CN104933294A - 放射性物质迁移和传播评估模型构建方法 - Google Patents

Abstract

一种放射性物质迁移和传播评估模型构建方法，包括：S1、确定必要的源项，获得各释放类中的源项释放到环境中的总质量以及总质量随时间的变化情况；S2、将源项释放过程划分成多个烟羽段；S3、计算各个烟羽段内各源项释放到环境的份额,并将源项按照物理化学性质归并分组为多个核素组，由源项中的化合物比例计算得到每个核素组的份额；S4、将所需评价的环境空间划分为与烟羽释放点距离不等的多个空间单元；S5、按照风向可改变的烟羽扩散模式计算源项在大气空间以及沉积到地面上的浓度；S6、显示源项名称、烟羽至烟羽释放点的空间距离以及干湿沉积后烟羽中源项的剩余物质的份额。本发明模化精确，准确性提高，科学预测和应对放射性物质对环境的影响。

Description

放射性物质迁移和传播评估模型构建方法

技术领域

本发明涉及核辐射安全领域，尤其涉及一种放射性物质迁移和传播评估模型构建方法。

背景技术

放射性物质主要来源于核装置(如核电站、核动力设备)事故的放射性物质泄露，随后放射性物质在大气中扩散、沉积，造成放射性物质在环境中迁移和传播，对周围环境与生物造成辐射污染和伤害。

发生核泄露事故，放射性物质从泄露处释放进入大气，需要在场外受放射性物质影响的区域进行适当快速的防护措施，做出最优化的应急决策，这就要求一旦发生核泄漏事故就需要对泄漏的放射性物质在大气中的弥散过程进行跟踪，确定其在当时气象条件和地理环境影响下在大气环境中的弥散轨迹，进而预测当时事故状态下放射性物质在事故现场以及场外空间中的时间积分浓度的分布，并且以此为依据，在相应的放射性物质的弥散区域，根据各区域的核素浓度分布情况而做出相应的防护措施，减少人们所受的辐射危害，为核事故应急情况下的决策分析提供科学依据具有十分重要的意义。

目前，国际上正日益关注核应急决策支持系统的研究，并为此而开发了很多相应的大气弥散模型及计算机程序系统，以研究在事故情况下，放射性物质从安全壳泄漏释放进入大气以后的，时间和空间浓度分布，进一步研究其相应的决策。

现有技术烟羽模型普遍采用高斯烟羽模型，对放射性释放源项从核电站反应堆释放时的模化不够精确，大气扩散方式较为保守。尤其对放射性核素在释放点周围的烟羽形成，烟羽段划分，没有具体方法。核素在大气的扩散中多采用直线高斯烟羽模型，虽然保守，但忽略了烟羽的实际扩散过程。另外，气象分类也没有采用适合的分类方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述准确性不够高的缺陷，提供一种放射性物质迁移和传播评估模型构建方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种放射性物质迁移和传播评估模型构建方法，用于获取放射性裂变产物释放到环境中的空间浓度和时间浓度，所述方法包括如下步骤：

S1、对各放射性释放类，按物理时间的顺序确定必要的源项，获得各释放类中的源项释放到环境中的总质量以及总质量随时间的变化情况；

S2、根据所述的总质量随时间的变化情况，将源项释放过程划分成多个烟羽段；

S3、根据烟羽段划分情况，计算各个烟羽段内各源项释放到环境的份额,并将源项按照物理化学性质归并分组为多个核素组，由源项中的化合物比例计算得到每个核素组的份额；

S4、将所需评价的环境空间划分为与所述烟羽释放点距离不等的多个空间单元；

S5、根据每个空间单元内的源项信息和气象序列，按照风向可改变的烟羽扩散模式计算源项在大气空间以及沉积到地面上的浓度；

S6、显示所分析的源项名称、烟羽至烟羽释放点的空间距离以及干湿沉积后烟羽中源项的剩余物质的份额。

在本发明所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法中，所述的划分成多个烟羽段是基于源项的释放速率进行划分。

