CN114547890A - 一种核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法 - Google Patents
一种核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114547890A CN114547890A CN202210168093.3A CN202210168093A CN114547890A CN 114547890 A CN114547890 A CN 114547890A CN 202210168093 A CN202210168093 A CN 202210168093A CN 114547890 A CN114547890 A CN 114547890A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- aerosol
- data
- particle size
- distribution
- dimensional
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 title claims abstract description 233
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 82
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 title claims abstract description 43
- 238000011109 contamination Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 79
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 77
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 74
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 67
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 24
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 43
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 28
- 239000000779 smoke Substances 0.000 claims description 24
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 22
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 claims description 16
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 13
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 5
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 3
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 12
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 abstract description 5
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000941 radioactive substance Substances 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- ZSLUVFAKFWKJRC-IGMARMGPSA-N 232Th Chemical compound [232Th] ZSLUVFAKFWKJRC-IGMARMGPSA-N 0.000 description 1
- 241001649190 Campsis Species 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052776 Thorium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 238000012950 reanalysis Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Graphics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
本发明为解决现有模拟方法在源项处理过程中简化处理，气溶胶的动力学特性差异，降低准确性的同时也具有局限性，无法准确进行核事故放射性气溶胶沾染的理论模拟，为核事故应急提供有力的技术支持，而提供了一种核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法。该模拟方法通过对核事故工况下放射性气溶胶颗粒物在大气中的扩散输运计算，描述气溶胶浓度的三维时空分布，同时准确计算气溶胶的沉降效应，沾染区的范围及重要沉降参数，最终获得地表的剂量场分布，为事故后果评价、辐射防护、作业路径优化等工作提供技术支持。
Description
技术领域
本发明及核设施事故后果评价技术领域，具体涉及一种核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法。
背景技术
