2022年核电站安全性分析与发展预测数学建模——陈宗则、熊桄清、张泽荣.docx

《2022年核电站安全性分析与发展预测数学建模——陈宗则、熊桄清、张泽荣.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年核电站安全性分析与发展预测数学建模——陈宗则、熊桄清、张泽荣.docx（24页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选学习资料 - - - - - - - - - 核电站安全性分析与进展猜测陈宗就 熊桄清 张泽荣摘要本文意在解决核电站的进展猜测问题；进展猜测涉及到核电站的安全性考核以及核电站经济效益的争论；为此本文一共分为问题提出、问题分析、模型假设、模型建立与求解、模型评判、参考文献以及附录七大部分；其中包含三个模型的争论,核泄漏放射性物质扩散模型模型I ,核电站边际效益评估模型模型 II 以及核电站进展猜测模型模型 III ；模型 I 是为了模拟核泄漏的扩散范畴与路径,运用了烟雾扩散模型,结论是扩散面积约为 173.57 平方公里；模型 II 是争论核电站的最大经济效益与技术进步的关系,模型为边际效益

2、模型；先建立经济收益 Y 的函数,在通过求导得出边际效益函数；边际效益为0 时总经济收益最大化,一次可得出经济层面上,为使总经济收益最大化的合理核电站数目与技术进步的配对组合解集；模型 III 在模型 I 、模型 II 的基础上从总经济收益函数动身,推导出综合考虑安全因素与经济收益的进展猜测模型；由此得出访中国现有 7 座核电站承担起将来 20 年发生核泄露风险所要求的技术进步的临界值；如如现实的技术进步大于临界值,就可以扩大建设核电站；反之就不宜扩建,但是核发电技术依然值得进展；三个模型综合争论了核电站的安全性、效益型以及进展趋势；同时在将情景极可能简化的前提下,得出相对可信的猜测结果；具有

3、较强的参考价值；名师归纳总结 关键词：烟雾扩散模型边际效益分析模型量化分析掌握变量法第 1 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 一、问题的提出2022 年 3 月 11 日,日本遭受了9 级大地震并引发了剧烈的海啸；这次大地震及其引发的海啸不仅给日本以重创,而且由此造成的福岛核电站的核泄漏 更是引起了全世界对核电站及其安全的重新摸索；请从互联网或报刊上搜集有关数据,依据这些数据建立评估核电站安全的 数学模型；考虑：（1）随 着人们生活水平的提高,用电量大幅增加,假设不建设核电站,用电量和发电量之间的差距有多大？建设一个某种规格的核电站能

4、供应多少电力？建设核电站的经济成本和效益如何？目前国内有几 个核电站、在建或预备建设的有几个？也就是要求建立建设核电站 必要性的数学模型并分析；（2）以 秦山或大亚湾核电站为例（选一个）,假如这些地方显现了严峻 的自然灾难造成了核泄漏（需要你自己作出合理假设）,那么,在 肯定气象条件（肯定风向、风力、下雨等）的情形下建立核扩散的 数学模型,并争论对四周多大范畴的居民进行疏散以及其他的应对 措施和可能的后果；综合前两问给出核电站的进展前景猜测；二、问题的分析自然灾难造成核电站的核泄漏问题具有不行猜测性与严峻性；不行猜测性指的是自然灾难发生的不行猜测；严峻性指的是核泄漏带来的居民生命财产损失的危害

5、严峻；不行猜测性与严峻性使对于核电站安全的评估问题转化为对从事发之后补救措施实施过程的有效性和成本的评估问题；而对于事后补救措施争论的首要问题就是对于核泄漏影响区域的模拟；为此我们建立了核泄露放射性物质泄露模型模型I ；模型 I 采纳了烟雾扩散模型,通过量化固定风向风力和降雨等因素,定量分析了发射性物质可能的扩散范畴；基于此,我们定性将争论在污染范畴内所需实行的补救措施的可行性,已经经济成本；从而对 核电站安全性进行评估；对于核电站的进展猜测问题,我们分为三大步：第一步是利用扩散模型模 拟出核泄漏可能污染的区域,从而运算缺失成本；其次步是建立边际效益模 型,并且利用分别变量法,争论技术进步对于

