核电站核事故核素污染评估模式_董希琳.pdf

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1、第8卷第2期1999年4月火灾科学FIRE SAFETY SCIENCEVol.8,No.2Apr.1999核电站核事故核素污染评估模式董希琳赵智键(065000,武警部队学院消防工程系)摘要利用修正了的高斯模式探讨核电站核素污染事故中的核素扩散。分析了边界条件、气象条件和核素衰变规律对核素扩散污染的影响,并进一步讨论了核素的污染范围、距源距离及核素沉积量,可作为确定应急安全的理论依据。关键词事故后果评估模型核污染范围沉积量1引言核能仍然是迄今为止最安全、最廉价、效率最高的能源,在世界范围内得到迅速发展。然而核安全事故也随之增多。1986年4月26日,切尔诺贝利核电站4号机组起火爆炸,放射性产

2、物排入大气中,造成迄今最严重的核电核安全事故。据估计,中、北欧有超过三百万人受核辐射,211万人因此而死亡;在乌克兰,过去的十年,儿童患癌症的比率迅速增长;乌克兰经济损失总额达一千三百亿美元。还有许多人患了放射性疾病1。核电站一旦发生核安全事故,核素污染引起的损失巨大。因此,建立核素污染模式,确定其污染范围,以便在核事安全故发生后能够正确的应急。2建立核素污染评估模式211核素的大气弥散模式反应堆失控导致夹杂着大量放射性核素的水蒸气从排放口喷出,在热力和动力作用下上升,并与大气混合传输,形成放射性核素(尤其是碘131)的大气弥散。由于气溶胶和碘粒子直径不同、风速不同,沉积点距释放源的距离就不同

3、。本文讨论几种简单的情况对距源距离和污染范围的影响。当放射性物质进入大气后,浓度分布不均,形成浓度梯度。一方面,污染物除随气流作整体的漂移、湍流混合卷入周围的干净空气或将污染物带到周围的空气中,使放射性物质收稿日期:98209218逐渐地分散、稀释;另一方面,放射性粒子逐渐分离、沉积、降落在地表面。本文假设污染物浓度符合正态分布,建立高斯浓度分布模型。212气流中污染物的浓度在理想情形下,无限空间中放射性污染物排放为一个点源,并取作坐标原点。设点源强度为Q(Bq),污染气流为圆锥形。平均风向与x轴一致,且在每一个与x轴垂直的截面上污染物的浓度是均匀的。忽略扩散过程中的涨落,根据连续条件,通过任

4、意截面的污染物一定(Q)。设截面半径为r米,是x的函数,平均风速为u。则通过截面空气量为ur2(m3?s),截面上任意一点的污染物浓度c=Qur2(Bq?m3)。扩展的截面ur2愈大,污染物浓度则越小。根据污染物浓度和源强,可确定r,从而估算受污染的范围和距释放源的距离。21211高空气流中污染物的浓度分布高空气流中污染物的浓度服从正态分布或高斯分布,即c(x,y,z)=cAexp-12y22y+z22z(1)式(1)中,c(x,y,z)是空间某点的平均浓度,2y和 2z分别表示在y和z方向浓度分布的标准方差,是扩散参数。污染物在x方向的浓度为cA=c(x,0,0)。在任一个与x轴垂直的污染气

5、流截面上取一微元dydz,则通过该微元的污染物质量流量为cudydz。根据连续性条件,通过整个截面的污染物流量应等于释放源强度Q,即+c(x,y,z)udydz=+cAexp-12y22y+z22zudydz=Q其中,u是平均风速(常数),cA=c(x)与y,z无关。积分上式,得cA=Q2 yz(2)将式(2)带入(1)式,得到无界空间连续点源的高斯分布浓度为c(x,y,z)=Q2uyzexp-12y22y+z22z(3)与c=Qur2(Bq?m3)比较可知,y、z与r,ur2与u yz的意义相同。y和 z随距离增大,(CiBq)是离源距离x的函数。对瞬时释放的点源,坐标原点取随风飘移的“烟团

6、”中心,其浓度公式为c=Q23?2xyzexp-12x22x+y22y+z22z(4)若以瞬时点源发生的起点为原点,x轴取平均风向,则c=Q23?2xyzexp-12(x-ut)22x+y22y+z22z(5)t是瞬时释放点源排放以后经过的时间。21212地面附近气流中污染物的浓度分布若将原点取污染源在地面的铅直投影点上,式(3)中的z在新坐标系中应是(z-H),故点的浓度为44火灾科学F IRE SA FETY SC IENCE第8卷第2期c=Q2uzyexp-12y22y+(z-H)22z(6)上式中H是被污染气流轴线的高度,等于排放口高度HS与浮力升抬高度 H之和。在式(6)中,令z=0