核电厂的安全壳、核设施以及某些核装置的外层保护结构是防止放射性物质向外泄漏的重要物理实体屏障，但其在严重核事故工况下会发生破损，从而导致放射性气溶胶颗粒物弥散到大气环境中，并随着大气扩散运动而向下风向漂移，同时由于重力以及湍流扩散等作用向地面沉降，最终会在下风向产生大面积的沾染区，对该区域内的人员健康安全造成严重影响，使得国家经济蒙受巨大损失。比如1986年乌克兰切尔诺贝利核事故中，在反应堆本身设计缺陷以及操作人员违规操作的双重作用下，短短四秒钟内反应堆的功率就升高至满功率的100倍左右，并紧接着连续发生了两次蒸汽爆炸，将反应堆厂房房顶炸开了一个大洞，混杂着石墨裂变碎片等高放射性物质直冲云霄，并随着高空气流运动扩散至白俄罗斯、俄罗斯等国乃至欧洲其它地区，造成了这些国家大片地区严重的环境污染。
近些年来，在核事故源项及扩散研究领域，相关研究人员已经针对该问题进行了相关理论研究，比如中国科学院大学的吕晓雯采用修正的高斯烟羽模型对2MW的液态钍基熔盐实验堆(TMSR-LF1)气载放射性流出物在远场的扩散迁移进行分析，从而能够定量评价不同物理参数对高斯烟羽模型计算结果的影响。中国人民武装警察部队学院的王孔森利用高斯模型进行了核电厂事故中核素气溶胶烟羽扩散的模拟研究，分析了影响气溶胶扩散的主要几何参数和气象因素，探求了放射性污染物在地面上的浓度分布，最大浓度位置以及安全范围的划分等问题。
从以上文献不难看出：高斯模式的优点是能够直接获得浓度分布的解析表达式，因此使用简便。但是，由于高斯模式模型本身较为简单，因此具有以下局限性：
(1)该模式的经典适用范围在20km以内，因此对于中远区扩散输运及沉降现象，高斯模式无法进行准确模拟预测；
(2)该模式只能考虑点源的扩散计算，在源的几何特性及参数分配特性较为复杂的情况下，高斯模式无法直接考虑；
(3)因为缺乏相应的气象模型的支持，该模型无法考虑复杂的气象过程变化对气溶胶物理行为的影响，因此计算结果与真实情况差异较大；
(4)该模式为稳态模式，无法直接在模型中进行瞬态计算，因此模型求解出的浓度场都是恒定的，无法直接求解浓度及沉降参数随时间的变化特性。
除了高斯模式以外，也有研究人员利用其它方法进行了类似的数值模拟工作。如中国专利《核事故场外后果评价中拉格朗日烟团大气扩散模拟方法》(公开号：CN107526908A)，将拉格朗日烟团大气扩散模拟方法引入了核事故场外后果评价中；中国专利《一种基于集成大气扩散模型的源项释放反演和扩散预测方法》(公开号：CN110457829A)，将CFD、Aeromod和Calpuff三种大气扩散模型进行了集成，用于不同尺度的大气扩散数值模拟计算；中国专利《一种事故时放射性核素大气扩散轨迹集合预测计算方法》(公开号：CN105069299A)，公开了一种放射性核素事故大气扩散轨迹预测的计算方法；中国专利《一种核物质大气扩散及沉降多尺度模拟方法及系统》(公开号：CN111898296A)，则通过多尺度嵌套技术实现了对放射性物质的扩散沉降模拟。
从上述专利可以看出，尽管在该领域相关研究人员已经开展了许多工作，但仍存在一些不足：
(1)目前所有的计算模式大多都在源项处理过程中进行了相当程度的简化，大多将其等效为点源或者简化的烟团进行处理，忽略了释放源的初始几何特性、放射性物质的分配特性及时间变化特性。而对于中远区扩散沉降而言，源项的几何差异、放射性活度的内在不均匀性以及单位释放率随时间的变化毫无疑问会导致后续的扩散及沉降特性出现明显差异，因此这种简化无疑会大大降低计算的准确性；
(2)目前的计算模式很难去进一步考虑气溶胶的动力学特性差异对计算结果的影响。核事故中外泄气溶胶的物理特性差异很大，进而会影响到气溶胶的动力学特性，而这种差异也会造成后续的计算结果的差异，因此目前的模型均存在局限性。
综上所述，上述计算方法并无法准确进行核事故放射性气溶胶沾染的理论模拟。为了准确而全面地进行核事故后果预测及评价，为核事故应急提供有力的技术支持，需要发展一种新的模拟方法来满足上述需求，该方法能够考虑复杂的源项几何特性、活度分配特性以及时间变化特性对气溶胶扩散沉降计算结果的影响；此外，该方法还能够考虑气溶胶的不同空气动力学特性对计算结果的差异，使得计算结果更加准确。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，从而实现核事故工况下放射性气溶胶颗粒物在大气中的扩散输运计算，描述气溶胶浓度的三维时空分布，同时准确计算气溶胶的沉降效应，获得沾染区的范围及重要沉降参数，最终获得地表的剂量场分布，为事故后果评价、辐射防护、作业路径优化等工作提供技术支持。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种针对核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、确定所要模拟的核事故的关键数据信息；
所述关键数据信息包括核事故的发生时刻及停止时刻、事故发生地的具体地理位置信息、以放射性活度表征的气溶胶的总释放量及不同的粒径区间的大致分布、单位时间内气溶胶随时间释放量变化、不同气溶胶粒径区间所占的份额和稳定气溶胶烟团的几何参数及初始的放射性活度分配系方式；
所述稳定气溶胶烟团的几何参数包括烟团宽度及高度；
步骤2、根据核事故的关键数据信息，确定事故模拟的起始时刻和终止时刻，收集全时段的原始气象数据和气象同化数据，作为沾染计算的原始气象数据；
步骤3、根据核事故发生地的地理位置信息，收集获得整个模拟区域的静态地形数据，作为沾染计算的原始静态地形数据；
所述静态地形数据包括核事故发生地的高程、水系、地表覆盖信息；
步骤4、对原始气象数据和原始静态地形数据进行解码和信息提取，转换格式预备在模拟区域进行空间信息要素插值；
步骤5、基于先进的气象学模式设定步骤1)-4)得到的相关数据信息参数，对模拟区域进行数值模拟，获得随时间的变化的动态三维气象场数据；
步骤6、从模拟区域动态三维气象场数据中提取出动态三维风场变化数据及湍流扩散数据，作为后续污染扩散计算的驱动参数；
步骤7、利用程序设计语言编写源项生成模块，通过几何建模、网格划分及放射性活度匹配，生成沾染计算所需的源项文件；
步骤8、根据气溶胶粒径分布的不同，耦合动态三维风场变化数据和湍流扩散数据，通过源项模块生成的源项文件，进行气溶胶颗粒物的三维扩散输运及沉降计算，获得气溶胶浓度的三维时空分布特性；
