CN112990643B - 一种事故工况下剂量计算系统的设计方法 - Google Patents

一种事故工况下剂量计算系统的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种事故工况下剂量计算系统的设计方法，可以模拟三种释放与大气扩散类型：普通烟囱释放、燃烧与爆炸。计算系统考虑了大气稳定度、地形表面粗糙度、逆温层、干沉积、湿沉积等因素对核素扩散的影响，基于高斯扩散模型并使用多种修正方法计算核素浓度与地面沉积浓度，并使用剂量转换因子，计算出相应位置的空气浸没剂量、地面照射剂量、多个年龄组的吸入剂量与总剂量。本发明能够为应急响应部门和决策者快速、简便地提供一系列结果来评估涉及放射性材料的事故，并可用于放射性材料处理设备的安全分析。

Description

一种事故工况下剂量计算系统的设计方法
技术领域
本发明属于辐射防护技术领域，具体是针对事故工况下环境影响评价工作， 提供一种事故工况下剂量计算系统的设计方法。
背景技术
原子的发现和核能的开发利用给人类社会发展带来新的动力，极大增强 人类认识世界和改造世界的能力。核能发展伴随着核安全风险和挑战。人类 要更好利用核能、实现更大发展，必须创新核技术、确保核安全、做好核应 急。核安全是核能事业持续健康发展的生命线，核应急是核能事业持续健康 发展的重要保障。
核应急中事故工况下剂量计算评价是十分重要的环节，本发明旨在建立 一种剂量计算软件系统设计的方法。
Hotspot是针对核事故时放射性材料扩散而开发的模式系统，主要为人 员应急响应、制定应急计划以及放射性物质污染事件的后果提供快速评估和 便携式服务，也可用于核设施安全分析，广泛应用于应急事件初始评估与应 急计划安全分析中。
由于Hotspot软件的源代码未公开，为了后续设计开发中更好的耦合嵌 套Hotspot软件的功能，为了使Hotspot软件的输出结果更加直观、更加符 合用户的使用习惯，需要对Hotspot进行改进设计，这同时也为的二次开发 奠定基础。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种事故工况下剂量 计算系统的设计方法，从而为应急响应部门和决策者快速、简便地提供一系 列结果来评估涉及放射性材料的事故，并可用于放射性材料处理设备的安全 分析。
本发明的技术方案如下：一种事故工况下剂量计算系统的设计方法，将 剂量计算系统划分为如下模块组成，每个模块之间相互独立，又可彼此调用，
主程序模块，用于实现所有功能模块的调用和参数传递；
参数输入模块，用于从输入文件中读取系统所需的所有输入参数；
常数存储模块，用于存储系统所需的所有常数；
源项类定义模块，用于定义源项类；
受体类定义模块，用于定义受体类；
受体位置初始化模块，用于从输入文件中读取自定义的监测点位的位 置，作为默认受体位置，并设置所有监测点位的高度；
坐标转换模块，用于根据风向将监测点位的绝对坐标计算为相对风向的 下风向距离与垂直下风向距离；
有效释放高度风速计算模块，用于根据风速随高度变化的公式计算有效 释放高度处的风速，所述有效释放高度是指烟囱高度与烟羽抬升高度相叠加 之后的高度，是实际开始扩散时的高度；
烟囱释放烟羽抬升计算模块，用于计算普通烟囱释放的烟羽有效释放 高度；
燃烧烟羽抬升计算模块，用于计算燃烧条件下释放的烟羽有效释放高 度，并计算燃烧虚点源上风向距离修正；
爆炸烟羽抬升计算模块，用于计算爆炸条件下爆炸的云顶高度和烟羽 有效释放高度，并计算爆炸虚点源上风向距离修正；
烟囱释放干沉积因子计算模块，用于计算普通烟囱释放情况下核素的 沉积因子；
燃烧与爆炸干沉积因子计算模块，用于计算燃烧与爆炸情况下核素的 沉积因子；
烟囱释放y方向浓度分布标准偏差计算模块，用于计算普通烟囱释放情 况下y方向浓度分布标准偏差；
烟囱释放z方向浓度分布标准偏差计算模块，用于计算普通烟囱释放情 况下z方向浓度分布标准偏差；
燃烧与爆炸y方向浓度分布标准偏差计算模块，用于计算燃烧与爆炸情 况下y方向浓度分布标准偏差；
燃烧与爆炸z方向浓度分布标准偏差计算模块，用于计算燃烧与爆炸情 况下z方向浓度分布标准偏差；
烟囱释放与燃烧不开启逆温层高斯扩散计算模块，用于普通烟囱释放与 燃烧情况下，逆温层不起作用时的高斯扩散模型计算；
烟囱释放与燃烧开启逆温层高斯扩散计算模块，用于普通烟囱释放与燃 烧情况下，逆温层开启时的高斯扩散模型计算；
爆炸不开启逆温层高斯扩散计算模块，用于爆炸情况下，逆温层不起作 用时的高斯扩散模型计算；
爆炸开启逆温层高斯扩散计算模块，用于爆炸情况下，逆温层开启时的 高斯扩散模型计算；
烟囱释放与燃烧剂量计算模块，用于普通烟囱释放与燃烧情况下，使 用已计算出的核素浓度值，根据每种核素的干沉积速率与降水系数计算出地 表沉积浓度，根据剂量转换因子计算出相应位置的空气浸没剂量、地面照射 剂量、不同年龄组的吸入剂量与不同年龄组的总剂量；
