CN108133514A - 核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法 - Google Patents

核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于核辐射评价技术领域,涉及核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法。所述的评价方法包括如下步骤:(1)厂址地理信息资料、气象资料收集与三维气象场模拟;(2)冷却塔参数收集与烟羽抬升模拟;(3)空腔区与尾流区中烟羽浓度计算;(4)地面浓度场计算。利用本发明的评价方法,能够全面地考虑冷却塔排放源特征和内陆厂址复杂气象条件对气载放射性流出物大气弥散的影响,从而为核电厂液态放射性流出物通过冷却塔转化为气态排放方案的辐射影响评价提供可靠输入,评价结果满足实际应用对模型适用性和计算结果可靠性的要求。

Description

核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法
技术领域
本发明属于核辐射评价技术领域,涉及核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法。
背景技术
目前,核电厂液态放射性流出物一般通过江河湖泊或海洋等受纳水体排放。但是,对于某些内陆厂址,核电厂周围缺乏可接收液态放射性流出物的江河湖泊,或者虽然核电厂周围有江河湖泊,但江河湖泊水位太低或流量太小,不宜作为受纳水体接收液态放射性流出物。因此,在这些环境中建设和运行的核电厂可以选择将液态放射性流出物转化为气态形式排放,由周围大气环境来接受放射性流出物。
核电厂将液态放射性流出物以气态形式排放到周围大气环境,必须首先将液态放射性流出物转变为气态放射性流出物,这时可以考虑使用空冷塔。液态放射性流出物通过安装在空冷塔内壁的喷雾排放装置雾化后分散到塔内空气中,利用塔内与外界环境比较相对较高的温度和较大的风速以及雾化后巨大的气液接触面积,液态放射性流出物完全蒸发为气态,并通过空冷塔出风口排入周围大气环境。
但是,采用空冷塔将核电厂液态放射性流出物转化为气态排放目前在国内外还没有工程实践,因此,有必要开展一系列的验证试验评价这种排放方式的可行性,尤其是要开展采用空冷塔将液态流出物转化为气态排放的辐射影响评价。
在冷却塔液转气排放中,所有的液态和气态流出物都通过气态方式来排放,因而大气弥散计算是该方案辐射影响评价的关键。由于空冷塔排放源的特殊性,且内陆厂址往往地形和气象条件复杂,小静风频率较高,因此核环境影响评价中通常采用的点源高斯直线烟流模型并不适用于这种复杂条件下冷却塔气载排放的大气弥散计算。
因此,有必要建立一套适用于冷却塔气载排放的大气弥散影响评价方法,该方法应能够全面地考虑冷却塔排放源特征和内陆厂址复杂气象条件对气载放射性流出物大气弥散的影响,从而为液态流出物通过冷却塔转化为气态排放方案的辐射影响评价提供可靠输入,评价结果满足实际应用对模型适用性和计算结果可靠性的要求。
发明内容
本发明的目的是提供核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法,以能够科学和准确的评价该排放方案的辐射影响。
为实现此目的,在基础的实施方案中,本发明提供核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法,所述的评价方法包括如下步骤:
(1)厂址地理信息资料、气象资料收集与三维气象场模拟:收集厂址区域的地理信息资料和气象资料,并将这些资料处理输入适宜的模型中,模拟生成核电厂周围的三维气象场;
(2)冷却塔参数收集与烟羽抬升模拟:收集对液态放射性流出物进行气载排放的冷却塔参数,并将这些冷却塔参数输入烟羽热力和动力抬升模型(烟羽热力和动力抬升模型参见:[1]Scire,J.S.,D.G.Strimaitis and R.J.Yamartino,2000:A User’s Guide forthe CALPUFF Dispersion Model(Version 5).Earth Tech,Inc.,196Baker Avenue,Concord,MA 01742,52-64;[2]Weil,J.C.,1988:Plume rise.Lectures on Air PollutionModeling.Editors,Venkatram A.and Wyngaard,J.C.,119-166.)中,结合步骤(1)得到的三维气象场,经模型计算得到每个模拟时刻烟羽的抬升信息以及烟羽最终抬升高度,确定烟羽是否可穿透混合顶层;