步骤9、从气溶胶浓度的三维时空分布特性数据中提取动态地表气溶胶浓度变化数据，再根据地表不同位置的气溶胶沉降速率，结合动态地表气溶胶浓度变化数据，计算地表气溶胶沉积速率以及总沉积量；
步骤10、根据地表的气溶胶沉积速率以及总沉积量，计算模拟区域内每个地表网格内的气溶胶累积沉积量，绘制模拟区域的γ辐射剂量率分布云图，为后续的事故应急提供技术支持。
进一步地，所述的不同的粒径区间按照空气动力学分布特性进行分类，一类为小粒径气溶胶群，另一类为大粒径气溶胶群；
所述小粒径气溶胶采用连续谱粒度分布方法进行模拟，所述大粒径气溶胶采取粒径分群法进行模拟。
进一步地，所述小粒径气溶胶的粒径为0～10μm，大粒径气溶胶的粒径大于 10μm；所述小粒径气溶胶粒度服从对数正态分布：
其中，d为气溶胶粒径；dg为气溶胶几何平均直径；σg为气溶胶几何标准偏差；
所述大粒径气溶胶采用粒径分群方式进行分类，每一个粒径群均具有典型的平均粒径，采用统一的粒径及相关空气动力学物性参数进行描述。
进一步地，步骤5具体为：
5.1、根据地形数据分辨率、模拟区域中心经纬度等地理信息参数，确定模拟区域的水平空间位置；
5.2、根据模拟区域的水平网格参数，确定模拟区域的水平网格划分方式；
5.3、根据垂直层数目及垂直层划分方式，确定模拟区域的空间网格划分方式；
5.4、设定数值模拟的起止时刻、气象数据及地形数据索引路径、输出文件格式及路径等重要计算参数；
5.5、基于三维网格化的气象学模式开展数值模拟计算，获得随时间的变化的动态三维气象场数据；
5.6、提取出三维风场数据及湍流扩散系数分布数据，作为后续计算的输入参数。
进一步地，步骤7具体为：
7.1、设定释放位置的详细经纬度参数，并以该经纬度所确定的位置作为水平网格原点；
7.2、基于已知的烟团几何参数及放射性活度分配系数，设置两个不同的水平偏移量及高度层参数的差异构建网格化的三维烟团几何模型，根据放射性活度分配系数在每个子网格中设置放射性气溶胶随时间变化的释放率，建立核事故源项气溶胶烟团活度浓度分布数据集；
7.3、利用程序设计语言将核事故源项气溶胶烟团活度浓度分布数据集进行三维化建模处理，并转化生成沾染计算所需的源项文件。
进一步地，步骤8具体为：
对于小粒径气溶胶，根据风速大小及方向、湍流扩散系数，利用气溶胶的三维平流扩散方程计算该类型气溶胶的扩散输运轨迹，获取气溶胶浓度的三维时空分布特性；
所述气溶胶的三维平流扩散方程为：
其中：
t为时间；
x、y、z分别为三个坐标轴方向(x、y为水平方向，z为垂直方向)；
Kx、Ky、Kz分别为三个坐标轴方向(对应x、y、z)的湍流扩散系数；
对于大粒径气溶胶，主要受重力沉降以及风场载带作用的影响，可以简化湍流扩散过程，根据粒径群的空气动力学特性观测获得定常扩散系数和在竖直风速项中叠加重力沉降的影响，通过修正的气溶胶三维平流扩散方程获得大粒径气溶胶的三维扩散输运特性数据。
进一步地，步骤9具体为：
9.1、从气溶胶浓度的三维时空分布特性数据中取出地表第一层网格的浓度数据；
9.2、计算气溶胶的沉积速度vd：
其中：
g为重力加速度；
da为气溶胶空气动力学直径；
ρp为气溶胶密度；
ρair为空气密度；
νg为空气运动黏度；
Cc为气溶胶线性滑移系数；
所述气溶胶线性滑移系数Cc为：
Cc＝1.0+1.246(2λ/D)
其中：
λ为空气平均自由程；
D为气溶胶直径；
9.3、计算单位时间内地表气溶胶沉积通量(即地表气溶胶沉积速率)：
其中：
Fc为单位时间内地表气溶胶沉积通量；
9.4、计算域每个地表网格中的气溶胶沉积通量，获得气溶胶沉积率的分布数据；
9.5、将每个地表网格单位时间内气溶胶沉积通量按时间进行积分，获得不同计算时刻的气溶胶累积沉积通量分布数据。
进一步地，步骤10具体为：
根据计算域内的气溶胶累积沉积通量分布数据，计算单核素模式下每个地表网格内的γ辐射剂量
其中：
ω为以活度形式表示的气溶胶累积沉积通量；
μa为线衰减系数；
μ为线吸收系数；
b为距离地面的距离，一般取1m；
K为积累因子常数；
Ei(μb)为特定指数积分，其值可通过查表获得；
计算单位时间内计算域每个地表网格中γ剂量率数据，绘制模拟区域的γ剂量率分布云图，为后续的事故应急提供技术支持。
进一步地，对于小粒径气溶胶采用连续谱粒度分布方法进行模拟，对于大粒径气溶胶采取粒径分群法进行模拟；
所述小粒径气溶胶粒度服从对数正态分布：
其中，d为气溶胶粒径；dg为气溶胶几何平均直径；σg为气溶胶几何标准偏差。
所述大粒径气溶胶采用粒径分群方式进行分类，每一个粒径群均具有典型的平均粒径，采用统一的粒径及相关空气动力学物性参数进行描述。
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明提供的核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，能够考虑并模拟中尺度范围内的气溶胶扩散输运及沉降现象，对于严重核事故中气溶胶的中远区扩散沉降的模拟结果良好。
2、本发明提供的核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，由于在计算过程中引入了先进的三维气象学模式，因此能够考虑气象过程变化对于气溶胶物理行为的影响，同时能够获得三维气象场随时间的变化数据，计算模型更加先进，气象数据更加全面，因此计算结果也会更加准确。
3、本发明提供的核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，由于编写了专用的源项生成脚本，因此能够考虑复杂的源项特性，例如源的几何特性、放射性活度的初始分配特性等都可以在源项生成过程中加以考虑。
4、本发明提供的核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，能够实现瞬态计算，获得不同物理量随时间的变化特性。
5、本发明提供的核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，不仅仅适用于核设施及核装置在严重事故情况下的放射性气溶胶扩散及沾染分析，针对于不同的计算对象以及物理问题，本发明模拟方法可以在该基础之上进行扩展。
附图说明