爆炸剂量计算模块，用于爆炸情况下，使用已计算出的核素浓度值， 根据每种核素的干沉积速率与降水系数计算出地表沉积浓度，根据剂量转换 因子计算出相应位置的空气浸没剂量、地面照射剂量、不同年龄组的吸入剂 量与不同年龄组的总剂量；
总剂量计算模块，用于计算所有核素的总的剂量贡献；
结果输出模块，用于对所有输入参数和计算结果进行格式化输出。
进一步，如上所述的事故工况下剂量计算系统的设计方法，其中，所述 的受体位置初始化模块设置16个方位角与12个距离处的共192个监测位置。
进一步，如上所述的事故工况下剂量计算系统的设计方法，其中，所述 的烟囱释放烟羽抬升计算模块分别计算烟羽的浮力上升与动量上升，选择二 者计算结果中较大的一个作为有效释放高度结果。
进一步，如上所述的事故工况下剂量计算系统的设计方法，其中，所述 的燃烧烟羽抬升计算模块只计算烟羽的浮力上升，并使用燃烧半径修正有效 释放高度；该模块假设燃烧条件下会产生一个上风向虚点源，y方向浓度分 布标准偏差与z方向浓度分布标准偏差在燃烧点上方等于燃烧半径的50％， 然后通过浓度分布标准偏差计算公式得到虚点源的上风向距离。
进一步，如上所述的事故工况下剂量计算系统的设计方法，其中，所述 的爆炸烟羽抬升计算模块默认使用Church公式进行爆炸云顶高度的计算， 并可以根据输入参数选择是否使用绿野公式进行爆炸云顶高度计算，爆炸条 件会将核素分为5个高度进行等效计算，设定地面高度、20％云顶高度、40％ 云顶高度、60％云顶高度、80％云顶高度为5个有效释放高度，每个有效释放 高度的核素份额由输入参数导入；该模块假设爆炸条件下会产生上风向虚点 源，y方向浓度分布标准偏差在爆炸点上方等于云顶高度的10％，z方向浓度分布标准偏差在爆炸点上方等于云顶高度的20％，然后通过浓度分布标准偏 差计算公式得到虚点源的上风向距离。
进一步，如上所述的事故工况下剂量计算系统的设计方法，其中，所述 的烟囱释放烟羽抬升计算模块、燃烧烟羽抬升计算模块、爆炸烟羽抬升计算 模块通过迭代求解有效释放高度值，根据已知参数赋予迭代的初始值，当新 的值与之前的值差异小于前一个值的0.1％时，结束迭代。
进一步，如上所述的事故工况下剂量计算系统的设计方法，其中，所述 的烟囱释放干沉积因子计算模块和所述的燃烧与爆炸干沉积因子计算模块使 用双沉积速率方法论，可吸入部分和不可吸入部分分别使用单独的沉积速率 计算沉积因子；计算沉积因子时需要求对下风向距离的积分，通过使用梯形 公式计算积分，下风向距离以1m为单位进行区间分割，每个区间的函数值 当作该区间的面积，通过累加所有区间的面积，最终得到总面积，求出干沉 积因子值。
进一步，如上所述的事故工况下剂量计算系统的设计方法，其中，所述 的结果输出模块以笛卡尔坐标呈现输出格式，范围为以事故点为原点，X与Y 轴的范围80km，正负值代表不同方向，1km为最小刻度值，最终以161×161 的矩阵输出结果。
本发明的有益效果如下：本发明提供的事故工况下剂量计算系统的设计 方法，基于高斯扩散模型，计算出相应位置的核素浓度与地面沉积浓度，并 使用剂量转换因子，计算出相应位置的空气浸没剂量、地面照射剂量、多个 年龄组的吸入剂量与总剂量。本发明尽量多的划分模块(共划分25个子模 块)，每个模块之间相互独立，又可彼此调用，该设计方法为后续持续优 化、纠错溯源、扩充功能以及二次开发奠定了基础。
该方法在有效释放高度值的计算中使用了迭代模式，针对公式为一元 多次方程的情况，根据已知参数赋予迭代的初始值，不断迭代，当新的值与 之前的值差异小于前一个值的0.1％时，结束迭代，完成求解。
该方法在求解干沉积因子的过程中使用面积积分的方法，通过求解该 函数与X轴与Y轴所围面积，得到最终干沉积因子的值，首先将0-80km的距 离划分为单位长度为1m的区间，每个区间的函数值当作该区间的面积，通 过编程累加所有区间的面积，最终得到总面积，求出干沉积因子值。
本发明软件系统的输出格式以笛卡尔坐标呈现，范围为以事故点为原 点，X与Y轴的范围80km，正负值代表不同方向，1km为最小刻度值，最终 以161×161的矩阵输出结果。这种输出结果显示更直观，从输出矩阵中可 直接快速识别方位及剂量值，且输出矩阵以1km为最小刻度值，结果更精 细，准确。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解 释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于Hotspot软件的原理与公式进行事故工况下剂量计 算系统设计的方法。该系统基于高斯扩散模型，计算出相应位置的核素浓度与 地面沉积浓度，并使用剂量转换因子，计算出相应位置的空气浸没剂量、地面 照射剂量、四个年龄组(婴儿、儿童、青年以及成人)的吸入剂量与四个年龄 组的总剂量。该系统可以模拟三种释放与大气扩散类型：普通烟囱释放、燃烧 与爆炸。软件系统考虑了大气稳定度、地形表面粗糙度、逆温层、干沉积、湿 沉积等因素对核素扩散的影响，使用高斯扩散模型并使用多种修正方法计算核 素浓度，得到核素浓度后使用剂量转换因子计算出各年龄组人群的剂量值。
本发明提供的事故工况下剂量计算系统分为25个模块，模块列表如下：
1.main_module(主程序模块)
2.input_module(参数输入模块)
3.constants_module(常数存储模块)
4.source_info(源项类定义模块)
5.receptor_info(受体类定义模块)
6.receptor_module(受体位置初始化模块)
7.coordiante_convers ion_module(坐标转换模块)
8.adjust_wind_speed_module(有效释放高度风速计算模块)
9.plume_rise_module(烟囱释放烟羽抬升计算模块)
10.fire_rise_module(燃烧烟羽抬升计算模块)
11.explos ion_rise_module(爆炸烟羽抬升计算模块)
12.depletion_factor_module(烟囱释放干沉积因子计算模块)
13.fire_depletion_factor_module(燃烧与爆炸干沉积因子计算模块)
14.s igma_y_module(烟囱释放y方向浓度分布标准偏差计算模块)
15.s igma_z_module(烟囱释放z方向浓度分布标准偏差计算模块)
16.fire_s igma_y_module(燃烧与爆炸y方向浓度分布标准偏差计算模块)
17.fire_s igma_z_module(燃烧与爆炸z方向浓度分布标准偏差计算模块)
18.gauss ian_1_module(烟囱释放与燃烧不开启逆温层高斯扩散计算模块)
19.gauss ian_2_module(烟囱释放与燃烧开启逆温层高斯扩散计算模块)
20.explos ion_gauss ian_1_module(爆炸不开启逆温层高斯扩散计算模块)
21.explos ion_gauss ian_2_module(爆炸开启逆温层高斯扩散计算模块)
22.dose_module(烟囱释放与燃烧剂量计算模块)
23.explos ion_dose_module(爆炸剂量计算模块)
24.total_dose_module(总剂量计算模块)
25.output_modules(结果输出模块)
1.main_module
软件系统主程序，负责所有模块的调用与参数传递，并没有具体计算功能。 所有参数的详细信息与计算过程详解将在子模块说明中给出。
2.input_module
从输入文件中读取软件系统所需的所有输入参数，输入参数的列表如下。
释放核素可能有多种，每种核素作为一个类，类内的参数列表如表1所示。
表1
Figure BDA0002836675060000061
Figure BDA0002836675060000071
每个受体(监测点位)均为一个类，类内的参数列表如表2所示。
表2
Figure BDA0002836675060000072
其余参数如表3所示。
表3
Figure BDA0002836675060000073
Figure BDA0002836675060000081
Figure BDA0002836675060000091
3.constants_module
存储软件系统所需的所有常数，包括：软件系统计算精度常数、重力加速 度、流出气体热量、空气密度、圆周率、自然常数、软件系统输出数据最小值。
4.source_info
定义源项类，源项类内参数在input_module(参数输入模块)部分表1中 已经说明。
5.receptor_info
定义受体(监测点位)类，受体(监测点位)类内参数在input_module(参 数输入模块)部分表2中已经说明。
6.receptor_module
初始化默认受体(监测点位)的位置，默认设置16个方位角与12个距离 处的共192个监测位置，从输入文件中读取自定义监测点位的位置，并设置所 有监测点位的高度。
模块输入参数如表4所示。
表4
Figure BDA0002836675060000101
模块输出参数如表5所示。
表5
Figure BDA0002836675060000102
7.coordiante_convers ion_module
高斯模型计算所需的是监测点位的下风向距离与垂直下风向距离，而软件 系统实际输入的是监测点位的绝对坐标，coordiante_convers ion_module模块 根据风向将监测点位的绝对坐标计算为相对风向的下风向距离与垂直下风向距 离，具体计算方法为公知技术。
模块输入参数如表6所示。
表6
parameter name 参数名称 数据类型 默认值 取值范围 单位
receptors 受体类 类
receptors_num 监测位置数量 整数 192 192～212
wind_direction 风向 实数 270 0～360 °
模块输出参数如表7所示。
表7
Figure BDA0002836675060000103
8.adjust_wind_speed_module
根据已知的风速随高度变化的公式，通过输入的风速测量参考高度的风速， 计算出所需高度的风速，一般用来计算有效释放高度处的风速，大气稳定度与 地形类别会影响计算参数的选择。
模块输入参数如表8所示。
表8
Figure BDA0002836675060000111
模块输出参数如表9所示。
表9
Figure BDA0002836675060000112
9.plume_rise_module
在选择普通烟囱释放，并开启烟羽上升计算后，此模块开始按公知方法计 算释放的有效释放高度。此模块会计算计算烟羽的浮力上升与动量上升，最后 选择二者计算出的较大的一个作为最终的有效释放高度结果。大气稳定度与地 形参数会影响计算参数的选择，计算过程中涉及参数的重复使用，需要进行迭 代计算得到最优解。本模块会调用adjust_wind_speed_module模块计算所需高 度处的风速。
模块输入参数如表10所示。
表10
Figure BDA0002836675060000113
Figure BDA0002836675060000121
模块输出参数如表11所示。
表11
Figure BDA0002836675060000122
10.fire_rise_module
在选择燃烧模式后，此模块开始计算释放的有效释放高度，并计算燃烧虚 点源上风向距离修正，具体计算方法为公知技术。
由于燃烧条件下动量上升与浮力上升相比可以忽律，此模块只会计算烟羽 的浮力上升。大气稳定度与地形参数会影响计算参数的选择，计算过程中涉及 参数的重复使用，需要进行迭代计算得到最优解。软件系统所使用的Briggs的 烟羽上升公式用于从可以忽视半径的烟筒释放，然而从燃烧的燃料池中造成的 烟羽上升小于Briggs的计算值，所以还需要使用燃烧半径修正有效释放高度。
本模块假设燃烧条件下会产生一个上风向虚点源，y方向浓度分布标准偏差 与z方向浓度分布标准偏差在燃烧点上方等于燃烧半径的50％，然后通过浓度分 布标准偏差计算公式得到虚点源的上风向距离。求解时的公式为已知的一元多 次方程，可以通过迭代求解，当新的值与之前的值差异小于前一个值的0.1％时， 结束迭代。
本模块会调用adjust_wind_speed_module模块计算所需高度处的风速。
模块输入参数如表12所示。
表12
Figure BDA0002836675060000123
Figure BDA0002836675060000131
模块输出参数如表13所示。
表13
Figure BDA0002836675060000132
11.explos ion_rise_module
在选择爆炸模式后，此模块开始按已知方法计算爆炸的云顶高度，与有效 释放高度，并计算爆炸虚点源上风向距离修正。
默认使用Church公式进行爆炸云顶高度的计算，可以根据输入参数选择是 否使用绿野公式进行爆炸云顶高度计算，大气稳定度会影响绿野公式的计算参 数选择。爆炸条件会将核素分为5个高度进行等效计算，设定地面高度、20％云 顶高度、40％云顶高度、60％云顶高度、80％云顶高度为5个有效释放高度，每个 有效释放高度的核素份额由输入参数导入。
与燃烧模块类似，本模块假设爆炸条件下会产生上风向虚点源，y方向浓度 分布标准偏差在爆炸点上方等于云顶高度的10％，z方向浓度分布标准偏差在爆 炸点上方等于云顶高度的20％，然后通过浓度分布标准偏差计算公式得到虚点源 的上风向距离。求解时的公式为已知的一元多次方程，可以通过迭代求解，当 新的值与之前的值差异小于前一个值的0.1％时，结束迭代。
本模块会调用adjust_wind_speed_module模块计算所需高度处的风速。
模块输入参数如表14所示。
表14
Figure BDA0002836675060000141
模块输出参数如表15所示。
表15
Figure BDA0002836675060000142
12.depletion_factor_module
此模块计算普通烟囱释放情况下核素的沉积因子。软件系统假定核素随着 下风向距离的增加而损耗。烟羽的损耗通过在源项乘上沉积因子来实现。使用 由Van derHoven总结的公式计算。本软件系统使用双沉积速率方法论。可吸 入部分和不可吸入部分的分别使用单独的沉积速率计算乘积因子。计算沉积因 子时需要求对下风向距离的积分，本软件系统使用梯形公式计算积分，下风向 距离以1m为单位进行分割，最后求和计算积分值。大气稳定度与地形类别会影 响计算的参数选择，并针对表面粗糙度进行了修正。
模块输入参数如表16所示。
表16
Figure BDA0002836675060000151
模块输出参数如表17所示。
表17
Figure BDA0002836675060000152