在本发明所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法中，所述的多个烟羽段包括：

第一个烟羽段：在源项释放初始阶段，释放时间为数小时，释放量小于等于释放总量的1％；

第二个烟羽段：释放时间为第一个烟羽段之后的10-20分钟，释放量为释放总量的70％以上；

第三个烟羽段：第二个烟羽段之后的释放过程。

在本发明所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法中，步骤S4中，以地面为XY轴所在平面、烟羽释放点在地面的投影点作为原点、烟囱为Z轴，建立XYZ三维坐标系，Y轴、Z轴方向服从高斯分布，烟羽中心线在地面的投影对应X轴，多个空间单元的分割线在地面上的投影为以原点为圆心的多个半径不等的同心圆。

在本发明所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法中，在步骤S5中，风向可改变的烟羽扩散模式为：将每个烟羽总的释放时间划分为多个时间段，每个时间段内的气象条件作为一个气象序列，每个气象序列具有一个风速，将所需评价的环境空间划分为16个方位，对每一气象序列分别沿16个方位轮转。

在本发明所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法中，在步骤S5中，计算源项在大气空间的浓度基于以下公式计算：

$\mathrm{\χ}(x,y,z)=\frac{Q}{\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{u}{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{y}{{\mathrm{\σ}}_y}\right)}^2]\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{z-h_0}{{\mathrm{\σ}}_z}\right)}^2]$

σ_y＝ax^b,σ_z＝cx^d

其中，χ(x,y,z)表示源项在以(x,y,z)为中点的空间单元的时间积分的空气浓度，单位为Bq·s/m3；Q表示源强，单位为Bq；表示平均风速，单位为m/s；h₀表示释放高度单位为m，σ_y、σ_z表示扩散参数，a、b、c、d为常数，z为0时的χ(x,y,z)表示源项沉积到地面上的浓度。

在本发明所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法中，在所述步骤S4和步骤S5之间还包括以下步骤：

S45、采用Monte-Carlo取样方法进行天气取样，获取释放源处记录的气象序列，把一整年的气象序列划入各气象类别中，再从每个气象类别中选取几个气象序列用于步骤S5中的大气扩散计算。

在本发明所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法中，所述源项包括：惰性气体、CsI、TeO2、SrO、MoO2、CsOH、BaO、La、CeO2、Sb、Te2、UO2。

在本发明所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法中，所述步骤S1中所述的获取源项的总质量随时间的变化情况为：根据严重事故程序MAAP的计算结果，提取源项信息，获得各源项释放到环境中的质量并求和获得总质量。

实施本发明的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法，具有以下有益效果：本发明根据放射性源项释放的时间特性与核素的物理化学特性，划分多个烟羽段，并归并核素组，如此在计算时间浓度时，模化精确，准确性有效提高，且将所需评价的环境空间划分为与所述烟羽释放点距离不等的多个空间单元，大气扩散模型采用风向可改变的烟羽扩散模式，如此在计算空间浓度时，模化精确，准确性有效提高，因此本发明可以科学预测和有效应对放射性物质对环境的影响，防止放射性物质对环境和公众造成危害。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法的流程图。

图2是多个烟羽段的划分示意图；

图3是本发明的较佳实施例中多个空间单元划分的平面投影示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参考图1，本发明的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法，包括获取放射性裂变产物释放到环境中的空间浓度和时间浓度，其中，获取时间浓度主要包括以下步骤S1-S3，获取空间浓度包括以下步骤S4-S6。

S1、对各放射性释放类，按物理时间的顺序确定必要的源项，获得各释放类中的源项释放到环境中的总质量以及总质量随时间的变化情况。

其中，所述的获取源项的总质量随时间的变化情况为：根据严重事故程序MAAP的计算结果，提取源项信息，获得各源项释放到环境中的质量并求和获得总质量。严重事故程序MAAP的计算为本领域公知常识，此处不再赘述。

释放类有多种，通常包括17类，主要是根据严重事故进程进行归类，以安全壳状态及失效模式为主，安全壳喷淋的状态、压力容器内堆芯损坏被抑制、容器外熔融物被水淹没、旁路失效有无被水淹没为辅的释放类分组为依据。为了预测放射性物质在环境中的迁移，可选用若干个释放类源项，每个释放类源项具有不同的核素释放份额，不同的释放时间、释放持续时间、不同的释放高度等。按物理时间的顺序提取必要的源项信息。一般必要的源项为从12个常见源项中确定，12个常见源项包括：惰性气体、CsI、TeO2、SrO、MoO2、CsOH、BaO、La、CeO2、Sb、Te2、UO2。