图1为本发明核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法实施例的模拟流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供的一种核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法的基本流程，具体包括以下步骤：
步骤1、确定所要模拟的核事故的关键数据信息
1.1、确定核事故的发生时刻及停止时刻。发生时刻可从事故发生后放射性气溶胶外泄到外部环境中的时刻开始起算，停止时刻即为气溶胶释放率降低为0 的时刻。时间需要精确到秒，发生时刻及停止时刻均以XXXX年XX月XX日 XX时XX分XX秒的形式来表示。
1.2、确定事故发生地的具体地理位置信息，该位置以释放源所在位置为准，具体以详细的经纬度参数进行表示，具体表示方式为：XXX°XX’XX”N/S， XXX°XX’XX”W/E。
1.3、确定以放射性活度表征的气溶胶的总释放量及对应的粒径区间的大致分布，相关参数可通过测量手段或者理论计算获得。
其中按照不同粒径气溶胶的空气动力学分布特性可将不同粒径的气溶胶进行分类讨论：以10μm为界分为大粒径气溶胶以及小粒径气溶胶两个群，一般小粒径气溶胶服从对数正态分布，因此可以考虑为连续谱；对于大粒径气溶胶可以进行粒径分群，每个粒径群均具有典型的平均粒径，采用统一的粒径及相关空气动力学物性参数进行描述。通过上述方式构建出气溶胶的粒径分布及放射性活度的匹配关系。
其中0～10μm气溶胶的粒度对数正态分布函数如下所示：
其中：d为气溶胶粒径；dg为气溶胶几何平均直径；σg为气溶胶几何标准偏差。
1.4、通过理论计算及实测手段获得放射性气溶胶的释放率(一般以每小时放射性活度释放量为单位)随时间的变化情况作为重要源项参数，一般以每半天或者每天的释放率取平均值。
1.5、确定稳定气溶胶烟团的几何参数及初始的放射性活度分配系方式，一般重要的烟团几何参数包括烟团宽度及高度，相关几何参数可通过烟团观测手段及经验公式计算获得；初始的放射性活度分配可基于烟团在垂直方向的温度变化(可通过红外观测获得)及尺寸变化做大致推测。
以上参数即为进行核事故放射性气溶胶沾染的主要参数，是进行后续数值模拟的必要条件。
步骤2、根据实际需求确定本次模拟的起始时刻及终止时刻，获得从模拟起始时刻到模拟终止时刻之间全时段(该时段能够完全囊括放射性气溶胶的释放时段)的原始气象数据资料，一般全时段原始气象数据资料为grib2格式的fnl 气象再分析资料，一般单个数据文件可包含6h内的完整气象数据。此外需要补充特定格式的气象同化资料，对后续的气象模拟场进行数据修正。上述原始气象数据资料集及气象同化资料集可由互联网渠道获得。
步骤3、根据核事故发生地的地理位置信息，获得整个模拟区域的静态地形数据资料集，该集合中主要包含高程、水系、地表覆盖等重要参数，该集合可由互联网渠道获得，也可搜集事故发生地的地理信息资料自行制作。
步骤4、对grib2格式的气象数据集进行解码，从原始气象数据集中提取出重要的气象信息要素，同时对静态地形数据集进行解码，从中提取关键的地理信息要素，使其转换为后续数值模拟计算可利用的格式，然后将气象要素及地理信息要素在模拟区域进行空间信息要素插值。解码过程可通过特定的解码程序实现。
步骤5、基于先进的气象学模式(开源程序)，对模拟区域进行数值模拟获得随时间的变化的动态三维气象场数据，具体步骤如下：
5.1、设置地形数据分辨率、模拟区域中心经纬度等地理信息参数，确定模拟区域的水平空间位置。
5.2、设置模拟区域的水平网格参数，如模拟区域中心的经纬度、水平方向的网格格点数、最外层网格的格局以及不同嵌套层的网格格局比例因子等参数，确定模拟区域的水平网格划分方式。
5.3、数值计算的垂直层数目及垂直层划分方式，最终确定模拟区域的空间网格划分方式。
5.4、设置数值模拟的起止时刻、气象数据及地形数据索引路径、输出文件格式及路径等重要计算参数。
5.5、基于三维网格化的气象学模式开展数值模拟计算，获得随时间的变化的动态三维气象场数据。
5.6、从计算获得的气象场数据中提取出动态三维风场数据及湍流扩散系数分布数据，作为后续计算的输入参数。
步骤6、从中提取出动态三维风场变化数据及湍流扩散系数等关键要素数据，作为后续污染扩散计算的驱动参数。
步骤7、为了清晰描述释放源的演变过程，为后续计算提供精细而准确的源项数据，需要采用python语言编写源项生成模块，在该模块中能够同时考虑源项几何特性、放射性活度分配特性以及源项数据随时间的演变特性，生成计算所需netcdf格式的源项文件，具体过程如下：
7.1、在文本文件中设定释放位置的详细经纬度参数，并以该经纬度所确定的位置作为水平网格原点。
7.2、基于已知的烟团几何参数及放射性活度分配系数，通过设置两个不同的水平偏移量及高度层参数的差异构建网格化的三维烟团几何模型，并根据放射性活度分配系数在每个子网格中设置放射性气溶胶的释放率随时间的变化参数，从而通过上述脚本文件建立核事故源项气溶胶烟团活度浓度分布数据集。
7.3、利用程序设计语言将上述核事故源项气溶胶烟团活度浓度分布数据集进行三维化建模处理，将其转化为netcdf格式的源项数据文件，供后续计算使用。
步骤8、基于随时间变化的三维风场数据、湍流扩散数据、通过源项生成模块生成的源项文件等信息要素，来开展气溶胶的三维扩散输运数值模拟计算。
根据气溶胶空气动力学特性的不同，对于不同粒径的气溶胶，在扩散计算上存在一定的差异：
8.1、对于具有连续谱特性的小粒径气溶胶，湍流是该类型气溶胶发生扩散输运的主要驱动力，因此可直接由风速大小及方向、湍流扩散系数，通过气溶胶的三维平流扩散方程来计算该类型气溶胶的扩散输运轨迹，获取气溶胶浓度的三维时空分布特性；
气溶胶的三维平流扩散方程如下式所示：
其中：
t为时间；
x、y、z分别为三个坐标轴方向(x、y为水平方向，z为垂直方向)；
Kx、Ky、Kz分别为三个坐标轴方向(对应x、y、z)的湍流扩散系数；
在上式中，每个子网格的三维风场以及湍流扩散系数数据可直接代入，由于在考虑放射性情况下化学反应并不对放射性气溶胶的活度浓度产生影响，因此
可以直接略掉。
即为源项，该参数通过源项生成模块获得。