(3)空腔区与尾流区中烟羽浓度计算:根据核电厂的总平面布置图和主要建筑物的尺寸,确定输入建筑物下洗模型(建筑物下洗模型参见:[3]Schulman,L.L.,D.G.Strimaitis,and J.S.Scire,2000:Development and evaluation of the PRIMEplume rise and building downwash model.Journal of the Air&Waste ManagementAssociation,50,378-390.)的参数;根据烟羽与建筑物之间的相对位置,计算湍流尾流导致的烟羽扩散参数增加、建筑物背风侧流线下降和空腔区卷夹增强导致的烟羽抬升降低,由此得到空腔区与尾流区中烟羽的浓度;
(4)地面浓度场计算:采用适宜的模型,结合步骤(1)获得的三维气象场、步骤(2)和步骤(3)得到的烟羽抬升和建筑物下洗影响,模拟冷却塔排放烟羽在模拟区域内的大气扩散过程,计算得到烟羽地面浓度场。
百万千瓦级核电厂通常配套的冷却塔高达200m左右,排放口内径达百米左右,采用冷却塔将液态放射性流出物转化为气态排放的方案中,从冷却塔出风口排入大气环境的流出物具有显著的动量和热力抬升,烟羽可能会部分穿透混合层顶。冷却塔作为高大建筑物,其对烟羽的下洗作用不能忽略,下洗作用与核电厂的总图布置密切相关。此外,烟羽进入大气环境后,与复杂地形相关的气象条件和地表参数影响烟羽的迁移输送和大气扩散。上述因素均是决定最终烟羽地面浓度场的关键因素。
本发明给出了一种采用冷却塔进行核电厂液态放射性流出物排放评价的大气弥散影响评价方法,该方法考虑了冷却塔排放源特征和内陆厂址复杂气象条件对气载放射性流出物大气弥散的影响,考虑了冷却塔排放烟羽的动力和热力抬升过程、冷却塔等建筑的下洗作用、复杂地形、地表参数和气象条件对烟羽扩散的影响,能够给出合理的地面浓度场估计,从而为缺乏受纳水体,采用冷却塔进行放射性流出物排放的内陆厂址的辐射影响评价提供了必要的技术支持和可靠的大气弥散相关输入,评价结果满足实际应用对模型适用性和计算结果可靠性的要求。
在一种优选的实施方案中,本发明提供核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法,其中步骤(1)中所述的厂址地理信息资料包括厂址区域的地形高程和/或土地利用。
在一种优选的实施方案中,本发明提供核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法,其中步骤(1)中所述的气象资料包括地面和高空气象资料。
在一种优选的实施方案中,本发明提供核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法,其中步骤(1)当所述的气象资料有缺测时,需要进行资料的插补,可选择预报信息进行模拟。
在一种优选的实施方案中,本发明提供核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法,其中步骤(1)中所述的适宜的模型为三维诊断风场模型(三维诊断风场模型参见:[4]Scire,J.S.,F.R.Robe,M.E.Fernau,and R.J.Yamartino,2000:A User’s Guidefor the CALMET Meteorological Model(Version 5).Earth Tech,Inc.,196Baker,Avenue,Concord,MA 01741.)。
在一种优选的实施方案中,本发明提供核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法,其中步骤(2)中所述的冷却塔参数包括冷却塔高度、冷却塔内径、烟气出口速度、烟气出口温度和/或排放时间。
在一种优选的实施方案中,本发明提供核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法,其中步骤(2)中所述的烟羽的抬升信息包括烟羽垂直速度、烟羽水平速度、烟羽温度和/或烟羽尺寸。
在一种优选的实施方案中,本发明提供核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法,其中步骤(2)中通过数值法求解质量、动量和能量守恒方程,获得每个模拟时刻烟羽的抬升信息以及烟羽最终抬升高度。
在一种优选的实施方案中,本发明提供核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法,其中步骤(3)中所述的主要建筑物的尺寸包括冷却塔的尺寸。