S2、根据所述的总质量随时间的变化情况，将源项释放过程划分成多个烟羽段；

在放射性物质在环境中迁移和传播分析时，要对所选用的释放类源项根据其释放特征，模化成不同的烟羽段，划分成多个烟羽段是基于源项的释放速率的大小进行划分。参考图2，可以将总质量随时间的变化情况作图，从图中可以根据图形变化(主要是释放速率)将图形分段。

例如，大部分源项的释放过程所划分出来的多个烟羽段包括：第一个烟羽段：在源项释放初始阶段，源项的释放量小于等于释放总量的1％，释放时间为10小时至10几天内；第二个烟羽段：源项的释放量为释放总量的70％以上，在第一个烟羽段之后的10-20分钟内，该段内释放速率约为1；第三个烟羽段：第二个烟羽段之后的释放过程。

需要明确的是，图2中仅仅是一个示例，不同释放类释放过程不同，其划分的烟羽段个数也不同，烟羽段的划分要根据作图后的图形特征确定。

S3、根据步骤S2中的烟羽段划分情况，计算各个烟羽段内各源项释放到环境的份额,并将源项按照物理化学性质分类，将步骤S1中的源项归并分组为多个核素组，由源项中的化合物比例计算得到每个核素组的份额；其中，核素组最多可分析150种核素。将其中主要的60种核素按照其物理和化学性质分为惰性气体、卤素、碱性金属等几类。不同的烟羽段就按这几类不同的核素组模化。

计算各个烟羽段内各源项释放到环境的份额为：根据严重事故程序MAAP的计算结果，提取源项信息，获得各源项释放到环境中的质量并求和获得总质量，然后计算各源项释放到环境中的质量占总质量的百分比。由于每个释放类包含的源项在用MAPP计算出的结果是化合物形式，在用到放射性扩散计算时需要把这些化合物归类成九种核素组，即XE/KR，I，CS，TE，SR，RU，LA，CE，BA。由源项中的化合物比例计算得到每个核素的份额，进而可以得到每个核素组的份额。

例如，通过严重事故程序MAAP计算可以得到CsI的份额，然后可以根据化合物比例，可以计算得到核素I的份额，以此类推，可以将所有的I核素的份额计算出来，进而可以得到I核素组的份额。其他核素组的份额的计算方法同理，此处不再赘述。

本实例还可选择在核泄露事故中释放时有显著影响的核素进行分析，如I-131、Cs-137、Sr-90核素等。

S4、将所需评价的环境空间划分为与所述烟羽释放点距离不等的多个空间单元；

以烟羽释放点在地面的投影点作为原点、地面为XY轴所在平面、烟囱为Z轴，建立XYZ三维坐标系，Y轴、Z轴方向服从高斯分布，烟羽中心线在地面的投影对应X轴。多个空间单元的分割线在地面上的投影为以原点为圆心的多个半径不等的同心圆。即多个空间单元在地面上的投影为距离原点距离不等的12个环形区域。参考图3，将释放源周围80Km空间分解为12个不等距离。

S5、气象分类采用释放源地区的气象数据合理分类气象抽样箱，大气扩散模型采用风向可改变的烟羽扩散模式，根据每个空间单元内的源项和气象序列条件，计算大气空间以及沉积到地面上的源项浓度；

风向可改变的烟羽扩散模式为：将每个烟羽总的释放时间划分为多个时间段，每个时间段内的气象条件作为一个气象序列为，每个气象序列具有一个风速，参考图3，将所需评价的环境空间划分为16个方位，对每一气象序列分别沿16个方位轮转。优选的，在需要详细分析的空间单元时，如图3中，还可以进一步将空间单元在每个方位中进一步划分为3或7个单元格。