在进行三维数值计算的过程中，需要采用差分方法将模拟区域中每个子网格的扩散方程的差分格式进行联立求解，并在时间步长上向前递进。
8.2、对于大粒径气溶胶而言，一般很难用对数正态分布去描述气溶胶的动力学特性，因此对于该类型的气溶胶按照典型粒径分为若干群，每群大粒子均具有典型的空气动力学直径，通过该直径可进一步计算出该群粒子的重力沉降速度。由于湍流对于大粒径粒子的扩散输运影响很弱，其运动主要受重力沉降以及风场载带作用的影响，因此在上述气溶胶的三维平流扩散方程中忽略湍流扩散项，将其替换为定常扩散系数(根据该粒径群的空气动力学特性由观测获得)，同时在竖直风速项中叠加重力沉降的影响，即可通过修正的气溶胶三维平流扩散方程获得大粒径气溶胶的三维扩散输运特性数据。
步骤9、在获取气溶胶浓度的三维时空分布特性数据后，从该数据集中提取出随时间变化的地表第一层网格的气溶胶浓度数据，用于地表气溶胶沉积量的计算，具体过程如下：
9.1、从netcdf格式的气溶胶浓度的三维时空分布特性数据集中取出地表第一层网格的浓度数据。
9.2、由下式确定气溶胶的沉积速度：
其中：
vd为气溶胶沉积速度；
g为重力加速度；
da为气溶胶空气动力学直径；
ρp为气溶胶密度；
ρair为空气密度；
νg为空气运动黏度；
Cc为气溶胶线性滑移系数。
气溶胶线性滑移系数由下式确定：
Cc＝1.0+1.246(2λ/D)
其中：
λ为空气平均自由程；
D为气溶胶直径。
9.3、由下式确定单位时间内地表气溶胶沉积通量(即地表气溶胶沉积速率)：
其中：
Fc为单位时间内地表气溶胶沉积通量。
9.4、依照上式计算单位时间内计算域每个地表网格中的气溶胶沉积通量，获得气溶胶沉积率的分布数据。
9.5、将每个地表网格单位时间内气溶胶沉积通量按时间进行积分，获得不同计算时刻的气溶胶累积沉积通量分布数据。
气溶胶累积沉积通量分布数据即可用于后续辐射剂量计算。
步骤10、根据计算域内的气溶胶累积沉积通量分布数据，采用下式即可获得单核素模式下每个地表网格内的γ辐射剂量：
其中：
ω为以活度形式表示的气溶胶累积沉积通量；
μa为线衰减系数；
μ为线吸收系数；
b为距离地面的距离，一般取1m；
K为积累因子常数；
Ei(μb)为特定指数积分，其值可通过查表获得。
依照上式计算单位时间内计算域每个地表网格中γ剂量率数据，绘制模拟区域的γ剂量率分布云图，为后续的事故应急提供技术支持。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种针对核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、确定所要模拟的核事故的关键数据信息；
所述关键数据信息包括核事故的发生时刻及停止时刻、事故发生地的具体地理位置信息、以放射性活度表征的气溶胶的总释放量及不同的粒径区间的大致分布、单位时间内气溶胶随时间释放量变化、不同气溶胶粒径区间所占的份额和稳定气溶胶烟团的几何参数及初始的放射性活度分配系方式；
所述稳定气溶胶烟团的几何参数包括烟团宽度及高度；
步骤2、根据核事故的起始时刻和终止时刻，收集全时段的原始气象数据和气象同化数据，作为沾染计算的原始气象数据；
步骤3、根据核事故发生地的地理位置信息，收集获得整个模拟区域的静态地形数据，作为沾染计算的原始静态地形数据；
所述静态地形数据包括核事故发生地的高程、水系、地表覆盖信息；
步骤4、对原始气象数据和原始静态地形数据进行解码和信息提取，转换格式预备在模拟区域进行空间信息要素插值；
步骤5、基于先进的气象学模式设定步骤1)-4)得到的数据信息参数，对模拟区域进行数值模拟，获得随时间的变化的动态三维气象场数据；
步骤6、从模拟区域动态三维气象场数据中提取出动态三维风场变化数据及湍流扩散数据，作为后续污染扩散计算的驱动参数；
步骤7、利用程序设计语言编写源项生成模块，通过几何建模、网格划分及放射性活度匹配，生成沾染计算所需的源项文件；
步骤8、根据气溶胶粒径分布的不同，耦合动态三维风场变化数据和湍流扩散数据，通过源项模块生成的源项文件，进行气溶胶颗粒物的三维扩散输运及沉降计算，获得气溶胶浓度的三维时空分布特性；
步骤9、从气溶胶浓度的三维时空分布特性数据中提取动态地表气溶胶浓度变化数据，再根据地表不同位置的气溶胶沉降速率，结合动态地表气溶胶浓度变化数据，计算地表气溶胶沉积速率以及总沉积量；
步骤10、根据地表的气溶胶沉积速率以及总沉积量，计算模拟区域内每个地表网格内的气溶胶累积沉积量，绘制模拟区域的γ辐射剂量率分布云图，为后续的事故应急提供技术支持。
2.根据权利要求1所述的针对核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，其特征在于，步骤1中：
所述的不同的粒径区间按照空气动力学分布特性进行分类，一类为小粒径气溶胶群，另一类为大粒径气溶胶群；
所述小粒径气溶胶采用连续谱粒度分布方法进行模拟，所述大粒径气溶胶采取粒径分群法进行模拟。
3.根据权利要求2所述的针对核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，其特征在于：
所述小粒径气溶胶的粒径为0～10μm，大粒径气溶胶的粒径大于10μm；所述小粒径气溶胶粒度服从对数正态分布：
其中，d为气溶胶粒径；dg为气溶胶几何平均直径；σg为气溶胶几何标准偏差；
所述大粒径气溶胶采用粒径分群方式进行分类，每一个粒径群均具有典型的平均粒径，采用统一的粒径及相关空气动力学物性参数进行描述。
4.根据权利要求1所述的针对核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，其特征在于，步骤5具体为：
5.1、根据地形数据分辨率、模拟区域中心经纬度等地理信息参数，确定模拟区域的水平空间位置；
5.2、根据模拟区域的水平网格参数，确定模拟区域的水平网格划分方式；
5.3、根据垂直层数目及垂直层划分方式，确定模拟区域的空间网格划分方式；
5.4、设定数值模拟的起止时刻、气象数据及地形数据索引路径、输出文件格式及路径等重要计算参数；
5.5、基于三维网格化的气象学模式开展数值模拟计算，获得随时间的变化的动态三维气象场数据；
5.6、提取出三维风场数据及湍流扩散系数分布数据，作为后续计算的输入参数。