7、得到地面污染物浓度c=Q2uzyexp-12y22y+H22z(7)再令y=0,得到x轴上的污染物浓度,c=Q2uzyexp-12H22z(8)在y方向进行积分式(7),得到垂直于风向的地面污染物浓度cH为cH=Q(2)1?2uzexp-12H22z(9)地面积分浓度与 y无关,cH可实测求得,故可从(9)式中推算出 z。213核素污染模型的修正21311微风情况下的污染模式微风平均风速u5m?s。经过一段时间,污染物浓度的水平分布会趋于均匀。故假设污染物浓度在铅直向仍为高斯分布,水平向是均匀的。设r是距源距离,V3是水平平均扩散速率。则由连续性方程得+-cV3dydz=Q(10)式中,c=c

8、Aexp-12(z-H)22z。积分式(10),并化简得c=Q2()3?2rV3zexp-12(z-H)22z(11)地面污染物浓度为c=Q2()3?2rV3zexp-12H22z(12)即距源越远的地方,c越小;反之亦然。21312放射性气流浮升高度H的确定在上面各公式中,H是污染气源的高度,应为烟囱高度与抬升高度之和:H=HS+H(13)式中,HS是烟囱高度,H是抬升高度。为求H,作如下假设:污染气流连续、形状规则,各项同性;对圆锥形烟流,其横截面为圆形,半径为R。根据如上假设,在污染气流中取宽度为dx的微元体,根据其内的质量守恒、卷吸流假设、动量守恒和热量衡算,得到污染气流抬升高度 H的

9、表达式为H=320k2ut+3R2g2k2ut213(14)式(14)中,0为微元体的初始浮升速度,k为污染气流卷吸空气的比例系数,为空气与54Vol.8 No.2核电站核事故核素污染评估模式污染气流的密度差。距污染释放源距离远时,式(14)中右端前一项可忽略;而在释放源附近时,后一项可忽略。21313干沉积上述讨论中把污染气流运动视为空气湍流运动。事实上,污染气流的密度、质点尺寸等与空气存在着差异。在重力作用下,核素不断地从气流中沉降下来,污染气流中固体核素的浓度逐渐减小。核素粒子一般为 m级小粒子,其沉降行为受到重力沉降和浓差扩散的影响。根据扩散理论和动量传递的普朗特理论,可以导出沉积量D

10、、不同高度的沉积速度Vd与地面污染物浓度c(x,y,0)的关系:D=Vdc(x,y,0)(15)Vd?u32u(z2)(16)式中,u3称为摩擦速度,u3=ku(z1)-u(z2)lnz1z2,k是卡门常数(一般取014),Vd为z2高度处的沉积速度。故求出Vd及浓度c(x,y,0)后,可确定由于沉积作用所造成的污染物浓度分布。21314碘131的影响影响污染粒子在大气中的衰减的因素,除干沉积外,核素衰变也十分重要。由于在污染事故评估中碘2131的影响较大,故引入碘2131浓度随时间的变化关系4,5c=c0e-0.00358t(17)于是,考虑核素衰变后的地面污染物浓度为c=Q2uzyexp-

11、12y22y+H22zexp(-0.00358t)(18)沿弥散方向x轴的地面污染物浓度为c=Q2uzyexp-12H22zexp(-0.00358t)(19)214离源距离及污染范围21411离源距离在实际中,最关心的是高空污染物沉积到地面的最大浓度、离源距离和污染范围,以便制定疏散计划,确定应急安全区。当 y和 z与距离成乘幂关系时,即 y=axp,z=bxq。其中,a、b、p、q由当时气象条件给出。由经验公式34cm=Q2eH2yzexp(-0.00358t)(20)Xm=H22b212q(21)可求得不同时间地面最高浓度及相应的与污染物释放源的距离。64火灾科学F IRE SA FET

12、Y SC IENCE第8卷第2期3实际应用311沉积速度和沉积量根据核岛、常规岛的尺寸范围和核事故的一些数据,可求出核素的沉积量和沉积点度。设:释放口高度Hs=40m,直径2R0=1m。气流从释放口到进入水平段时间为10s.初始释放速度20可由20=2(p2-p1+gz)s求得,0=319.7m,其中p2(5.2103kPa)为释放前水蒸气压力,p1(10kPa)为大气压力,s=100kg?m36。Q=21141021Bq3,4。y、z取实验结集回归的经验公式,即 y=0.31x0.71,z=0.06x0.71。污染源浮升高度由式(14)分别得出大、中小尺寸时气流浮升高度 H。中小尺寸:H=3