分析中要求输入释放源处的逐时气象数据，由于烟羽可能迁移数十到数百公里，也就是说，在放射性烟羽行进的数小时期间，天气条件可能会发生变化。因此，本发明对于天气取样部分进行了改进，采用Monte-Carlo(分层取样)取样方法：获取计算用的释放源处记录的天气序列，按降雨量、风速等模化成几个气象抽样箱。把一整年的天气序列(共有8760个)分入各天气类别(天气类别划分根据释放源处的气象记录进行模化)中，再从每个天气类别中选取几个天气序列用于大气扩散计算。

首先可以计算x代表反应堆(即烟羽释放点)至空间单元中点的下风向距离(单位m，即中点在地面的投影点至原点的距离)，v_i表示时间段Δt_i的风速(单位m/s)，n即表示上述的多个时间段的时间段数目。以图2中的烟羽段2为例，该烟羽段释放的开始时间为3600s，释放结束时间为36000s。即第一个烟羽段释放1小时后，开始第二小时的释放，且烟羽段2的释放持续时间为9个小时(即n＝10)。这9个小时可分为9个气象序列(每个气象序列为每一小时的天气条件)。这9个气象序列中，每个序列都有一个风速Vi。而扩散参数σ_y、σ_z也是一个距离x的函数，在不同距离x处，扩散参数有不同的值。σ_y＝ax^b,σ_z＝cx^d；其中，a、b、c、d为常数。σ_y和σ_z表示烟羽横向和垂向的标准偏差(单位m)。

$\mathrm{\χ}(x,y,z)=\frac{Q}{\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{u}{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{y}{{\mathrm{\σ}}_y}\right)}^2]\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{z-h_0}{{\mathrm{\σ}}_z}\right)}^2]$

其中，F表示烟羽抬升的浮力通量(m⁴/s³)，取8.79×10⁶q，q表示热释放率，单位为w，热释放率可由严重事故程序MAAP计算得到，Δh表示烟羽抬升高度，单位为m；χ(x,y,z)表示源项在以(x,y,z)为中点的空间单元的时间积分的空气浓度，单位为Bq·s/m³；表示平均风速，单位为m/s；h₀表示释放高度，即烟囱的高度，单位为m。源项释放的位置为(x＝0,y＝0,z＝h₀)。Q表示源强，单位为Bq，可以通过程序直接获取。烟羽中的放射性会通过衰变而从烟羽中去除，一个单独的放射性核素会衰变，也就是说，如果核素在t＝0时刻的量为Q，到t时刻则将为Q_exp(-λ_t)，另外考虑到干湿沉积对放射性活度Q的影响，需对Q进行修正。χ(x,y,z)中x即表征下风向距离，y表征烟羽宽度，z表征烟羽高度。

综合以上，可得放射性核素的地面空气浓度计算式:

$\mathrm{\χ}(x,y,0)=\frac{Q}{\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{u}{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z}\exp (-\frac{y^2}{2{\mathrm{\σ}}_y^2})\exp (-\frac{{h_0}^2}{2{\mathrm{\σ}}_z^2})$

放射性核素的烟羽中心线的浓度，计算公式如下：

$\mathrm{\χ}(x,0,z)=\frac{Q}{\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{u}{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z}\exp (-{\left(\frac{z-h_0}{2{\mathrm{\σ}}_z}\right)}^2)$

S6、显示所分析的源项名称、烟羽至烟羽释放点的空间距离以及干湿沉积后烟羽中源项的剩余物质的份额。干湿沉积后烟羽段中源项的剩余物质的份额可以通过时间积分的空气浓度减去上述地面空气浓度计算得到。烟羽至烟羽释放点的空间距离用空间单元的中点与原点的距离表征。