6、效益的影响,从而得出效益关于 技术进步的函数,由此我们建立了核电站边际效益模型模型 II ；第三步基 于扩散模型得出污染范畴以及边际效益模型得出效益技术进步函数,我们建名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 立了进展猜测模型模型 展趋势；三、模型假设III ,争论在不同技术进步的假设下,核电站的发一、核泄露放射性物质泄露模型模型 I 1、核泄漏看作在地面某一点向四周等强度低随时释放放射性物质,放射性物质 在无穷空间扩赛,不计地势影响；2、放射性物质扩散听从扩散定律,即单位时间通过单位法向面积的流量与它的 浓度梯度成正比；

7、3、放射性物质在穿过降雨时,其强度由于雨水的吸取而削减,削减比率为常 数；4、风的影响只考虑放射原点的某一风向、某一风速的影响；风的影响范畴,随着时间而减小；二、核电站边际效益评估模型模型 II 1、排除通货膨胀影响因素,以及假设现金回报率为 0；2、以大亚湾核电站为标准核电站3、由于大亚湾核电站截止2022 年 7 月 31 日,大亚湾核电站1 号机组实现安全运行 2539 天,制造了国内核电站单机组安全运行最高纪录；所以假定安全运行是核电站的常规状态,既不考虑发生事故；4、假设目前只有火电站（化石燃料为能源的发电站）和核电站（新兴绿色能源 核电站）5、假设投入到争论核电技术的资金等于技术进

8、步带来的经济收益三、核电站进展猜测模型模型 III 1、满意模型 I 、II 假设 2、核电站发生事故的概率与全世界核电站的发生泄露概率频率相等四、模型的建立与求解核泄露放射性物质泄露模型模型 I一、模型设计放射性扩散的范畴和强度主要受到放射源的自然扩散、风以及降雨的影响；自 然扩散符合烟雾扩散模型,在给定放射源浓度等数据时,可以求出静态扩散范围；风力具有加大扩散面积的作用,而降雨具有吸取稀释放射性元素的作用；二、变量说明 k: 扩散系数 Q：放射性物质泄漏总量名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - C：某一点的放射性物

9、质浓度 t: 扩散的时间 r ：降雨对于放射性物质的吸取比率 ws：风速 wa：风向 wd：风力影响范畴每天减小量三、模型建立与求解 1、建立空间坐标轴将核泄漏时设为t 0=0 ,以核电站为坐标原点,建立以正东为x 正方向,正北为y 正方向,建立三维直角坐标系；2、推导放射源自然辐射范畴半径：时刻 t 无穷空间中任意一点（ x,y,z ）的放射性物质浓度记为 C；依据假设 2,单位时间通过单位法相面的流量为：q =-k gradC （1）k 是扩散系数, grad 表示梯度,负号表示有浓度高香浓度低的地方扩散；考察空间域 , 的体积为 V,包围 的曲面为 S,S 的外法线向量为 n, 就在t,

10、t+ t 内通过 的流量为： Q 1= t t+ t S q nddt （2）而 内放射性物质的增量为：Q2= v C（t ）-Ct+ tdV （3）有质量守恒定律：Q1=Q 2 （4）依据曲面面积分的奥氏公式： S q n d= v div q dV （5）其中 div 是散度记号；有（ 1）（5）不难得到：=kdivgradC=k2C/ x2+ 2C/ y2+ 2C/ z2 ,t0,- x,y,z或 t 时,C0 通过将 x 2+y 2+z 2=R 2代入方程（ 8 ）可以解除 R：R 2= -4kt lnC/Q 4 kt 3/2 （ 9）R 为在给定扩散系数 k,影响时间 t ,放射性物

