PAVAN在核燃料循环设施事故后果评价中的讨论.pdf

第 45 卷 第 4 期2023 年 7 月环 境 影 响 评 价Environmental Impact AssessmentVol.45,No.4Jul.,2023收稿日期:2023-05-29作者简介:潘伟(1978),男,广西百色人,副研究员,学士,主要研 究 方 向 为 辐 射 防 护 和 环 境 保 护,E-mail workofpan PAVAN 在核燃料循环设施事故后果评价中的讨论潘伟1,2,李杰31.中国辐射防护研究院,山西太原 030006;2.国家环境保护辐射环境与健康重点实验室,山西太原 0300063.中国科学技术大学,安徽合肥 230026摘要:设计基准事故后果评价,是核燃料循环设施(转化、浓缩、元件制造)环境影响评价的重要内容。PAVAN 程序包是根据美国核管会导则 1.145 的要求,由美国太平洋西北实验开发的事故短期弥散因子计算程序包。该程序包广泛应用于核燃料循环前端设施的设计基准事故后果评价。PAVAN 程序包在使用过程中,风速组的划分对事故后果评价具有相当重要的影响。低风速组的细分提高 PAVAN 程序包计算结果的保守性。核燃料循环前端设施设计基准事故的高架源释放情景下,PAVAN 程序包计算的弥散因子出现了下风向双极大值的现象。双极大值现象要求在进行事故后果评估时,不仅仅需要评估厂址边界的事故后果,还需要进一步分析厂址外最大浓度处的事故后果。关键词:事故后果;PAVAN;风速组;弥散因子DOI:10.14068j.ceia.2023.04.015中图分类号:TL75 文献标识码:A 文章编号:2095-6444(2023)04-0077-05The Discussion on the Application of PAVAN in the Evaluation of Accident Consequences of Nuclear Fuel Cycle AcilitiesPAN Wei1,2,LI Jie31.China Institute of Radiation Protection,Taiyuan 030006,China;2.National Key Laboratory of Radiation Environment and Health for Environmental Protection,Taiyuan 030006,China;3.University of Science and Technology of China,Hefei 230026,ChinaAbstract:Design reference accident consequence assessment is an important part of environmental impact assessment of nuclear fuel cycle facilities(conversion,enrichment,component manufacturing).PAVAN package is an accident short-term dispersion factor package developed by Pacific Northwest Laboratory in accordance with the requirements of Nuclear Regulatory Commission Guideline 1.145.This package is widely used in the evaluation of accident consequences based on design criteria of nuclear fuel cycle front-end facilities.In the process of using PAVAN package,the division of wind speed group has a very important influence on the evaluation of accident consequences.The subdivision of the low wind speed group improves the conservatism of the calculation results of the PAVAN package.In the overhead source release scenario of the nuclear fuel cycle front-end facility design reference accident,the dispersion factor calculated by PAVAN package appears the phenomenon of downwind double maximum.The double maximum phenomenon requires that the accident consequences should be evaluated not only at the site boundary,but also at the maximum concentration outside the site.Keywords:accident consequence;PAVAN;wind speed group;dispersion factor 在设计基准事故工况下,事故所致厂址周边公众的个人有效剂量是否满足设计目标值,是核燃料循环前端设施事故后果分析的重要内容。