5.根据权利要求1所述的针对核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，其特征在于，步骤7具体为：
7.1、设定释放位置的详细经纬度参数，并以该经纬度所确定的位置作为水平网格原点；
7.2、基于已知的烟团几何参数及放射性活度分配系数，设置两个不同的水平偏移量及高度层参数的差异构建网格化的三维烟团几何模型，根据放射性活度分配系数在每个子网格中设置放射性气溶胶随时间变化的释放率，建立核事故源项气溶胶烟团活度浓度分布数据集；
7.3、利用程序设计语言将核事故源项气溶胶烟团活度浓度分布数据集进行三维化建模处理，并转化生成沾染计算所需的源项文件。
6.根据权利要求1所述的针对核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，其特征在于，步骤8具体为：
对于小粒径气溶胶，根据风速大小及方向、湍流扩散系数，利用气溶胶的三维平流扩散方程计算该类型气溶胶的扩散输运轨迹，获取气溶胶浓度的三维时空分布特性；
所述气溶胶的三维平流扩散方程为：
其中：
t为时间；
x、y、z分别为三个坐标轴方向(x、y为水平方向，z为垂直方向)；
Kx、Ky、Kz分别为三个坐标轴方向(对应x、y、z)的湍流扩散系数；
对于大粒径气溶胶，主要受重力沉降以及风场载带作用的影响，可以简化湍流扩散过程，根据粒径群的空气动力学特性观测获得定常扩散系数和在竖直风速项中叠加重力沉降的影响，通过修正的气溶胶三维平流扩散方程获得大粒径气溶胶的三维扩散输运特性数据。
7.根据权利要求1所述的针对核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，其特征在于，步骤9具体为：
9.1、从气溶胶浓度的三维时空分布特性数据中取出地表第一层网格的浓度数据；
9.2、计算气溶胶的沉积速度vd：
其中：
g为重力加速度；
da为气溶胶空气动力学直径；
ρp为气溶胶密度；
ρair为空气密度；
νg为空气运动黏度；
Cc为气溶胶线性滑移系数；
所述气溶胶线性滑移系数Cc为：
Cc＝1.0+1.246(2λ/D)
其中：
λ为空气平均自由程；
D为气溶胶直径；
9.3、计算单位时间内地表气溶胶沉积通量(即地表气溶胶沉积速率)：
其中：
Fc为单位时间内地表气溶胶沉积通量；
9.4、计算域每个地表网格中的气溶胶沉积通量，获得气溶胶沉积率的分布数据；
9.5、将每个地表网格单位时间内气溶胶沉积通量按时间进行积分，获得不同计算时刻的气溶胶累积沉积通量分布数据。
8.根据权利要求1所述的针对核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法，其特征在于，步骤10具体为：
根据计算域内的气溶胶累积沉积通量分布数据，计算单核素模式下每个地表网格内的γ辐射剂量
其中：
ω为以活度形式表示的气溶胶累积沉积通量；
μa为线衰减系数；
μ为线吸收系数；
b为距离地面的距离，一般取1m；
K为积累因子常数；
Ei(μb)为特定指数积分，其值可通过查表获得；
计算单位时间内计算域每个地表网格中γ剂量率数据，绘制模拟区域的γ剂量率分布云图，为后续的事故应急提供技术支持。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210168093.3A CN114547890B (zh) | 2022-02-23 | 2022-02-23 | 一种核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210168093.3A CN114547890B (zh) | 2022-02-23 | 2022-02-23 | 一种核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114547890A true CN114547890A (zh) | 2022-05-27 |
| CN114547890B CN114547890B (zh) | 2024-06-21 |
Family
ID=81677035
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210168093.3A Active CN114547890B (zh) | 2022-02-23 | 2022-02-23 | 一种核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114547890B (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113484198A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-10-08 | 重庆建安仪器有限责任公司 | 一种辐射烟云扩散预测系统及方法 |
| CN115165687A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-10-11 | 西北核技术研究所 | 一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置及测试方法 |
| CN115356075A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-11-18 | 西北核技术研究所 | 一种用于大气边界层环境风洞干沉积速度的测量方法 |
| CN115479872A (zh) * | 2022-09-28 | 2022-12-16 | 西北核技术研究所 | 一种小粒径气溶胶粒子湿沉降清除系数测量装置及方法 |
| CN116009053A (zh) * | 2022-12-08 | 2023-04-25 | 成都新核泰科科技有限公司 | 一种分布式区域辐射剂量监测系统及监测方法 |