11、质浓度 C,以及放射源总泄漏量Q 的情形下的受自然扩散影响范畴的半径,即在不考虑风力、降雨情形下的影响范畴；通过 matlab ,可以实现该模型的图像生成,如图一；在此假定：k=0.00001 扩散系数 Q=1000000（放射源总量）C=100（放射性物质浓度）t=1000000 秒 （扩散时间）（程序见附录一,此次输入参数为：expand0.00001,1000000,100,1000000,0.5,0,0,0）运算机生成图像为：图一球面半径 R=7.12 公里,即距离放射源 3、考虑风力与降雨因素的影响 : 7.12 公里内均有受到污染名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,

12、共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 降雨因素：假设降雨对于放射性物质的吸取率为r, 就方程（ 9）变为：R 2= -4kt lnC/1-rQ 4 kt3/2 （ 10 ）风力因素：只考虑产生在辐射原点某一角度wa,某一强度 ws的风力影响；风力的影响范畴从R 开头每天削减wd,并且对于影响范畴内每一点的作用相同；详细运算机模拟实现见附录一；综上两个因素,在 matlab 上生成考虑了风速和降雨因素的影响范畴图像（程序见附录一,输入参数为：expand0.00001,1000000,100,1000000,0.5,0.04,0.785,0.3）变量假设：k=0.0000

13、1 扩散系数 ,参考了其他元素粒子的扩散系数均为此数量级 Q=1000000毫西弗（放射源总量）,发生七级核泄漏时的放射性物质泄漏量 C=100毫西弗（放射性物质浓度）,会对人体产生危害的浓度t=1000000 秒 （扩散时间）40M/小时）r=0.5 假设雨水对于放射性物质的吸取率为50% ws=0.04 公里每小时 （假设作用在放射源的风速为wa=0.785（假设风向与 x0y 面平行,且与 x 轴成正 45 度角）wd=0.3（假设风力影响范畴从 运算机生成图像为：注：R开头,每天减弱 300M）图二名师归纳总结 图形最大半径球的半径R=7.12 公里,最小半径球的半径R0=3.52 公

14、里,图形第 6 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 中分线长度为： 7.12+11.11 （球心位移） +3.52=21.75 （公里）；即放射性物质最 远 可 达 沿 风 向 距 离 放 射 源 21.75 公 里 处 ； 图 形 面 积 为 ：14.24+7.04*7/2+pi*7.122/2+ *3.522/2=173.57 （平方公里）四、模型结果分析模型的分析结果说明在给定的条件下,扩散的最远距离为 21.75 公里；由于现 实中风向的不确定性,出于安全考虑,在核泄漏的中心周边 21.75公里范畴的 居民都应当撤离；从模型可以看

15、出,主要影响范畴的因素主要有核泄漏的总量,以及核泄漏在扩散过程中的稀释；因此掌握核泄漏主要有两点可以考虑；一个是核泄漏源,一个是风力对于核泄漏影响过程；从核泄漏源考虑,可以通过注水,封堆等掌握方法削减核泄漏的量；比如建立一个检测系统,一旦发生核泄漏,可以自动注 水或者封堆,以削减核物质的泄露总量；从核泄漏扩散过程考虑,可以通过人工降水来吸取泄露出的核物质,或者在核电站的选址时考虑地势因素,尽量挑选背风点选址；核电站边际效益评估模型 一、模型设计II ：本模型拟用核电站的边际经济效用来衡量核电站的存在必要性；假设核电站的总经济效用主要受以下因素影响：1、建设核电站的投资的产出与成本 2、用于技术