事故后果评价的情景设置一般是 F 类稳定度和 1 ms 风速的条件。国内的核燃料循环设施大多具备气象观测基础,可以统计出风向、风速、稳定度的三维联合频率。在核燃料循环前端设施的设计基准事故后果评估中,更多地采用 PAVAN 程序进行事故短期弥散因子的计算。环 境 影 响 评 价第 45 卷PAVAN 程序进行后果评价的理论来自美国核管理委 员 会(U.S.NRC)的 Atmospheric Dispersion Models for Potential Accident Consequence Assessments at Nuclear Power Plants(NRC Regulatory Guide 1.145)。PAVAN 程序包由美国太平洋西北实验室(PNL)开发,其原版程序包根据 7 类稳定度划分的三维联合频率(风向、风速、稳定度),对禁区边界(EAB)和低人口密度区边界(LPZ)的短期大气弥散因子(Q)进行计算。核燃料循环设施在应用过程中,对 PAVAN 程序进行了调整。程序功能上,将原来只计算 EAB 和LPZ 的代码,修改为计算 12 个距离的短期弥散因子,以满足 80 km 评价范围的要求,同时将 7 类稳定度修改为 6 类稳定度。在事故后果计算中,同距离的 16 个方位采用 0.5%概率水平的大者与全场 5%概率水平的短期弥散因子进行比较后,取大者作为最终进行事故后果计算的弥散因子。在实际使用中,考虑到大多数的事故释放场景为高架释放、且不同风速分组对 PAVAN 程序的预测结果也存在一定的影响。需要针对燃料循环前端设施进行事故后果分析开展进一步的讨论。1 事故短期弥散因子的计算NRC RG 1.145 描述了事故工况下大气弥散因子的计算要求。对于地面释放场景,大气弥散因子的计算依据下列 3 个基本公式:Q=1U10(yz+A2)(1)Q=1U10(3yz)(2)Q=1U10yz(3)式中:Q 为事故弥散因子,m3s;为 3.14159;U10为 10 m 高度处的风速,ms;y为横向扩散参数;z为纵向扩散参数;y为修正后的横向扩散参数,800 m 内的计算公式为 y=My,800 m 之外的计算公式为 y=(M-1)8y800m+y;公式中的 M 取值可以参考 NRC Regulatory Guide 1.145 中的附件。A 为邻近建筑物迎风截面积,m2。对于高价源释放情景,大气弥散因子的计算采用下式进行。Q=1Uhyzexp-h2e22z(4)式中:Uh为释放高度处的风速,ms;he为有效烟囱高度,是烟囱高度与计算点地形高度的差值,如果烟囱高度低于计算点地形高度,则取 0。2 风速组对短期弥散因子的影响以 A、B 两个厂址实地观测数据为例,按 6 个风速组、14 个风速组分别进行了预测模拟。预测中,下风向迎风截面积按 100 m2考虑,分别模拟了地面源和高架源两种释放场景,高架源释放场景的排放高度按 60 m 设计。根据实际工程设计,多数设计基准事故的事故持续时间不长,且事故的关心点主要为厂址边界处和边界外最大浓度处。因此我们选取 2 小时和 8 小时两个事故持续时间来对弥散因子进行预测,计算范围按照 10 km 考虑。2.1 A 厂址计算结果的比较地面源释放情景下,A 厂址的计算结果见表 1。从结果上看,14 个风速组的计算结果普遍高于 6 个风速组的计算结果,在比较关注的 10 km 范围区域内,14 个风速组的结果高出 6 个风速组结果约40%50%。图 1 给出了 10 km 范围内,(02)h、(28)h 结果的比较情况。表 1 地面释放情景下的计算结果(A 厂址)Table 1 The short-term accident dispersion under the ground release scenario(the A site)计算点m6 个风速组(m3s)(02)h(28)h14 个风速组(m3s)(02)h(28)h1501.37E-028.90E-031.96E-021.32E-022008.34E-035.45E-031.19E-028.06E-033004.19E-032.76E-035.98E-034.07E-035001.77E-031.18E-032.54E-031.74E-0315004.26E-042.71E-046.07E-043.97E-0425002.60E-041.60E-043.65E-042.31E-0440001.65E-049.85E-052.31E-041.42E-0475008.85E-055.12E-051.16E-046.92E-05高架源释放情景下,A 厂址的计算结果见表 2。从结果上看,14 个风速组的计算结果显著高于 6 个风速组的计算结果;但与地面释放情景不一样的是,随着时间的推移,事故弥散因子的差异在逐渐减小。87第 4 期潘伟:PAVAN 在核燃料循环设施事故后果评价中的讨论 图 1 地面释放情景下的短期事故弥散因子比较(A 厂址)Fig.1 Comparison of short-term accident dispersion factors under ground release scenarios(the A site)10 km 范围内;(02)h 时的事故弥散因子,14 个风速组的结果可达到 6 个风速组结果两倍,如2500 m 计算点,14 个风速组的结果是 6 个风速组结果的 2.5 倍;(28)h 的事故弥散因子,14 个风速组的结果高出 6 个风速组结果约 70%100%。图 2给出了(02)h、(28)h 结果的比较情况。