13、20k2ut13=134.9m大尺寸:H=3R2g2k2ut213=1158.8m最高浓度与源距离由式(20)、(21)得xm=H22b212q=174.9220.062120.7146.5(km)cm=Q2euH2yzexp(-0.00358t)=4.14103(Bq?m3)人体承受最大辐射活度浓度(Bq?m3)为103级4,5,故该处附近区域的人群应当马上疏散。沉积速度和沉积量u3=ku(z2)-u(z1)lnz2z1=0.45-01n174.9=0.387(m?s)。Vdu32u(Z2)=0.38725=0.03(m?s)D=0.034.14103=1.24102(Bq?m3)根据3 准

14、则,确定区域范围及总沉积量y=0.31x0.71=638.98(m),z=0.06x0.71=123.67(m)r=r=32y+2z=3638.982+123.6722(km)10小时后该地区沉积总量为Dz=D r2t=5.621012(Bq)。312安全范围及沉积总量表1列出10小时,中小尺寸的污染评估结果。74Vol.8 No.2核电站核事故核素污染评估模式表1中小尺寸核事故污染计算结果x(km)102030405060y(m)214.5350.8467.84573.86672.39765.34z(m)41.567.990.6111.1130.1148.1r(m)6561072143017

15、5420552339C(Bq?m3)4.7737.781.092.588.479.6Dz(Bq)10-519.2407155826753511410 x2距源距离;y、z2扩散系数;r2污染区域半径;c2辐射浓度;Dz2总沉积量313讨论本文所采用的一些常数值是平均值,如放射性释放源的强度根据切尔诺贝利核事故核素总释放量与释放时间之比估算,因释放瞬时速度显然很大,喷射量也很大,其源强度应大于估算的源强度。故切尔诺贝利核事故中,地面污染物最高浓度与源距离应大于4615km,污染范围更大。计算抬升高度的公式比较准确。大尺寸污染气流抬升高度1158m与切尔诺贝核电站报告的高度超过1200m接近。表1

16、中污染物地面浓度值为微风下的对流和扩散传质的结果,是偏于安全的,有利于在实际应用中划出安全范围。但计算总沉积量时,仍接3准则以获得更为精确的结果。4结论1)污染物气流的污染范围可采用考虑了放射性衰变规律的修正的高斯模型评价。建立该模型时,考虑了微风、干沉积和粒子扩散、放射性衰变等因素对核素污染的影响。2)本文建立了核素污染的修正高斯模型,结合了大气污染的实验结果,估算污染范围,尽管其结果有一定误差,仍然可用于疏散、救援、封锁被污染现场的快速估算。参考文献1(苏)沃兹尼亚克等著、伍仁毅等译,切尔诺贝力核事故与教训,中国劳动出版社,1991年5月第1版2闻德荪等,工程流体力学(水力学),高等教育出

17、版社,1990年9月第一版3李宗恺等,空气污染气象学原理及应用,气象出版社,1985年1月第一版4马崇智等,放射性同位素手册,科学出版社,1979年12月第1版5(德)C1 克勒尔,放射化学基础,原子能出版社,1993年12月第3版6广东核电生产部,核能与热能发电站技术手册,1989年11月84火灾科学F IRE SA FETY SC IENCE第8卷第2期AssessmentM odels for the Radioactive ElementsContam ination at the Nuclear Safety Eventsin Nuclear Power StationsDong X

18、ilinZhao Zhijian(Department of Fire Protection Engineering,Institute of Fire ProtectionP O Box 424,Langfang,065000 Hebei,P R China)AbstractThe radioactive elements diffusion at the nuclear safety events in a nuclear powerstation was discussed in this paper using a modified Gauss model.The factors su

19、ch asboundary conditions,w ind velocity and the decay law s of the radioactive elements,which influence the diffusion contam ination of the elements,have been analyzed.Further,contam inated zone,the distance from the elements releasing source to thecontam inated zone,and the sedimentation of the elements were evaluated.KeywordsA ccident consequence assessment modloes radioactive contam inated zonesedimentationassessment models94Vol.8 No.2核电站核事故核素污染评估模式