16、研发的资金 3、发电量供需缺口 4、环保优势 二、变量说明 Y：全部核电站总经济效益产出 D：全国对于用供电经济效用总需求缺口 N：现有核电站总数目 I ：建设一座核电站所需投资的金额（元）Qn：一座核电站年发电量（千瓦时）Qc：全国每年的用电量（千瓦时）Pe：电价 元/ 每千瓦时）R：真实 GDP增长率 r: 环境治理投资占 GDP的比重 Ep:环保系数 Cn: 核电站碳排放量 Cf: 火电站太排放量 Td：投资于单个核电站促进技术进步的资金所带来的经济效益 t: 争论的时间范畴 k：中国用于争论开发领域经费占国内生产总值的比重三、模型建立本模型通过争论边际分析,争论核电站最优数量,假如最有

17、数量等于或大于目前我国已有核电站数目+在建核电站数目 +方案建设核电站数目,那么我们认为名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 核电在有连续建设的需求；反之,就没有必要性；模型为：一、本模型认为全部核电站的总经济效益分三部分影响因素：1、核电站在争论时间范畴内通过发电产生的经济收益,即：Q n N Pe t 1-r -Ep （ 1.1 ）其中 Qn N为全部核电站总发电量, Pe为电价, t 为有效时间；由于考虑到核电站为绿色能源,解约了治理环境的成本,所以出去了治理环境的成本；在这里假设核电站用于治理环境的资金占总产出

18、的比例与中国投入环境治理的费用占 GDP的比重相同,即 r ；与此同时,引入判定核电站是否为绿色电站的指标环保系数 Ep,假如 Cn Cn+Cf0.5, 就 Ep=0,反之为 1；2、建设时投入的建设成本,即：I N （1.2 ）其中 I 为投资成本, N为核电站的数量3、由于技术进步带来的经济效益,即：Td N （1.3 ）其中 Td为一座核电站由于技术进步产生的经济收益综合（ 1.1 ）、（ 1.2 ）、（ 1.3 ）,得出全部核电站的总经济效益函数 Y：Y= Q n Pe 1+r Ep t N I N+T d N （1）二、本模型技术进步主要受国内对于进展该技术的投资的影响：1、假设国内

19、对于进展核电站的需求是国内总发电量与全部核电站发电量得差值的货币表示,即：C= Q c- Q n N Pe 1+Rt （ 2.1 ）其中, Qc- Qn N 为国内总发电量与全部核电站发电量得差值,Pe 为电价,目 的在于将该差值用货币表示；与此同时,考虑到对于技术进步的需求会随着经 济增长而增加,所以在此假设对于技术进步的需求每年以真实 GDP增长率增 长,即： 1+R t；2、对于技术进步的投资为对于技术进步的需求的函数,即：k C （2.2 ）在此假定对于核电站技术进步的投资额占需求额的比重与我国投资于争论开发 领域资金占 GDP的比重相等,即为 k；3、技术进步带来的单位核电站经济产出

20、等于技术进步的投资,即：Td=k C （2 ）在此假设技术是可以无成本复刻的,所以一旦技术进步了,全部的核电站的经名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 济效益都同时提升相同量,且等于投资额；三、将全部核电站的总经济效益 Y 变形 : 将（ 2.1 ）、（ 2）代入（ 1）中,得：Y= Q n Pe 1-r-1 Ep t I+ k Qc Pe 1+R t N- k Qn Pe1+R t N2 （3.1 ）令: a=Q n Pe 1-r-1 Ep t I+ k Q c Pe 1+R t ；b= k Qn Pe 1+R t就

21、（ 3.1 ）变为：Y=a N-b N2 （3.2 ）对 Y 关于 N求导,得出全部新建核电站边际经济效益产出：= a-2b N （3.3 ）有边际效益理论知,当边际效益为0 时,总效益达到最大化；令核电站的边际经济效益产出为 0,即 =0 , 得最大核电站数量 N* 为：N *= （3）其中a=Q n Pe 1-r-1 Ep t I+ k Q c Pe 1+R t；b= k Qn Pe 1+R t 那么出于（ 3）上的每一点都是可以使总效益最大化的,或者说是边际效益为 0的点；我们认为这就是最合理的核电站数目；通过运算机实现模型 II 在这里,我们准备用掌握变量法,隔离出技术进步因素K对于合