表 2 高架释放情景下的计算结果(A 厂址)Table 2 The short-term accident dispersion under the elevated release scenario(the A site)计算点/m6 个风速组(m3s)(02)h(28)h14 个风速组(m3s)(02)h(28)h1504.87E-052.06E-058.74E-053.14E-052004.87E-052.65E-058.74E-054.42E-053004.87E-053.14E-058.74E-055.23E-055004.75E-053.20E-058.72E-055.44E-0515004.62E-053.02E-059.01E-055.61E-0525002.89E-051.90E-057.21E-054.47E-0540002.40E-051.55E-054.96E-053.06E-0575001.61E-051.00E-053.21E-051.94E-052.2 B 厂址计算结果的比较地面源释放情景下,B 厂址的计算结果见表 3。从结果上看,14 个风速组的计算结果普遍高于 6 个风速组的计算结果。在比较关注的 10 km 范围区域内,14 个风速组的结果高出 6 个风速组结果约 20%。图 3图 2 高架释放情景下的短期事故弥散因子(A 厂址)Fig.2 Comparison of results within 5km under elevated release scenarios(the A site)给出了(02)h、(28)h 的结果比较情况。表 3 地面释放情景下的计算结果(B 厂址)Table 3 The short-term accident dispersion under the ground release scenario(the B site)计算点m6 个风速组(m3s)(02)h(28)h14 个风速组(m3s)(02)h(28)h1502.69E-021.69E-023.12E-021.96E-022001.64E-021.03E-021.90E-021.19E-023008.26E-035.23E-039.55E-036.07E-035003.50E-032.24E-034.05E-032.60E-0315008.40E-045.16E-049.75E-046.02E-0425005.13E-043.05E-045.95E-043.55E-0440003.25E-041.88E-043.78E-042.20E-0475001.89E-041.05E-042.02E-041.14E-04高架源释放情景下,B 厂址的计算结果见表 4。从结果上看,14 个风速组的计算结果明显高于 6 个风速组的计算结果;与 A 厂址的结算结果类似,随着时间的推移事故弥散因子的差异在逐渐减小。在10 km 范围内;(02)h 的事故弥散因子,14 个风速组的结果高出 6 个风速组结果约 40%80%;(28)h 的事故弥散因子,14 个风速组的结果高出 6 个风速组结果约 30%70%。图 4 分别给出了(02)h、(28)h 的结果比较情况。97 环 境 影 响 评 价第 45 卷图 3 地面释放情景下的短期事故弥散因子比较(B 厂址)Fig.3 Comparison of short-term accident dispersion factors under ground release scenarios(the B Site)表 4 高架释放情景下的计算结果(B 厂址)Table 4 The short-term accident dispersion under the elevated release scenario(the B site)计算点m6 个风速组(m3s)(02)h(28)h14 个风速组(m3s)(02)h(28)h1504.19E-051.66E-055.71E-052.13E-052004.19E-052.18E-055.71E-052.80E-053004.19E-052.62E-055.71E-053.37E-055004.08E-052.70E-055.56E-053.46E-0515002.90E-051.90E-055.31E-053.31E-0525002.82E-051.82E-054.71E-052.93E-0540002.24E-051.43E-053.98E-052.45E-0575003.32E-051.86E-053.89E-052.19E-05PAVAN 程序包是基于一维稳态高斯模型,通过将三维联合频率(风向、风速、稳定度)转化为累积概率,进行弥散因子的计算。从公式(4)看,弥散因子的大小和风速成反比,低风速组在三维联合频率的占比对累积概率的贡献较大,增加风速组的分割,特别是增加低风速组的分割,其直接结果是提高了低风速组的占比,进而提高弥散因子的计算精度(累积概率水平 99.5%之上的预测结果)。同时,采用高斯模型进行计算,风速不能为零。细分低风速组不应突破高斯模型的物理边界,如单独分出一个静风风速组,并赋一个大于零的风速值。同时过于细分的低风速组也可能导致估算结果过于保守。图 4 高架释放情景下的短期事故弥散因子(B 厂址)Fig.4 Comparison of results within 5km underelevated release scenarios(the B site)3 释放情景对短期弥散因子影响从上述计算结果看,对于地面释放情景,下风向的短期弥散因子呈现了比较平滑的趋势结果;但是高架源释放情景下则出现了短期弥散因子抬升的情况,这里暂时称为双极大值现象。核燃料循环前端设施的设计基准事故主要为放射性物料包容丧失事故和临界事故,放射性物料包容丧失事故重点分析六氟化铀泄漏事故。