在一种优选的实施方案中,本发明提供核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法,其中步骤(4)中所述的适宜的模型为拉格朗日粒子模型或烟团模型(拉格朗日粒子模型参见:[5]蔡旭晖,陈家宜,康凌.核事故条件下的大气扩散模式及应用.辐射防护,2003,23(5):293-299.烟团模型参见:[1]Scire,J.S.,D.G.Strimaitis andR.J.Yamartino,2000:A User’s Guide for the CALPUFF Dispersion Model(Version5).Earth Tech,Inc.,196Baker Avenue,Concord,MA 01742)。
本发明的有益效果在于,利用本发明的核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法,,能够全面地考虑冷却塔排放源特征和内陆厂址复杂气象条件对气载放射性流出物大气弥散的影响,从而为核电厂液态放射性流出物通过冷却塔转化为气态排放方案的辐射影响评价提供可靠输入,评价结果满足实际应用对模型适用性和计算结果可靠性的要求。
本发明根据排放源参数和周围环境参数计算冷却塔排放烟羽的动力和热力抬升;根据核电厂总平面布置与主要建筑物的尺寸计算建筑物下洗对烟羽抬升的降低和建筑物湍流尾流导致的烟羽扩散的增加;采用拉格朗日粒子模型或烟团模型结合模拟区域的三维气象场,模拟冷却塔排放烟羽的大气弥散,由此得到的地面浓度场可作为后续剂量评价的输入。本发明提供的适用、可靠的大气弥散计算方法为内陆缺乏受纳水体,采用冷却塔进行液态放射性流出物排放的核电厂的辐射影响评价奠定了基础。
附图说明
图1为示例性的本发明的核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法的流程图。
图2为具体实施方式中三维诊断风场模型输出的08时的三维风场图(分别为10m、60m和800m高度)。
图3为具体实施方式中烟羽热力和动力抬升模型输出的不同时刻烟羽高度随下风向位置的变化以及烟羽达到的最终抬升高度图。
图4为具体实施方式中大气扩散逐时模拟得到的08时的逐时地面浓度场分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
示例性的本发明的核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法的流程如图1所示,包括如下步骤。
(1)厂址地理信息资料、气象资料收集与三维气象场模拟
收集核电厂厂址区域的地形高程、土地利用、地面和高空气象资料,选择三维诊断风场模型,将上述数据处理为模型输入格式。当气象资料有缺测时,需要进行资料的插补,可能的情况下,也可将预报模型输出的预报风温场作为三维诊断风场模型的初始猜测场。设置模拟区域和三维气象网格,模拟生成厂址区域的三维风、温气象场。
地形高程可采用美国地质勘探局(USGS)提供的90m分辨率的地形高程资料SRTM3格式数据;土地利用采用USGS的全球土地覆盖数据,分辨率为1km;地面气象资料可收集核电厂厂址周围气象台站的逐时观测资料;高空气象资料可采用核电厂厂址区域探空站一天两次的低空探测资料。通过对6小时分辨率的美国NCEP FNL再分析资料进行时间内插,获得逐时的地面气象资料和每隔6小时的高空资料。
设置模拟区域为以核电厂厂址冷却塔排放源为中心,160km*160km的范围,水平网格距为0.1km,垂直方向自下而上分为10层,下层设置较密,上层设置较粗,第一层为测风高度10m,第10层为离地3000m高度。选择适用的三维诊断风场模型,将上述气象和地理信息资料(地形和土地利用)输入三维诊断风场模型,在满足质量守恒约束的条件下,考虑地形动力学效应、坡风、地形热力学阻挡效应的影响,生成三维风场。图2给出了三维诊断风场模型模拟输出的08时的三个高度的风场分布。
(2)冷却塔参数收集与烟羽抬升模拟
收集冷却塔排放参数,包括冷却塔高度、冷却塔内径、烟气出口速度、烟气出口温度和排放时间等,将其输入烟羽热力和动力抬升模型,结合排放源周围的三维气象场,采用数值法求解质量、动量和能量守恒方程,获得每个模拟时刻烟羽的抬升信息,如烟羽垂直速度、烟羽水平速度、烟羽温度、烟羽尺寸等,以及烟羽的最终抬升高度,了解烟羽是否穿透混合层顶。
本例计算中假定冷却塔高度为200m,冷却塔出口内径为98m,烟气出口速度为8m/s,烟气出口温度比环境温度高10℃。烟羽热力和动力抬升模型选用美国环保署开发的数值烟羽抬升模型,通过数值求解质量、动量和能量守恒方程,对每个时间步长进行模拟,输出每个时刻沿烟羽轨迹1m步长分辨率的烟羽横向平均参数值。图3给出了烟羽热力和动力抬升模型计算的不同时刻烟羽高度随下风向位置的变化以及烟羽达到的最终抬升高度。
(3)空腔区与尾流区中烟羽浓度计算
根据核电厂的总平面布置图和一些主要建筑物(如其它冷却塔)的尺寸,确定输入建筑物下洗模型的参数;根据烟羽与建筑物之间的相对位置,计算湍流尾流导致的烟羽扩散参数增加、建筑物背风侧流线下降和空腔区卷夹增强导致的烟羽抬升降低,由此得到空腔区与尾流区中烟羽的浓度。