22、理核电站数目的名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 影响；以 k 为自变量,争论合理核电厂数N：Qn=0（千瓦时）单座核电厂年发电量（数据来自中国核能协会网关于大亚湾核电站年上网电量统计）Pe=全国电价并不唯独,但大多分布在0.20.8 之间,故在此假设为0.6 元/千瓦时r=1.49% 为国家环境治理投资占 2022年环境统计年报）Ep=1,由之前的定义知,由于 网）GDP 的比重（数据来自中国环境爱护部官网,Cn Cn+Cf=00.5（数据来自中广核集团官I=2646800000000（元人民币）,单座核电厂总投资

23、额；折合美元 40.72 亿美元（数据来源中广核集团官网）Qc=47000000000000（千瓦时）全国年用电量（数据来自中国电力联合会官网中国电力联合会）t=为考察年限,在此定20 年；8%；R=为真实 GDP 增长率；真实 GDP 增长率每年略有不同,在此设为 其函数图象为：（详细程序见附录二,测试数据为：nuclear0,0.6,0.0149,1,2646800000000,47000000000000,20,0.08） 图四注： 1 名师归纳总结 （1）平行于 K 轴的是N=0, 直线一；第 10 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - -

24、 - （2）平行于 N轴的是K=0.62（%）,直线二；（3）曲线为： N *=,其中 R为自变量；设为曲线1. t；b= k Qn Pe 1+Rt 其中： a=Q n Pe 1-r-1 Ep t I+ k Q c Pe 1+R结果分析（ 2）如图四,在给定时间和其他因素的基础上,单一争论技术进步 K 对于核电站数 量的影响,可见核电站数量出现增长趋势,但是边际增长递减；当技术进步率在 0.62%水平左右时,核电站的合理数目为0,也就是说在此点之前的点建设核电站出于亏损状态；此点之后建设核电站可以盈利；在技术进步水平出于 0.62%至 10%之间时,随着技术进步水平的增加,合理核电站数目不断上

25、升；当技术进步突破10%点时,核发电技术足够成熟,核电站数目达到饱和为156座左右；核电站进展猜测模型模型 III 一、模型设计从模型 I 我们得出了核泄漏的扩散路径和范畴,即173.57 平方公里；从边际效益模型我们得出 N=N（k）是单调递增函数,进而得到核电站最大经济收益为技术进步的单调增函数（即在边际收益为 0 的前提下）；在此,我们的模型 III 从边际效益模型开头推导出综合考虑经济效益和安全性的进展猜测模型；二、变量说明Y：全部核电站总经济效益产出 N=7座（我国已建成）,在建 9 座,方案建设 2 座 I= 2646800000000（元）Qn=00（千瓦时）Qc=4700000

26、0000000（千瓦时）Pe=0.6 元每千瓦时电价,电价 R=8%,真实 GDP增长率 r=1.49%,环境治理投资占 GDP的比重 Ep=1,环保系数 t=20 年,争论的时间范畴 k：中国用于争论开发领域经费占国内生产总值的比重 P0：一座核电站一年内核泄漏发生概率 P：在争论时间范畴内发生核泄漏的概率 C：核泄漏带来单位面积的经济缺失A：搬迁费用 B：污染地区在未被污染前每年的GDP S=173.57 平方公里,污染面积 detal: 核电站产生的总经济收益与核泄漏带来的期望缺失的差值三、模型建立与求解模型为：名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 15 页精选学习资

27、料 - - - - - - - - - 模型 II的（ 3.1 ）式,将 t=20 等参数代入,得到最大总经济收益Y 关于技术进步 k 的函数；Y=-5.7370 10 12+8.9952 10 14 k （1）全世界 438 座核电站, 50 年内共发生 10 起事故,故每年发生的先验概率为：P0=10/438*50= 0.0004.5662 （2）那么 20 年故事发概率为：P=20*10/438*50=0.0091 （3）查得单位面积的 GDP缺失加上迁移费（假设 C=A+B 20 20 年无法复原生产）为：1、假设单位 GDP产值与深圳单位面积 GDP产值的数量相等,即为 4.8807