| CN116911214A (zh) * | 2023-08-31 | 2023-10-20 | 中国科学院大气物理研究所 | 一种街区尺度气溶胶扩散模拟方法及装置 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080007821A (ko) * | 2006-07-18 | 2008-01-23 | 한국원자력안전기술원 | 방사능방재대책 기술지원 전산 시스템 |
| CN103903105A (zh) * | 2014-04-21 | 2014-07-02 | 苏州热工研究院有限公司 | 核事故后果评价与辅助决策一体化平台及方法 |
| CN107526908A (zh) * | 2016-06-21 | 2017-12-29 | 中国辐射防护研究院 | 核事故场外后果评价中拉格朗日烟团大气扩散模拟方法 |
| CN107526852A (zh) * | 2016-06-21 | 2017-12-29 | 中国辐射防护研究院 | 一种核设施事故场外后果实时在线评价方法及系统 |
| CN109977544A (zh) * | 2019-03-26 | 2019-07-05 | 华南理工大学 | 一种气载放射性核素131i在中尺度范围内弥散的模拟方法 |
| KR20210131721A (ko) * | 2020-04-24 | 2021-11-03 | 김춘지 | 원전 주변 지역의 기류 확산 모델링을 위한 입력 기상 정보 생산 시스템 |
-
2022
- 2022-02-23 CN CN202210168093.3A patent/CN114547890B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080007821A (ko) * | 2006-07-18 | 2008-01-23 | 한국원자력안전기술원 | 방사능방재대책 기술지원 전산 시스템 |
| CN103903105A (zh) * | 2014-04-21 | 2014-07-02 | 苏州热工研究院有限公司 | 核事故后果评价与辅助决策一体化平台及方法 |
| CN107526908A (zh) * | 2016-06-21 | 2017-12-29 | 中国辐射防护研究院 | 核事故场外后果评价中拉格朗日烟团大气扩散模拟方法 |
| CN107526852A (zh) * | 2016-06-21 | 2017-12-29 | 中国辐射防护研究院 | 一种核设施事故场外后果实时在线评价方法及系统 |
| CN109977544A (zh) * | 2019-03-26 | 2019-07-05 | 华南理工大学 | 一种气载放射性核素131i在中尺度范围内弥散的模拟方法 |
| KR20210131721A (ko) * | 2020-04-24 | 2021-11-03 | 김춘지 | 원전 주변 지역의 기류 확산 모델링을 위한 입력 기상 정보 생산 시스템 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 魏东;董法军;董希琳;: "核事故中放射性核素扩散浓度的理论预测", 中国安全科学学报, no. 03, 30 April 2006 (2006-04-30) * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113484198A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-10-08 | 重庆建安仪器有限责任公司 | 一种辐射烟云扩散预测系统及方法 |
| CN115165687A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-10-11 | 西北核技术研究所 | 一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置及测试方法 |
| CN115356075A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-11-18 | 西北核技术研究所 | 一种用于大气边界层环境风洞干沉积速度的测量方法 |
| CN115479872A (zh) * | 2022-09-28 | 2022-12-16 | 西北核技术研究所 | 一种小粒径气溶胶粒子湿沉降清除系数测量装置及方法 |
| CN116009053A (zh) * | 2022-12-08 | 2023-04-25 | 成都新核泰科科技有限公司 | 一种分布式区域辐射剂量监测系统及监测方法 |
| CN116911214A (zh) * | 2023-08-31 | 2023-10-20 | 中国科学院大气物理研究所 | 一种街区尺度气溶胶扩散模拟方法及装置 |
| CN116911214B (zh) * | 2023-08-31 | 2023-12-01 | 中国科学院大气物理研究所 | 一种街区尺度气溶胶扩散模拟方法及装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114547890B (zh) | 2024-06-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114547890B (zh) | 一种核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法 | |
| Rolph et al. | Modeling the fallout from stabilized nuclear clouds using the HYSPLIT atmospheric dispersion model | |
| He et al. | SO2 over central China: Measurements, numerical simulations and the tropospheric sulfur budget | |
