核设施气载放射性污染物大气扩散因子对比研究

740 中国核科学技术进展报告（第一卷） 核能动力分卷（下） Progress Report on China Nuclear Science & Technology （V ol.1） 2009年11月

核设施气载放射性污染物大气扩散因子对比研究

李 瑾，过惠平，姚红伟

（第二炮兵工程学院102室，陕西 西安 710025）

摘要：采用修正高斯模式、软件计算和风洞测量值计算三种方法，对扩散因子进行了计算和对比分析，三种方法的结果趋势基本相同，但数值上差异较大，通常达到一个数量级以上。其中风向频率和地形起伏是扩散因子值最主要的影响因素。高斯模式不能准确反映地形的具体影响，应该对其进行尽可能准确的修正，采用风洞实验结果进行修正可以达到较好的结果。同时应该将短时扩散因子转化为长期扩散因子再进行比对，最后对扩散因子的计算进行了建议，为放射性核素地面空气浓度和剂量计算打下基础。 关键词：扩散因子；修正高斯模式；软件计算；风洞测量值计算

核电厂周围大气扩散因子的计算和分析是进行环境质量评价的一项重要内容。扩散因子尤其是长期扩散因子，代表了一个地区的平均大气扩散特征。其优点是用污染物源强乘以扩散因子可以得到污染物的浓度，为剂量计算打下基础；只要该地区的风场没有显著变化，该扩散因子仍然有效；根据两个厂址扩散因子的比较，可以知道哪一个厂址的扩散条件较好[1]。

扩散因子是放射性核素经过大气扩散以后，在某点处的浓度和源强之比，单位是s/m 3，表示经过归一化之后的核素浓度。通常进行大气扩散计算的方法是采用高斯模式。

Q H T y u Q

Q X z e y z y i ]2)(exp[)2exp()/(2222

σσσσπ×−−= （1） 其中，(X/Q )i 为下风向某点(x ，y )处的大气扩散因子，s/m 3；x 为下风向距离；y 为横风向距离；Q 为污染物释放率，即源强，g/s ；u 为排放高度处的平均风速，m/s ；σy 和σz 分别为水平和垂直方向的扩散参数，m ；H e 为有效排放高度，m ；T 为地形和建筑物修正因子，是考虑地形和建筑物引起烟流与地面高度差的改变以及烟流断面形变的综合因子，通常T 取决于有效排放高度、排放源所处位置和对应风向下建筑物和地形的几何高度以及大气稳定度。

1 扩散因子的计算

1.1 采用修正高斯模式计算扩散因子

通过福建宁德核电厂风洞模拟示踪实验，采用CO 作示踪剂。通过对不同情况下各测试点水平和垂直方向浓度分布分析，70%以上的浓度分布近似于高斯分布。根据实验结果，结合实际地形和微气象特点，采用修正的高斯烟流模式估算污染物在复杂地形下的浓度分布。在确定模式参数时，做了以下几方面的修正：

（1）扩散参数的确定。在复杂地形，扩散速率显然高于同类稳定度条件下平原的扩散速率，因此，σy 和σz 采用模拟实验的实测值，该实测值反映了不同情况下有效排放高度和地形对扩散参数的影响。

（2）烟羽轴线水平偏转的修正。由于复杂地形的影响，烟羽的水平运行轨迹会发生偏转，计算

作者简介：李 瑾(1983—)，男，湖北郧县人，硕士研究生，辐射防护与环境保护专业

741时如果不考虑这种影响，有时会产生较大的偏差。因此，使用该模式计算地面浓度时应考虑地形引起的烟羽轴线的水平偏转。

（3）烟羽轴线离地高度变化的修正。

考虑风频影响的修正高斯烟流模式计算大气扩散因子公式为：

P Q H T y u Q

Q X z e y z y i ××−−=]2)(exp[)2exp()/(2222

σσσσπ （2） 为了使计算过程简单而且有意义，做出以下假设：1）假设风都是规则地按照16个方位吹来，不考虑实际风向的小角度调整。2）假设实际过程中风速不会频繁发生大的变化，即一段时间的风速结果和一年的平均风速结果没有大的差异性，可以进行替代应用。3）主导风向对污染浓度起决定作用，风频较小的风向对浓度有一定的影响，但对浓度的量级不会产生影响。4）不考虑降雨、沉积、源强耗减等因素对扩散过程的影响，也就是假设源强在输送和扩散过程中没有损耗。

烟羽在轴线上扩散时，会同时向两侧扩散。所以在计算扩散因子的公式基础上，在计算中直接利用风频进行加权计算，有可能使计算估值比实际值偏小，见表1。

表1 修正高斯模式计算的各风向扩散因子(s/m 3) 距离 ENE ESE SSE NNW 距离 ENE ESE SSE NNW

300 4.33E-08 3.92E-09 3.27E-08 1.44E-073000 3.75E-07 1.21E-07 2.11E-08 1.56E-07

500 2.00E-08 1.09E-07 7.67E-08 1.88E-074000 2.76E-078.47E-08 1.65E-08 1.33E-07

1000 1.73E-07 1.92E-07 4.72E-08 1.70E-075000 1.60E-07 5.03E-08 9.75E-09 1.10E-07

1500 2.33E-07 1.42E-07 6.10E-08 1.21E-077500 1.40E-07 4.28E-08 6.85E-09 7.82E-08

2000 3.29E-07 1.05E-07 5.98E-08 1.47E-07100008.98E-08 2.95E-08 5.90E-09 5.88E-08

2500 3.68E-07 1.21E-07 3.12E-08 1.57E-0712000 4.53E-08 1.26E-08 5.98E-09 4.72E-08 1.2 采用程序计算扩散因子

用程序计算年均扩散因子，是建立在国际原子能机构(IAEA)与美国核管会(USNRC)曾颁布过的有关导则，主要包括：IAEA 于1980年颁布的安全指南(A Safety Guide, No. 50-SG-G3)“核电厂选址有关的大气弥散”及于1986年颁布的技术文件(TECDOC-379)“应用于放射性核素释放的大气弥散模式”；USNRC 于1977年颁布的管理导则(USNRC Regulatory Guide 1.111)《轻水堆正常工况下排放的气态排出物的大气运输与弥散的计算方法》[2]。

程序计算中，考虑了烟羽抬升、建筑物尾流效应引起的扩散增强、混合层高度影响。不考虑干、湿沉积、源项衰减，使得其计算条件与风洞实验所模拟的条件尽可能相同，以便对它们的计算结果分别进行对比分析。根据程序计算的年均扩散因子，选择宁德厂址源项释放率大，而且半衰期长的核素作为计算浓度和扩散因子的核素。选择85Kr 作为其年均扩散因子，得到的结果见表2。

表2 85Kr 年均扩散因子计算值

距离/m ENE ESE SSE NNW 500 5.97E-08 4.14E-08 1.87E-08 5.68E-08 1500 6.97E-08 6.04E-08 3.15E-08 5.31E-08 2500 4.20E-08 3.68E-08 1.90E-08 3.15E-08 4000 2.43E-08 2.15E-08 1.12E-08 1.76E-08 7500 1.11E-08 9.95E-09 5.42E-09 7.56E-09 15000 4.27E-09 3.86E-09 2.31E-09 2.61E-09