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15142.docx
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1、核电站安安全性分分析与发发展预测测陈宗则 熊桄清清 张泽泽荣摘要本文意在在解决核核电站的的发展预预测问题题。发展展预测涉涉及到核核电站的的安全性性考核以以及核电电站经济济效益的的研究。为为此本文文一共分分为问题题提出、问问题分析析、模型型假设、模模型建立立与求解解、模型型评价、参参考文献献以及附附录七大大部分。其其中包含含三个模模型的研研究,核核泄漏放放射性物物质扩散散模型模型型I,核核电站边边际效益益评估模模型模型III以及及核电站站发展预预测模型型模型型IIII。模型I是是为了模模拟核泄泄漏的扩扩散范围围与路径径,运用用了烟雾雾扩散模模型,结结论是扩扩散面积积约为1173.57平平方公里里
2、。模型III是研究究核电站站的最大大经济效效益与技技术进步步的关系系,模型型为边际际效益模模型。先先建立经经济收益益Y的函函数,在在通过求求导得出出边际效效益函数数。边际际效益为为0时总总经济收收益最大大化,一一次可得得出经济济层面上上,为使使总经济济收益最最大化的的合理核核电站数数目与技技术进步步的配对对组合解解集。模型IIII在模模型I、模模型III的基础础上从总总经济收收益函数数出发,推推导出综综合考虑虑安全因因素与经经济收益益的发展展预测模模型。由由此得出出使中国国现有77座核电电站承担担起未来来20年年发生核核泄露风风险所要要求的技技术进步步的临界界值。如如若现实实的技术术进步大大于
3、临界界值,则则可以扩扩大建设设核电站站;反之之则不宜宜扩建,但但是核发发电技术术依然值值得发展展。三个模型型综合研研究了核核电站的的安全性性、效益益型以及及发展趋趋势。同同时在将将情景极极可能简简化的前前提下,得得出相对对可信的的预测结结果。具具有较强强的参考考价值。关键词:烟雾扩扩散模型型 边际际效益分分析模型型 量化化分析 控制变变量法一、问题题的提出出20111年3月月11日日,日本本遭受了了9级大大地震并并引发了了强烈的的海啸。这这次大地地震及其其引发的的海啸不不仅给日日本以重重创,而而且由此此造成的的福岛核核电站的的核泄漏漏更是引引起了全全世界对对核电站站及其安安全的重重新思考考。请
4、从互联联网或报报刊上搜搜集有关关数据,根根据这些些数据建建立评估估核电站站安全的的数学模模型。考考虑:(1) 随着人们们生活水水平的提提高,用用电量大大幅增加加,假设设不建设设核电站站,用电电量和发发电量之之间的差差距有多多大?建建设一个个某种规规格的核核电站能能提供多多少电力力?建设设核电站站的经济济成本和和效益如如何?目目前国内内有几个个核电站站、在建建或准备备建设的的有几个个?也就就是要求求建立建建设核电电站必要要性的数数学模型型并分析析;(2) 以秦山或或大亚湾湾核电站站为例(选选一个),如如果这些些地方出出现了严严重的自自然灾害害造成了了核泄漏漏(需要要你自己己作出合合理假设设),那
5、那么,在在一定气气象条件件(一定定风向、风风力、下下雨等)的的情况下下建立核核扩散的的数学模模型,并并讨论对对周围多多大范围围的居民民进行疏疏散以及及其他的的应对措措施和可可能的后后果;综合前两两问给出出核电站站的发展展前景预预测。二、问题题的分析析 自然灾灾害造成成核电站站的核泄泄漏问题题具有不不可预测测性与严严重性。不不可预测测性指的的是自然然灾害发发生的不不可预测测;严重重性指的的是核泄泄漏带来来的居民民生命财财产损失失的危害害严重。不不可预测测性与严严重性使使对于核核电站安安全的评评估问题题转化为为对从事事发之后后补救措措施实施施过程的的有效性性和成本本的评估估问题。而而对于事事后补救
6、救措施研研究的首首要问题题就是对对于核泄泄漏影响响区域的的模拟。为为此我们们建立了了核泄露露放射性性物质泄泄露模型型模型型I。模模型I采采用了烟烟雾扩散散模型,通通过量化化固定风风向风力力和降雨雨等因素素,定量量分析了了发射性性物质可可能的扩扩散范围围。基于于此,我我们定性性将讨论论在污染染范围内内所需采采取的补补救措施施的可行行性,已已经经济济成本。从从而对核核电站安安全性进进行评估估。对于核电电站的发发展预测测问题,我我们分为为三大步步:第一一步是利利用扩散散模型模模拟出核核泄漏可可能污染染的区域域,从而而计算损损失成本本;第二二步是建建立边际际效益模模型,并并且利用用分离变变量法,研研究