在大多数核燃料循环设施的设计基准事故后果评价中,高架源释放场景是常见且非常重要的释放场景。双极大值情况的出现,往往要求开展厂址边界处和厂界外最大浓度的事故后果评价。PAVAN 程序包将大气弥散因子对于其发生的累积频率做上包络线,并将其平滑化。该包络线按大气弥散因子值从大到小分布。并根据该包络线给出短期大气弥散因子及其在 16 个方向中发生频率超过该值的小时数。最后,该累积频率分布曲线给各个方向中等于或超出总时间的短期大气弥散因子值。为了得到该 0.5%(或者 5%)的短期大气弥散因子值,程序将根据曲线的第一个斜率外推或内插。因此对于程序的输出结果,影响最大的是斜率。而稳定条件下低风速组的分布情况对于斜率的大小影响较大。假定一类风向、风速、稳定度三位联合频率,其特征为:(1)其他风速组的联合频率为 0.1;(2)E08第 4 期潘伟:PAVAN 在核燃料循环设施事故后果评价中的讨论 类稳定度第一个风速组各方向取 10;(3)或 F 类稳定度第二个风速组各方向取 10;(4)或 A 类稳定度的第一个风速组取 10。表 5 给出了这三类联合频率为输入计算的短期弥散因子。从图 5 中可以看出,E 类稳定度的第一个风速组的双极大值现象更加明显。将 E 类第一个风速组和 F 类第一个风速组的占比降低,使 PAVAN程序包计算过程中的包络线斜率变大,则不会产生图 5 所示的双极大值现象。进而也说明,小风的联合频率分布对于双极大值出现的影响较大,而 F 和E 类的第一个风速组对于预测结果的影响最大。表 5 不同权重下的扩散因子分布Table 5 Distribution of diffusion factors under different weights距离mE 类稳定度(sm3)F 类稳定度(sm3)A 类稳定度(sm3)5002.00E-051.07E-052.29E-057001.80E-058.04E-061.43E-0510001.55E-056.7E-066.70E-0615001.35E-055.95E-065.95E-0625001.09E-058.35E-064.11E-0645007.21E-065.75E-062.89E-0650004.71E-054.94E-062.49E-0675004.56E-064.04E-061.66E-06100003.74E-063.43E-061.21E-06图 5 不同权重下的弥散因子趋势图Fig.5 Dispersion factor trends under different weights4 结论设计基准事故的后果评价,是核燃料循环前端设施环境影响评价的重点内容。由于扩散因子与风速呈负相关,并且 PAVAN 的结果是各风速组计算值的线性拟合外延,细分风速组后,PAVAN 给出的短期弥散因子趋于保守。从 A 厂址和 B 厂址的计算结果看,14 个风速组的结果均高于 6 个风速组的结果,而高架源释放场景中 14 个风速组的结果则明显高于 6 个风速组的结果,在 A 厂址的结果中,甚至出现了 14 个风速组结果为 6 个风速组结果 2 倍的情况。可见,在核燃料循环设施设计基准事故后果评价中,细分风速组,特别是低风速组的细分工作是非常必要的。但是低风速组的细分不应突破高斯模型的物理边界。需要指出的是,过于细分的低风速组将导致 PAVAN 程序包的计算结果过于保守,而极端的低风速组细分行为(如单独分出一个静风风速组)并不可取。高架源释放是核燃料循环前端设施设计基准事故后果分析中常见的释放场景,双极大值现象的出现,说明仅仅分析厂址边界处的事故后果不能证明评价结论具有一定保守性的。事故后果的分析,还需要进一步评价厂址外最大浓度处的事故后果。双极大值现象并非是计算有误,而是来自于程序对大气弥散因子估算的方法。在出现双极大值情况时,如果需要预测两个极大值点之间的事故后果,将短期弥散因子进行对数内插不失为一个合理的选择。参考文献(References):1 U.S.Nuclear Regulatory Commission.PANVAN An Atmospheric Dispersion Program For Evaluating Design-Basis Accidenntal Release of Radioactive Materials From Nuclear Power StationsR.NUREGCR-2858,1982.2 U.S.Nuclear Regulatory Commission.Atmospheric Dispersion Models for Potential Accident Consequence Assessments at Nuclear Power PlantsR.Regulatory Guide 1.145,1983.2.3 U.S.Nuclear Regulatory Commission.Meteorological monitoring programs for nuclear power plantsR.RG1.2007,23.4 陈晓秋.小风和静风条件下 PAVAN 程序的应用问题J.辐射防护通讯.2008,8(28),4.5丁四中.PAVAN 程序 改进算 法 J.辐 射防护,2010,5(30),3.6 国家核安全局,核电厂厂址选择的大气弥散问题 HAD10102S,1987.11.7 李杰.稳定度分类方法总结C.中国核学会辐射防护分会2013 年学术年会论文集,2013.8 蒋维楣.空气污染气象学教程M.北京 气象出版社,2004.9 IAEA Safety Standards,Safety of Nuclear Fuel Cycle Facilities No.SSR-4R.2018.18