13.fire_depletion_factor_module
此模块计算燃烧与爆炸情况下核素的沉积因子。软件系统假定核素随着下 风向距离的增加而损耗。烟羽的损耗通过在源项乘上沉积因子来实现。使用由 Van der Hoven总结的公式计算。本软件系统使用双沉积速率方法论。可吸入部 分和不可吸入部分的分别使用单独的沉积速率计算乘积因子。计算沉积因子时 需要求对下风向距离的积分，本软件系统使用梯形公式计算积分，下风向距离 以1m为单位进行分割，最后求和计算积分值。由于燃烧与爆炸情况假定了虚点 源，需要使用z方向的燃烧(爆炸)虚点源上风向距离修正，具体方法为现有 技术。大气稳定度与地形类别会影响计算的参数选择，并针对表面粗糙度进行 了修正。
模块输入参数如表18所示。
表18
Figure BDA0002836675060000161
模块输出参数如表19所示。
表19
Figure BDA0002836675060000162
14.s igma_y_module
计算普通烟囱释放情况下y方向浓度分布标准偏差。大气稳定度与地形类 别会影响计算参数的选择，并使用采样时间对结果进行修正。
模块输入参数如表20所示。
表20
Figure BDA0002836675060000171
模块输出参数如表21所示。
表21
Figure BDA0002836675060000172
15.s igma_z_module
计算普通烟囱释放情况下z方向浓度分布标准偏差。大气稳定度与地形类 别会影响计算参数的选择，并使用表面粗糙度对结果进行修正。
模块输入参数如表22所示。
表22
Figure BDA0002836675060000173
模块输出参数如表23所示。
表23
Figure BDA0002836675060000181
16.fire_s igma_y_module
计算燃烧与爆炸情况下y方向浓度分布标准偏差。大气稳定度与地形类别 会影响计算参数的选择，并使用采样时间对结果进行修正。由于燃烧与爆炸情 况使用了虚点源，需要使用y方向的虚点源上风向距离进行修正。
模块输入参数如表24所示。
表24
Figure BDA0002836675060000182
模块输出参数如表25所示。
表25
Figure BDA0002836675060000183
17.fire_s igma_z_module
计算燃烧与爆炸情况下z方向浓度分布标准偏差。大气稳定度与地形类别 会影响计算参数的选择，并使用采样时间对结果进行修正。由于燃烧与爆炸情 况使用了虚点源，需要使用z方向的虚点源上风向距离进行修正。
模块输入参数如表26所示。
表26
Figure BDA0002836675060000191
模块输出参数如表27所示。
表27
Figure BDA0002836675060000192
18.gauss ian_1_module
普通烟囱释放与燃烧情况下，逆温层不起作用时的高斯扩散模型计算。使 用高斯扩散公式，对每个核素的所有监测点位置进行计算，得到核素的可吸入 部分与不可吸入部分的浓度值。最后检查是否开启湿沉积选项，若开启则使用 降水系数对浓度进行修正。
模块输入参数如表28所示。
表28
Figure BDA0002836675060000193
Figure BDA0002836675060000201
模块输出参数如表29所示。
表29
parameter name 参数名称 数据类型 单位
concentration 核素总浓度 实数 Bq*s/m3
respirable_concentration 可吸入部分核素浓度 实数 Bq*s/m3
nonrespirable_concentration 不可吸入部分核素浓度 实数 Bq*s/m3
19.gauss ian_2_module
普通烟囱释放与燃烧情况下，逆温层开启时的高斯扩散模型计算。开启逆 温层后需要使用已知的经过修正的高斯扩散公式。为了避免两个公式间的突然 转换，当z方向浓度分布标准偏差等于0.7倍的混合层高度时开始转换，当z 方向浓度分布标准偏差等于混合层高度时完成转换。两个参数之间，两个公式 线性内插法替换。对每个核素的所有监测点位置进行计算，得到核素的可吸入 部分与不可吸入部分的浓度值。最后检查是否开启湿沉积选项，若开启则使用 降水系数对浓度进行修正。
模块输入参数如表30所示。
表30
Figure BDA0002836675060000202
Figure BDA0002836675060000211
模块输出参数如表31所示。
表31
parameter name 参数名称 数据类型 单位
concentration 核素总浓度 实数 Bq*s/m3
respirable_concentration 可吸入部分核素浓度 实数 Bq*s/m3
nonrespirable_concentration 不可吸入部分核素浓度 实数 Bq*s/m3
20.explos ion_gauss ian_1_module