本例计算中采用美国环保署推荐的PRIME模型(the Plume Rise ModelEnhancements)计算建筑物下洗。该模型采用方向相关的参数来模拟建筑物下洗:36个方向相关的建筑物高度(从10°流向开始,按照顺时针方向以10°递增)、建筑物宽度、方向相关的沿流向的建筑物长度、方向相关的沿流向从烟囱到投影建筑物迎风面中心的距离、方向相关的横风向从烟囱到投影建筑物迎风面中心的距离。模型计算烟羽轴线位置和烟羽扩散率随下风距离的变化,根据计算的截留在空腔区边界内的烟羽质量份额,将烟羽质量在空腔回流区和扩散增强的尾流区进行分配。根据建筑物几何参数计算回流空腔区质量的扩散,并假定在垂直方向混合均匀;在空腔区边界,空腔区的物质进入尾流区,并与未被空腔区捕获的烟流结合,根据排放源的位置、排放高度和建筑物几何形状,以增强的扩散率来扩散,由此计算得到靠近排放源和建筑物区域内空腔区与尾流区中烟羽的浓度。
(4)地面浓度场计算
采用拉格朗日粒子模型或烟团模型,结合步骤1)获得的三维气象场、步骤2)和步骤3)得到的烟羽抬升和建筑物下洗影响,模拟冷却塔排放烟羽在模拟区域内的大气扩散过程。模拟区域可与气象模拟区域相同或为其子区间,采样网格可在气象网格的基础上加密,以更精细地模拟地面高浓度分布。扩散参数尽量选择能够反映核电厂厂址实际湍流特征的参数值,通过在厂址开展湍流观测或示踪物实验来获取。进行大气扩散逐时模拟,获得排放期间逐时的地面浓度场分布,如图4所示。进行时间平均,计算得到排放期间的平均地面浓度场,作为后续排放物辐射剂量评价的输入。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施方式只是对本发明的举例说明,本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施,而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此,描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明,任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.核电厂液态放射性流出物气载排放的大气影响评价方法,其特征在于,所述的评价方法包括如下步骤:
(1)厂址地理信息资料、气象资料收集与三维气象场模拟:收集厂址区域的地理信息资料和气象资料,并将这些资料处理输入适宜的模型中,模拟生成核电厂周围的三维气象场;
(2)冷却塔参数收集与烟羽抬升模拟:收集对液态放射性流出物进行气载排放的冷却塔参数,并将这些冷却塔参数输入烟羽热力和动力抬升模型中,结合步骤(1)得到的三维气象场,经模型计算得到每个模拟时刻烟羽的抬升信息以及烟羽最终抬升高度,确定烟羽是否可穿透混合顶层;
(3)空腔区与尾流区中烟羽浓度计算:根据核电厂的总平面布置图和主要建筑物的尺寸,确定输入建筑物下洗模型的参数;根据烟羽与建筑物之间的相对位置,计算湍流尾流导致的烟羽扩散参数增加、建筑物背风侧流线下降和空腔区卷夹增强导致的烟羽抬升降低,由此得到空腔区与尾流区中烟羽的浓度;
(4)地面浓度场计算:采用适宜的模型,结合步骤(1)获得的三维气象场、步骤(2)和步骤(3)得到的烟羽抬升和建筑物下洗影响,模拟冷却塔排放烟羽在模拟区域内的大气扩散过程,计算得到烟羽地面浓度场。
2.根据权利要求1所述的评价方法,其特征在于:步骤(1)中所述的厂址地理信息资料包括厂址区域的地形高程和/或土地利用。
3.根据权利要求1所述的评价方法,其特征在于:步骤(1)中所述的气象资料包括地面和高空气象资料。
4.根据权利要求1所述的评价方法,其特征在于:步骤(1)当所述的气象资料有缺测时,需要进行资料的插补,可选择预报信息进行模拟。
5.根据权利要求1所述的评价方法,其特征在于:步骤(1)中所述的适宜的模型为三维诊断风场模型。
6.根据权利要求1所述的评价方法,其特征在于:步骤(2)中所述的冷却塔参数包括冷却塔高度、冷却塔内径、烟气出口速度、烟气出口温度和/或排放时间。
7.根据权利要求1所述的评价方法,其特征在于,步骤(2)中所述的烟羽的抬升信息包括烟羽垂直速度、烟羽水平速度、烟羽温度和/或烟羽尺寸。
8.根据权利要求1所述的评价方法,其特征在于,步骤(2)中通过数值法求解质量、动量和能量守恒方程,获得每个模拟时刻烟羽的抬升信息以及烟羽最终抬升高度。
9.根据权利要求1所述的评价方法,其特征在于,步骤(3)中所述的主要建筑物的尺寸包括冷却塔的尺寸。
10.根据权利要求1所述的评价方法,其特征在于,步骤(4)中所述的适宜的模型为拉格朗日粒子模型或烟团模型。
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