| Lucas et al. | Bayesian inverse modeling of the atmospheric transport and emissions of a controlled tracer release from a nuclear power plant | |
| Bellasio et al. | Formulation of the Lagrangian particle model LAPMOD and its evaluation against Kincaid SF6 and SO2 datasets | |
| CN111898296B (zh) | 一种核物质大气扩散及沉降多尺度模拟方法及系统 | |
| Choi et al. | Characteristics of regional scale atmospheric dispersion around Ki-Jang research reactor using the Lagrangian Gaussian puff dispersion model | |
| Ouyang et al. | Analysis of the radioactive atmospheric dispersion induced by ship nuclear power plant severe accident | |
| Alrammah et al. | Atmospheric dispersion modeling and radiological environmental impact assessment for normal operation of a proposed pressurized water reactor in the eastern coast of Saudi Arabia | |
| Nagai et al. | Source term estimation of 131I and 137Cs discharged from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant into the atmosphere | |
| Sarkar et al. | Simulating long range transport of radioactive aerosols using a global aerosol transport model | |
| Arnold et al. | Lagrangian models for nuclear studies: Examples and applications | |
| Suh et al. | Verification of the Lagrangian particle model using the ETEX experiment | |
| Fei et al. | A regional simulation study on dispersion of nuclear pollution from the damaged Fukushima Nuclear Power Plant | |
| Mavall | Modelling the dispersion of radionuclides in the atmosphere | |
| Bhattachan et al. | Evaluation of dust production efficiencies in sandy sediments | |
| Estrada | Numerical simulation of atmospheric dispersion: application for interpretation and data assimilation of pollution optical measurements | |
| Sugiyama et al. | Deposition Velocity Methods for DOE Site Safety Analyses | |
| Knox | Numerical modeling of the transport diffusion and deposition of pollutants for regions and extended scales | |
| Adriatico | Characterization of Radionuclide Resuspension via Aeolian Processes at the Ambrosia Lake West Mill Facility | |
| Chen | Application Technology of Atmospheric Dispersion Models Based on FastAPI+ Vue | |
| Liu et al. | Validation of ash cloud modelling with satellite retrievals: a case study of the 16–17 June 1996 Mount Ruapehu eruption | |
| Sandler | Verification and Validation of Atmospheric Transport Models Using the University of Florida Training Reactor | |
| Tseng et al. | Environmental exposure assessment for emergency response in a nuclear power plant using an integrated source term and 3D numerical model | |
| Lipták et al. | Decision support system ESTE for nuclear and radiological emergencies: Atmospheric dispersion models |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |