先按 照以潜在剂量表示的干预水平确定应急行动范围, 然后根据行动后避免的剂量值对上述应急行动区进 行评价, 得到以可避免剂量表示的干预水平所确定 的应急行动区域。 4　事故后果分析 4. 1　比较稳定的气象条件 首先考虑气象条件比较稳定时事故后果。采用 的气象序列如表 3所示, 0时刻即释放开始时刻。这 一气象序列是通过分层取样程序从大亚湾核电站 1992年 8 760个气象序列中选出的一个发生频率较 大的气象序列[ 3] ,其起始时刻为 2 062 h。其中 t 为 时间, u 为风速, �为风向, S 为稳定度级别( E 对 应弱稳定) , R 为降雨强度。 表 3　气象序列 1 t/ h u/ ( m�s- 1) �/ (°) S R/ ( mm�h- 1) 0 2. 5 67. 0 E 0. 0 1 2. 8 112. 0 E 0. 0 2 3. 1 90. 0 E 0. 0 3 2. 7 90. 0 E 0. 0 4 3. 0 112. 0 E 0. 0 5 3. 6 90. 0 E 0. 0 6 2. 7 112. 0 E 0. 0 7 3. 1 90. 0 E 0. 0 8 2. 7 112. 0 E 0. 0 9 2. 3 135. 0 E 0. 0 10 2. 2 112. 0 E 0. 5 11 1. 9 112. 0 E 0. 5 12 2. 1 90. 0 E 0. 0 13 1. 8 90. 0 E 0. 0 14 1. 8 67. 0 E 0. 0 15 2. 1 90. 0 E 0. 0 16 2. 8 90. 0 E 0. 0 　　浓度/剂量分布 计算中考虑的核素共 15种, 见表 2。图 1所示 为气象序列 1对应的未采取任何应急措施时的剂量 7余　琦, 等: 　拉格朗日烟团模型在核事故早期应急决策中的应用 分布,吸入剂量为 50 a积分值。图 1中, H s为总有 效剂量当量。 计算中采用 41 km×41 km 的网格系统, 网格 单元为 1 km×1 km。气象序列 1条件下,取释放点 (即图中同心圆的圆心)的网格坐标为( 33, 16) ,所 以圆心以东 33 km 以外没有结果显示。3种主要照 射途径中,吸入内照射剂量在总有效剂量中所占比 例最高,地面沉积(干+ 湿)外照射剂量的比例最小。 图 1　气象序列 1 对应的剂量分布 由于释放时间长达 10 h, 在气象序列1条件下, 烟云在计算区域中的总停留时间约为 15 h。由剂量 分布可见,由于烟云的停留期间风向变化大于 60°, 使得放射性物质的影响面积比较大,降低了峰值浓 度/剂量。图 1( a )中, 最大 H s 值为 60 mSv (离源 1 km 处) , 4 km 半径范围内全身剂量值均小于 10 mSv, 7 km 半径范围内全身剂量值均小于 5 mSv。 　　事故早期的应急行动区域 根据剂量计算结果,可以确定需要采取应急措 施的范围。本文采用两种干预水平来确定应急行动 区域, 一是由国家核安全局和国家环保局联合发布 的安全导则《核事故辐射应急时对公众防护的干预 原则和水平》( HAF0703/ NEPA9002)中适于早期防 护措施的干预水平的下限值,如表 4所示, 以潜在剂 量表示; 另一种是 IAEA 新推荐的干预水平[ 4] , 如 表 4所示,它们是以可避免剂量表示的,同时为了避 免确定性效应的发生, 还规定了发生确定性效应的 剂量阈值,以 2 d内吸收剂量 D 表示如表 5所示(本 文仅考虑所列的几种器官)。 　　图 2为第一种干预水平确定的事故早期应急行 动区域。当网格中潜在剂量高于干预水平值时, 采取 相应的应急措施。由图2可见,隐蔽区和服稳定碘区 的半径都小于 10 km,撤离区的半径约为 1～2 km。 表 4　采用的干预水平和应急防护时间参数 措施 潜在剂量表示的干预水平 全身 剂量 H / m Sv 肺、甲状腺和其它 主要受照的单个 器官剂量 H / mS v 可避免剂 量表示的 干预水平 H / mSv 时间/ h 开始 　 　 结束 　 　 隐蔽 5 50 10 12 32 服稳定碘 - 50 50 12 - 撤离 50 500 * 1 5 　　* 100 mGy(甲状腺当量剂量) 表 5　器官 2 d内吸收齐量 器官 D / Gy 全身(骨髓) 1 肺 6 皮肤 3 甲状腺 5 性腺 3 　　在图 2所示的应急区域中采取隐蔽、撤离和服 稳定碘 3种应急防护措施。计算中,取隐蔽场所对烟 云外照射的屏蔽因子为 0. 6, 对地面沉积外照射的 屏蔽因子为 0. 15,对吸入内照射的屏蔽因子为 0. 5。 同时假定撤离过程中所受剂量等于出发点处的剂 量,而在撤离到安全地带后所受剂量为零。实施应急 措施的时间参数如表 4所示, 表中时间以事故发生 时刻为时间起点。 