进一步优选的，所述方法还包括：

S7、输出整个待评价空间及每个所述空间单元内的烟羽产生的按长度平均的中心线地面空气积分浓度和中心线地面浓度。

综上所述，实施本发明的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法，具有以下有益效果：本发明根据放射性源项释放的时间特性与核素的物理化学特性，划分多个烟羽段，并归并核素组，如此在计算时间浓度时，模化精确，准确性有效提高，且将所需评价的环境空间划分为与所述烟羽释放点距离不等的多个空间单元，大气扩散模型采用风向可改变的烟羽扩散模式，如此在计算空间浓度时，模化精确，准确性有效提高，因此本发明可以科学预测和有效应对放射性物质对环境的影响，防止放射性物质对环境和公众造成危害。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种放射性物质迁移和传播评估模型构建方法，用于获取放射性裂变产物释放到环境中的空间浓度和时间浓度，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、对各放射性释放类，按物理时间的顺序确定必要的源项，获得各释放类中的源项释放到环境中的总质量以及总质量随时间的变化情况；

S2、根据所述的总质量随时间的变化情况，将源项释放过程划分成多个烟羽段；

S3、根据烟羽段划分情况，计算各个烟羽段内各源项释放到环境的份额,并将源项按照物理化学性质归并分组为多个核素组，由源项中的化合物比例计算得到每个核素组的份额；

S4、将所需评价的环境空间划分为与所述烟羽释放点距离不等的多个空间单元；

S5、根据每个空间单元内的源项信息和气象序列，按照风向可改变的烟羽扩散模式计算源项在大气空间以及沉积到地面上的浓度；

S6、显示所分析的源项名称、烟羽至烟羽释放点的空间距离以及干湿沉积后烟羽中源项的剩余物质的份额。

2.根据权利要求1所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法，其特征在于，所述的划分成多个烟羽段是基于源项的释放速率进行划分。

3.根据权利要求2所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法，其特征在于，所述的多个烟羽段包括：

第一个烟羽段：在源项释放初始阶段，释放时间为数小时，释放量小于等于释放总量的1％；

第二个烟羽段：释放时间为第一个烟羽段之后的10-20分钟，释放量为释放总量的70％以上；

第三个烟羽段：第二个烟羽段之后的释放过程。

4.根据权利要求1所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法，其特征在于，步骤S4中，以地面为XY轴所在平面、烟羽释放点在地面的投影点作为原点、烟囱为Z轴，建立XYZ三维坐标系，Y轴、Z轴方向服从高斯分布，烟羽中心线在地面的投影对应X轴，多个空间单元的分割线在地面上的投影为以原点为圆心的多个半径不等的同心圆。

5.根据权利要求4所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法，其特征在于，在步骤S5中，风向可改变的烟羽扩散模式为：将每个烟羽总的释放时间划分为多个时间段，每个时间段内的气象条件作为一个气象序列，每个气象序列具有一个风速，将所需评价的环境空间划分为16个方位，对每一气象序列分别沿16个方位轮转。

6.根据权利要求5所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法，其特征在于，在步骤S5中，计算源项在大气空间的浓度基于以下公式计算：

$\mathrm{\χ}(x,y,z)=\frac{Q}{\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{u}{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{y}{{\mathrm{\σ}}_y}\right)}^2]\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{z-h_0}{{\mathrm{\σ}}_z}\right)}^2]$

σ_y＝ax^b,σ_z＝cx^d

其中，χ(x,y,z)表示源项在以(x,y,z)为中点的空间单元的时间积分的空气浓度，单位为Bq·s/m³；Q表示源强，单位为Bq；表示平均风速，单位为m/s；h₀表示释放高度单位为m，σ_y、σ_z表示扩散参数，a、b、c、d为常数，z为0时的χ(x,y,z)表示源项沉积到地面上的浓度。

7.根据权利要求5所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法，其特征在于，在所述步骤S4和步骤S5之间还包括以下步骤：

S45、采用Monte-Carlo取样方法进行天气取样，获取释放源处记录的气象序列，把一整年的气象序列划入各气象类别中，再从每个气象类别中选取几个气象序列用于步骤S5中的大气扩散计算。

8.根据权利要求1所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法，其特征在于，所述源项包括：惰性气体、CsI、TeO2、SrO、MoO2、CsOH、BaO、La、CeO2、Sb、Te2、UO2。

9.根据权利要求1所述的放射性物质迁移和传播评估模型构建方法，其特征在于，所述步骤S1中所述的获取源项的总质量随时间的变化情况为：根据严重事故程序MAAP的计算结果，提取源项信息，获得各源项释放到环境中的质量并求和获得总质量。