7、技术术进步对对于效益益的影响响,从而而得出效效益关于于技术进进步的函函数,由由此我们们建立了了核电站站边际效效益模型型模型型II;第第三步基基于扩散散模型得得出污染染范围以以及边际际效益模模型得出出效益技术进进步函数数,我们们建立了了发展预预测模型型模型型IIII,讨论论在不同同技术进进步的假假设下,核核电站的的发展趋趋势。三、模型型假设一、核泄泄露放射射性物质质泄露模模型模型II1、核泄泄漏看作作在地面面某一点点向四周周等强度度低随时时释放放放射性物物质,放放射性物物质在无无穷空间间扩赛,不不计地形形影响。2、放射射性物质质扩散服服从扩散散定律,即即单位时时间通过过单位法法向面积积的流量量与
8、它的的浓度梯梯度成正正比。3、放射射性物质质在穿过过降雨时时,其强强度由于于雨水的的吸收而而减少,减减少比率率为常数数。4、风的的影响只只考虑放放射原点点的某一一风向、某某一风速速的影响响。风的的影响范范围,随随着时间间而减小小。二、核电电站边际际效益评评估模型型模型型II1、排除除通货膨膨胀影响响因素,以以及假设设现金回回报率为为0。2、以大大亚湾核核电站为为标准核核电站3、由于于大亚湾湾核电站站截止220099年7月月31日日,大亚亚湾核电电站1号号机组实实现安 全运行行25339天,创创造了国国内核电电站单机机组安全全运行最最高纪录录。所以以假定安安全运行行是核电电站的常常规状态态,既不
9、不考虑发发生事故故。4、假设设目前只只有火电电站(化化石燃料料为能源源的发电电站)和和核电站站(新兴兴绿色能能源核电电站)5、假设设投入到到研究核核电技术术的资金金等于技技术进步步带来的的经济收收益三、核电电站发展展预测模模型模型IIII1、满足足模型II、III假设2、核电电站发生生事故的的概率与与全世界界核电站站的发生生泄露概概率频率率相等四、模型型的建立立与求解解核泄露放放射性物物质泄露露模型模型型I一、模型型设计放射性扩扩散的范范围和强强度主要要受到放放射源的的自然扩扩散、风风以及降降雨的影影响。自自然扩散散符合烟烟雾扩散散模型,在在给定放放射源浓浓度等数数据时,可可以求出出静态扩扩散
10、范围围。风力力具有加加大扩散散面积的的作用,而而降雨具具有吸收收稀释放放射性元元素的作作用。二、变量量解释k:扩散散系数Q:放射射性物质质泄漏总总量C:某一一点的放放射性物物质浓度度t:扩散散的时间间r:降雨雨对于放放射性物物质的吸吸收比率率ws:风风速wa:风风向wd:风风力影响响范围每每天减小小量三、模型型建立与与求解1、建立立空间坐坐标轴将核泄漏漏时设为为t0=0,以以核电站站为坐标标原点,建建立以正正东为xx正方向向,正北北为y正正方向,建建立三维维直角坐坐标系。2、推导导放射源源自然辐辐射范围围半径:时刻t无无穷空间间中任意意一点(xx,y,z)的的放射性性物质浓浓度记为为C。根根据
11、假设设2,单单位时间间通过单单位法相相面的流流量为:q=-kkgraadC(11)k是扩散散系数,ggradd表示梯梯度,负负号表示示有浓度度高香浓浓度低的的地方扩扩散。考察空间间域,的体积积为V,包包围的曲面面为S,SS的外法法线向量量为n,则在t,tt+t内内通过的流量量为: Q1=tt+tSqnddt(22)而内放放射性物物质的增增量为:Q2=vC(tt)-CC(t+t)ddV(3)有质量守守恒定律律:Q1=QQ2(44)根据曲面面面积分分的奥氏氏公式:Sqqnd=vdivv q ddV(5)其中diiv是散散度记号号。有(1)(5)不不难得到到: Ct=kdiiv(ggraddC)=k
12、(2C/x2+2C/y2+2C/z2),t0,- x,y,zz或t时,CC0通过将xx2+y2+z2=R2代入方程程(8)可可以解除除R:R2=(-4)ktln(C/Q)(4kt)3/22(9)R为在给给定扩散散系数kk,影响响时间tt,放射射性物质质浓度CC,以及及放射源源总泄漏漏量Q的的情况下下的受自自然扩散散影响范范围的半半径,即即在不考考虑风力力、降雨雨情况下下的影响响范围。通过maatlaab,可可以实现现该模型型的图像像生成,如如图一。在此假定定:k=0.000001(扩散系系数)Q=100000000(放放射源总总量)C=1000(放放射性物物质浓度度)t=100000000(秒
13、)(扩扩散时间间)(程序见见附录一一,此次次输入参参数为:exppandd(0.000001,100000000,1100,100000000,00.5,0,00,0))计算机生生成图像像为:图一球面半径径R=77.122公里,即即距离放放射源77.122公里内内均有受受到污染染3、考虑虑风力与与降雨因因素的影影响:降雨因素素:假设降雨雨对于放放射性物物质的吸吸收率为为r,则则方程(99)变为为:R2=(-4)ktln(C/(11-r)Q)(4kt)3/22(10)风力因素素:只考虑产产生在辐辐射原点点某一角角度waa,某一一强度wws的风风力影响响。风力的影影响范围围从R开开始每天天减少ww
14、d,并并且对于于影响范范围内每每一点的的作用相相同。具体计算算机模拟拟实现见见附录一一。综上两个个因素,在在mattlabb上生成成考虑了了风速和和降雨因因素的影影响范围围图像(程序见见附录一一,输入入参数为为:expaand(0.0000001,1100000000,1000,1100000000,0.5,00.044,0.7855,0.3))变量假设设:k=0.000001(扩散系系数),参参考了其其他元素素粒子的的扩散系系数均为为此数量量级Q=100000000毫毫西弗(放放射源总总量),发发生七级级核泄漏漏时的放放射性物物质泄漏漏量C=1000毫西西弗(放放射性物物质浓度度),会会对人
15、体体产生危危害的浓浓度t=100000000(秒)(扩扩散时间间)r=0.5(假假设雨水水对于放放射性物物质的吸吸收率为为50%)ws=00.044(公里里每小时时)(假假设作用用在放射射源的风风速为440米/小时)wa=00.7885(假假设风向向与x00y面平平行,且且与x轴轴成正445度角角)wd=00.3(假假设风力力影响范范围从RR开始,每每天减弱弱3000米)计算机生生成图像像为:图二注:图形最大大半径球球的半径径R=7.12公公里,最最小半径径球的半半径R0=3.52公公里,图图形中分分线长度度为:77.122+111.111(球心心位移)+3.552=221.75(公公里)。即
16、即放射性性物质最最远可达达沿风向向距离放放射源221.75公里里处。图图形面积积为:(14.24+7.004)*7/22+pii*7.122/22+*3.522/22=1773.557(平平方公里里)四、模型型结果分分析模型的分分析结果果说明在在给定的的条件下下,扩散散的最远远距离为为21.75公公里。由由于现实实中风向向的不确确定性,出出于安全全考虑,在在核泄漏漏的中心心周边221.775公里里范围的的居民都都应该撤撤离。从从模型可可以看出出,主要要影响范范围的因因素主要要有核泄泄漏的总总量,以以及核泄泄漏在扩扩散过程程中的稀稀释。因因此控制制核泄漏漏主要有有两点可可以考虑虑。一个个是核泄泄
17、漏源,一一个是风风力对于于核泄漏漏影响过过程。从从核泄漏漏源考虑虑,可以以通过注注水,封封堆等控控制方法法减少核核泄漏的的量。比比如建立立一个检检测系统统,一旦旦发生核核泄漏,可可以自动动注水或或者封堆堆,以减减少核物物质的泄泄露总量量。从核核泄漏扩扩散过程程考虑,可可以通过过人工降降水来吸吸收泄露露出的核核物质,或或者在核核电站的的选址时时考虑地地形因素素,尽量量选择背背风点选选址。核电站边边际效益益评估模型型II:一、模型型设计本模型拟拟用核电电站的边边际经济济效用来来衡量核核电站的的存在必必要性。假设核电电站的总总经济效效用主要要受以下下因素影影响:1、建设设核电站站的投资资的产出出与成
18、本本2、用于于技术研研发的资资金3、发电电量供需需缺口4、环保保优势二、变量量解释Y:所有有核电站站总经济济效益产产出D:全国国对于用用供电经经济效用用总需求求缺口 N:现有有核电站站总数目目I:建设设一座核核电站所所需投资资的金额额(元)Qn:一一座核电电站年发发电量(千千瓦时)Qc:全全国每年年的用电电量(千千瓦时)Pe:电电价(元元/每千千瓦时)R:真实实GDPP增长率率r:环境境治理投投资占GGDP的的比重Ep:环环保系数数Cn:核核电站碳碳排放量量Cf:火火电站太太排放量量Td:投投资于单单个核电电站促进进技术进进步的资资金所带带来的经经济效益益t:研究究的时间间范围k:中国国用于研
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