图 2　行动区域(一) 　　用 IAEA新推荐的以可避免剂量表示的干预水 图 3　行动区域(二) 平对上述应急措施的效果进行评价, 得到满足该干 预水平的应急行动区域,如图 3所示。在图 3所示区 域中采取相应的干预行动所减少的剂量至少与该防 护措施的代价是相当的。由于衡量的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的变化, 应 采取防护措施的区域也相应的变化。本文中, 服稳定 碘和撤离措施实施后,相应的剂量值降至零, 所以可 避免剂量等于潜在剂量。服稳定碘区域的变化的原 因在于干预剂量值的不同。隐蔽区域的变化不仅是 8 清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 2000, 40( 12) 由干预剂量值的变化引起的, 而且受到其它因素如 隐蔽的时间参数和隐蔽场所的屏蔽性能等的影响, 这些因素是因地而异的。 4. 2　不稳定的气象条件 气象序列 1中风速和风向的变化都不太大,是 比较稳定的气象条件。为了与之进行对比, 同时还选 取了一些不稳定的气象序列进行计算,考虑了风向、 风速和降雨强度的不同变化。计算的结果为,隐蔽和 服稳定碘的区域的半径不超过 10 km, 而撤离区保 持在释放点附近小于 5 km 的范围内。 气象条件的各种变化,对应急防护措施的区域 虽然没有产生很大的影响,但是给应急措施的实施 带来了困难。风速和风向的变化,使烟云在计算区中 的停留时间增加, 造成隐蔽时间的延长,同时增加了 撤离过程的风险。对 PWR6事故,由于从事故发生 到释放之间的间隔比较长, 而且撤离的范围不大,应 该在放射性烟羽到达之前将公众撤离到安全地带。 在复杂的气象条件下, 应该尽量隐蔽起来, 避免暴露 在放射性烟羽的直接照射下。 5　结　论 采用各种实时气象条件的计算结果表明, PWR6事故条件下, 隐蔽和服稳定碘的区域的半径 为 10 km,撤离区的半径为 5 km。气象条件的变化 没有对应急行动的范围产生很大的影响; 但是变化 复杂的气象条件增加了防护措施的实施风险和 困难。 如果能及时有效地实施撤离和服稳定碘两项措 施,那么由国家核安全局和国家环保局联合发布的 安全导则《核事故辐射应急时对公众防护的干预原 则和水平》( HAF0703/ NEPA 9002)中的干预水平与 IAEA 新推荐的干预水平确定的撤离取和服稳定碘 区是一致的; 由于隐蔽措施的效果受到隐蔽时间参 数和隐蔽设施的性能的影响,以及干预水平的变化, 上述两种干预水平中, 后者确定的隐蔽区域小于前 者确定的隐蔽区域。 必须指出的是本文中采用的风场是根据一个气 象站测得的气象数据建立的风场。若有多个气象站 的数据,则可建立起更大程度符合厂址条件的真实 风场,从而使计算结果更加符合实际情况。 [参考文献]　References [ 1] T hykier-N ielsen S, Deme S, M ikkelsen T . 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A Lagr angian puff model RIMPUFF is used t o pr edict do se distribut ions under stable and unst able m et eor olog ical condit ions. The release scenario for PWR6 is used as an example to determine emergency ar eas for differ ent interv ention levels. The predict ion result s show t ha t t he evacuation ar ea radius is 5 km and the r adii for sheltering and intake-of stable iodine ar e bot h 10 km. The differ ence betw een t he emergency a reas det ermined by the interv ent ion levels g iven in HAF0703/ NEPA9002 and IAEA safety ser ies No . 109 is only in t he shelter ing ar ea w hich is m uch smaller using the IAEA guidelines. Key words: nuclear accident ; early emergency countermeasur e; inter v ention lev el; L ag rang ian puff model 9余　琦, 等: 　拉格朗日烟团模型在核事故早期应急决策中的应用