爆炸情况下，逆温层不起作用时的高斯扩散模型计算。使用高斯扩散公式， 对每个核素的所有监测点位置，针对5个等效释放高度进行计算，然后求和得 到核素的可吸入部分与不可吸入部分的浓度值。最后检查是否开启湿沉积选项， 若开启则使用降水系数对浓度进行修正。
模块输入参数如表32所示。
表32
Figure BDA0002836675060000221
Figure BDA0002836675060000231
模块输出参数如表33所示。
表33
parameter name 参数名称 数据类型 单位
concentration 核素总浓度 实数 Bq*s/m3
respirable_concentration 可吸入部分核素浓度 实数 Bq*s/m3
nonrespirable_concentration 不可吸入部分核素浓度 实数 Bq*s/m3
21.explos ion_gauss ian_2_module
爆炸情况下，逆温层开启时的高斯扩散模型计算。开启逆温层后需要使用 经过修正的高斯扩散公式。为了避免两个公式间的突然转换，当z方向浓度分 布标准偏差等于0.7倍的混合层高度时开始转换，当z方向浓度分布标准偏差 等于混合层高度时完成转换。两个参数之间，两个公式线性内插法替换。使用 高斯扩散公式，对每个核素的所有监测点位置，针对5个等效释放高度进行计 算，然后求和得到核素的可吸入部分与不可吸入部分的浓度值。最后检查是否 开启湿沉积选项，若开启则使用降水系数对浓度进行修正。
模块输入参数如表34所示。
表34
Figure BDA0002836675060000241
Figure BDA0002836675060000251
模块输出参数如表35所示。
表35
parameter name 参数名称 数据类型 单位
concentration 核素总浓度 实数 Bq*s/m3
respirable_concentration 可吸入部分核素浓度 实数 Bq*s/m3
nonrespirable_concentration 不可吸入部分核素浓度 实数 Bq*s/m3
22.dos e_modu l e
普通烟囱释放与燃烧情况下，使用已计算出的核素浓度值，根据每种核素 的干沉积速率与降水系数计算出地表沉积浓度，根据剂量转换因子计算出相应 位置的空气浸没剂量、地面照射剂量、四个年龄组(婴儿、儿童、青年以及成 人)的吸入剂量与四个年龄组的总剂量。
剂量计算公式如下：
(1)烟羽浸没剂量
事故时第i时段内下风向某距离处的烟羽浸没有效剂量为：
Figure BDA0002836675060000261
式中，
Figure BDA0002836675060000262
为第i时段内，下风向距离x处烟羽中n核素经烟羽浸没途 径所致的个人有效剂量，Sv；
Figure BDA0002836675060000263
为第i时段的事故扩散因子，s·m-3；Qi，n为 第i时段内n核素的排放总量，Bq；SF为建筑物屏蔽因子，G1为烟云浸没照射 剂量转换因子，Sv(s·Bq·m-3)-1
建筑物屏蔽因子：
时段 个人 群体
0～8小时 1 0.7
>8小时 0.7 0.5
(2)地面沉积外照射剂量
事故时第i时段内下风向某距离处地面沉积所致的有效剂量为：
Figure BDA0002836675060000264
式中，
Figure BDA0002836675060000265
为第i时段内，下风向距离x处的个体受到n核素经地面沉积 照射途径所致的个人有所剂量，Sv；Ti和ti分别表示第i时段的时间长度和降 雨时间长度，h；Ti，e为第i时段内个人在污染地面上的暴露时间(Ti，e≤Ti)，s； 这里取Ti，e＝Ti，Wd,I,n为长期干沉积因子，m-2，Ww,I,n为长期湿沉积因子，m-2，G2 为地面外照射照射剂量转换因子，Sv(s·Bq·m-2)-1
(3)烟羽吸入剂量
事故时第i时段内下风向某距离处地面沉积所致的有效剂量为：
Figure BDA0002836675060000271
式中，
Figure BDA0002836675060000272
为第i时段内，下风向距离x处的个体吸入烟羽中n核素所 致的个人有效剂量，Sv；Ra为a年龄组个人的空气摄入率，m3·s-1，G3为吸入 剂量转换因子，Sv·Bq-1
各年龄组的空气摄入率(m3·s-1):
释放时间 婴儿组 儿童组 少年 成人
0－8小时 9.72×10<sup>-5</sup> 1.58×10<sup>-4</sup> 8.11×10<sup>-4</sup> 8.33×10<sup>-4</sup>
8－720小时 9.72×10<sup>-5</sup> 1.58×10<sup>-4</sup> 3.83×10<sup>-4</sup> 4.17×10<sup>-4</sup>
(4)集体有效剂量
作为保守的估计，考虑人口最多扇行方位内的集体有效剂量，则：