28、 亿元 /9平方公里,故设 B=1亿元 / 平方公里 =102、假设搬迁费用与三峡移民单位面积搬迁费用数量级相等,即 510 亿/3389.25万平方公里或 15505000 元/ 平方公里；故 A=10000000 S=1735700000=1.7357 109 元10 元 （4 ） 由C=1735700000+1000000000 20=2.1736 10此,我们可以退出核电站的总经济收益与核泄漏期望缺失的差值：delta=Y- P S C =-5.7370 10 12+8.9952 10 14 k-0.0091 173.57 2.1736 10 10 = -5.7713e+012+8.9

29、952 1014 k （5）然后我们假定差值为 0,即核电站的总收益与核泄漏期望缺失相等,可以解出：K *=0.0064 （6）K *的含义是,为使现有的 7 座核电站承担起将来 20 年核泄漏安全事故的风险所需要的核发电技术进步的投入经费占全国对于核电站发电需求的比例；所以：当 kK *时说明核电站可以承担更大的风险,所以可以连续增加建设；当 kK *时说明核电站承担风险的才能已不足,不宜连续增加建设；五、模型评判模型 I ：优点：此模型在把问题最大程度简化的基础上,解决了放射性元素扩散的影响范畴模拟；有助于对情形有直观的熟悉；对于最快反应出应对措施有着借鉴意义；缺点：名师归纳总结 - -

30、- - - - -第 12 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 此模型将风速、风向、风力以及降雨都假定为定值或者简洁的线性函数,与现 实情形有肯定差距；假如能够这些因素改为更贴近现实的函数,将有助于模型 的推广；模型 II ：优点：此模型充分考虑了 时间,发电量,电力供应缺口,科技进步以及核电站的环保 性等因素,起到了确立技术进步与基于经济层面合理核电站的函数关系；缺点：对于技术进步、环保性的量化不够精准；假如可以有更加贴切的函数模拟,可 以使模型结果更为精确；模型 III：优点：模型综合考虑了核电站的安全性能,以及不同技术进步带来的不同总收益,继 而从风险综合收

31、益的角度对在不同技术进步前提下核发电产业将来可能的走 向；缺点：对于迁移费用、单位面积缺失不够详细落实到不同核电站的详细经济状况；六、参考文献1 王玉磊 邱罡 编著 从零开头学 MATLAB 中国铁道出版社 2 大亚湾核电运营治理有限责任公司官网 3 中广核官网 4 国家电力信息网 5 中国电力企业联合会官网 6 中国核能协会官网 http:/www.china- 7 中华人民共和国统计局官网 8 中华人民共和国环境爱护部官网 七、附录名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 附录一：核泄露放射性物质泄露模型模型 I 运

32、算机实现 : function =expandk,Q,C,t,r,ws,wa,wdR=sqrt-4*k*t*logC/1-r*Q*4*pi*k*t1.5 for i=0:24:t/3600 if wd*i/24=R R=R-wd； R0=R；t=0:0.1:0.5*pi；p=0:0.1:2*pi；wsx=ws*coswa*i；wsy=ws*sinwa*i；theta,phi=meshgridt,px=R*sintheta.*cosphi+wsx；y=R*sintheta.*sinphi+wsyz=R*costheta；hold on surfcx,y,zend end R0=R0view20,70title核泄漏有风向影响；xlabelx；ylabely；zlabelzaxis-10,15,-10,25,0,10 x0=ws*coswa*1000000/3600y0=ws*sinwa*1000000/3600 R1=sqrtx02+y02 end附录二名师归纳总结 核电站关于技术进步的边际效益模型模型II ：第 14 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页