Figure BDA0002836675060000273
式中，Dc为评价区内事故释放所致的集体有效剂量，人·Sv；r为评价子区 径向编号，xr为子区到排放点的距离，m；fa为该子区a年龄组占人口的份额； Nr，max为人口最多扇行方位径向编号r的子区内居民人数。
模块输入参数如表36所示。
表36
Figure BDA0002836675060000274
Figure BDA0002836675060000281
模块输出参数如表37所示。
表37
parameter name 参数名称 数据类型 单位
ground_deposition 地表沉积量 实数 Bq/m2
dose 总剂量 实数 Sv
submersion_dose 空气浸没剂量 实数 Sv
ground_dose 地面照射剂量 实数 Sv
inhalation_dose 吸入剂量 实数 Sv
23.explos ion_dose_module
爆炸情况下，使用已计算出的核素浓度值，根据每种核素的干沉积速率与 降水系数计算出地表沉积浓度，根据剂量转换因子计算出相应位置的空气浸没 剂量、地面照射剂量、四个年龄组(婴儿、儿童、青年以及成人)的吸入剂量 与四个年龄组的总剂量。剂量计算公式在烟囱释放与燃烧剂量计算模块已介绍。
模块输入参数如表38所示。
表38
Figure BDA0002836675060000282
Figure BDA0002836675060000291
模块输出参数如表39所示。
表39
parameter name 参数名称 数据类型 单位
ground_deposition 地表沉积量 实数 Bq/m2
dose 总剂量 实数 Sv
submersion_dose 空气浸没剂量 实数 Sv
ground_dose 地面照射剂量 实数 Sv
inhalation_dose 吸入剂量 实数 Sv
24.total_dose_module
计算所有核素的总的剂量贡献。剂量计算公式在烟囱释放与燃烧剂量计算 模块已介绍。
模块输入参数如表40所示。
表40
parameter name 参数名称 数据类型 默认值 取值范围 单位
source_num 核素种类数量 整数
receptors_num 监测位置数量 整数 192 192～212
dose 总剂量 实数 Sv
submersion_dose 空气浸没剂量 实数 Sv
ground_dose 地面照射剂量 实数 Sv
inhalation_dose 吸入剂量 实数 Sv
模块输出参数如表41所示。
表41
parameter name 参数名称 数据类型 单位
dose_total 所有核素总剂量 实数 Bq/m2
submersion_dose_total 所有核素空气浸没剂量 实数 Sv
ground_dose_total 所有核素地面照射剂量 实数 Sv
inhalation_dose_total 所有核素吸入剂量 实数 Sv
25.output_modules
将所有的输入参数与计算结果，包括核素浓度、地面沉积浓度、空气浸没 剂量、地面照射剂量、四个年龄组(婴儿、儿童、青年以及成人)的吸入剂量 与四个年龄组的总剂量进行格式化输出。
输出格式以笛卡尔坐标呈现，范围为以事故点为原点，X与Y轴的范围80km， 正负值代表不同方向，1km为最小刻度值，最终以161×161的矩阵输出结果。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发 明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化， 这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开 的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。这样，倘若对本发明的这些变型、 用途适应性变化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 图包含这些改变型和用途适应性变化在内。
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 (8)

1.一种事故工况下剂量计算系统的设计方法，其特征在于，将剂量计算系统划分为如下模块，每个模块之间相互独立，又可彼此调用，
主程序模块，用于实现所有功能模块的调用和参数传递；
参数输入模块，用于从输入文件中读取系统所需的所有输入参数；
常数存储模块，用于存储系统所需的所有常数；
源项类定义模块，用于定义源项类；
受体类定义模块，用于定义受体类；
受体位置初始化模块，用于从输入文件中读取自定义的监测点位的位置，作为默认受体位置，并设置所有监测点位的高度；
坐标转换模块，用于根据风向将监测点位的绝对坐标计算为相对风向的下风向距离与垂直下风向距离；
有效释放高度风速计算模块，用于根据风速随高度变化的公式计算有效释放高度处的风速，所述有效释放高度是指烟囱高度与烟羽抬升高度相叠加之后的高度；
烟囱释放烟羽抬升计算模块，用于计算普通烟囱释放的烟羽有效释放高度；
燃烧烟羽抬升计算模块，用于计算燃烧条件下释放的烟羽有效释放高度，并计算燃烧虚点源上风向距离修正；
爆炸烟羽抬升计算模块，用于计算爆炸条件下爆炸的云顶高度和烟羽有效释放高度，并计算爆炸虚点源上风向距离修正；
烟囱释放干沉积因子计算模块，用于计算普通烟囱释放情况下核素的沉积因子；
燃烧与爆炸干沉积因子计算模块，用于计算燃烧与爆炸情况下核素的沉积因子；
烟囱释放y方向浓度分布标准偏差计算模块，用于计算普通烟囱释放情况下y方向浓度分布标准偏差；
烟囱释放z方向浓度分布标准偏差计算模块，用于计算普通烟囱释放情况下z方向浓度分布标准偏差；
燃烧与爆炸y方向浓度分布标准偏差计算模块，用于计算燃烧与爆炸情况下y方向浓度分布标准偏差；
燃烧与爆炸z方向浓度分布标准偏差计算模块，用于计算燃烧与爆炸情况下z方向浓度分布标准偏差；
烟囱释放与燃烧不开启逆温层高斯扩散计算模块，用于普通烟囱释放与燃烧情况下，逆温层不起作用时的高斯扩散模型计算；
烟囱释放与燃烧开启逆温层高斯扩散计算模块，用于普通烟囱释放与燃烧情况下，逆温层开启时的高斯扩散模型计算；
爆炸不开启逆温层高斯扩散计算模块，用于爆炸情况下，逆温层不起作用时的高斯扩散模型计算；
爆炸开启逆温层高斯扩散计算模块，用于爆炸情况下，逆温层开启时的高斯扩散模型计算；
烟囱释放与燃烧剂量计算模块，用于普通烟囱释放与燃烧情况下，使用已计算出的核素浓度值，根据每种核素的干沉积速率与降水系数计算出地表沉积浓度，根据剂量转换因子计算出相应位置的空气浸没剂量、地面照射剂量、不同年龄组的吸入剂量与不同年龄组的总剂量；
爆炸剂量计算模块，用于爆炸情况下，使用已计算出的核素浓度值，根据每种核素的干沉积速率与降水系数计算出地表沉积浓度，根据剂量转换因子计算出相应位置的空气浸没剂量、地面照射剂量、不同年龄组的吸入剂量与不同年龄组的总剂量；
总剂量计算模块，用于计算所有核素的总的剂量贡献；
结果输出模块，用于对所有输入参数和计算结果进行格式化输出。
2.如权利要求1所述的事故工况下剂量计算系统的设计方法，其特征在于，所述的受体位置初始化模块设置16个方位角与12个距离处的共192个监测位置。
3.如权利要求1所述的事故工况下剂量计算系统的设计方法，其特征在于，所述的烟囱释放烟羽抬升计算模块分别计算烟羽的浮力上升与动量上升，选择二者计算结果中较大的一个作为有效释放高度结果。
4.如权利要求1所述的事故工况下剂量计算系统的设计方法，其特征在于，所述的燃烧烟羽抬升计算模块只计算烟羽的浮力上升，并使用燃烧半径修正有效释放高度；该模块假设燃烧条件下会产生一个上风向虚点源，y方向浓度分布标准偏差与z方向浓度分布标准偏差在燃烧点上方等于燃烧半径的50％，然后通过浓度分布标准偏差计算公式得到虚点源的上风向距离。
5.如权利要求1所述的事故工况下剂量计算系统的设计方法，其特征在于，所述的爆炸烟羽抬升计算模块默认使用Church公式进行爆炸云顶高度的计算，并可以根据输入参数选择是否使用绿野公式进行爆炸云顶高度计算，爆炸条件会将核素分为5个高度进行等效计算，设定地面高度、20％云顶高度、40％云顶高度、60％云顶高度、80％云顶高度为5个有效释放高度，每个有效释放高度的核素份额由输入参数导入；该模块假设爆炸条件下会产生上风向虚点源，y方向浓度分布标准偏差在爆炸点上方等于云顶高度的10％，z方向浓度分布标准偏差在爆炸点上方等于云顶高度的20％，然后通过浓度分布标准偏差计算公式得到虚点源的上风向距离。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的事故工况下剂量计算系统的设计方法，其特征在于，所述的烟囱释放烟羽抬升计算模块、燃烧烟羽抬升计算模块、爆炸烟羽抬升计算模块通过迭代求解有效释放高度值，根据已知参数赋予迭代的初始值，当新的值与之前的值差异小于前一个值的0.1％时，结束迭代。
7.如权利要求1所述的事故工况下剂量计算系统的设计方法，其特征在于，所述的烟囱释放干沉积因子计算模块和所述的燃烧与爆炸干沉积因子计算模块使用双沉积速率方法论，可吸入部分和不可吸入部分分别使用单独的沉积速率计算沉积因子；计算沉积因子时需要求对下风向距离的积分，通过使用梯形公式计算积分，下风向距离以1m为单位进行区间分割，每个区间的函数值当作该区间的面积，通过累加所有区间的面积，最终得到总面积，求出干沉积因子值。
8.如权利要求1所述的事故工况下剂量计算系统的设计方法，其特征在于，所述的结果输出模块以笛卡尔坐标呈现输出格式，范围为以事故点为原点，X与Y轴的范围80km，正负值代表不同方向，1km为最小刻度值，最终以161×161的矩阵输出结果。
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