核事故下放射性物质大气扩散风险评估模型研究.pdf

第 卷 第 期 年 月武 汉理工大学学报(信息与管理工程版)().文章编号:()文献标志码:核事故下放射性物质大气扩散风险评估模型研究邰 扬张小乐申世飞(清华大学 工程物理系北京)摘 要:为评估核事故后放射性物质大气扩散带来的安全健康风险以福岛核事故为例进行分析 基于开发的拉格朗日 欧拉耦合模型模拟计算放射性物质扩散和干湿沉降过程利用预测评估系统开发大尺度放射性危险物质在大气中的扩散烟云、地面辐射剂量以及基于呼吸和肺部沉积的内照射剂量评估模型实现了基于耦合模型的中大尺度风险评估 结果表明:福岛核事故对太平洋和东北亚地区带来了一定的辐射风险基于耦合模型开发了中大尺度风险评估方法并对福岛核事故进行了辐射风险评估可为应急决策提供数据支持为未来类似事件的风险评估提供参考关键词:核事故大气扩散外照射内照射剂量评估风险分析中图分类号:./.收稿日期:.作者简介:邰扬()男博士研究生研究方向为放射性物质大气扩散模型.通讯作者:申世飞()男教授研究方向为安全科学与工程.年 月 日福岛核事故发生后事故反应堆释放出的放射性物质在数月内通过大气和海洋扩散到北半球大部分地区 福岛核事故发生后几天日本政府在几个时间阶段采取了不同的疏散措施 月 日福岛核事故发生当日日本政府对福岛第一核电站周围 范围内的居民进行了紧急疏散 月 日日本政府将疏散范围增大到 仅半天后又将疏散范围调整为 月 日日本政府将疏散范围扩大到 由此可见核电站事故发生之后日本政府对事故影响范围和灾后风险的预估明显不足 如何在核事故发生前和发生时快速估计放射性物质的排放和沉降量并根据放射性物质扩散及沉降结果计算公众的外照射、内照射吸收剂量准确判断出其影响范围和健康风险以做出科学准确的疏散决策是应对核事故健康风险评估的重要议题关于核事故后放射性物质的大气扩散及沉降过程以及由此引发的公众辐射剂量与健康风险国内外进行了一系列研究 等提出了一个改进的集合卡尔曼滤波器数据同化方法结合拉格朗日模式以同时改进模式预测和重建短距离大气扩散的源项有效改善了预测的浓度分布重建了核事故发生后源释放速率和羽流上升高度的时间分布 等结合两个气溶胶模型运算的结果和福岛核事故发生后悬浮颗粒物监测网络的观测结果提出一个新的方法描述福岛第一核电厂事故中排放的 在大气中的迁移 等利用 对福岛第一核电厂核电站事故期间和事故后 和 的大气迁移和地面沉积进行了研究评估了 模拟这些过程的准确度以及模型性能对各种物理过程参数化方案的敏感性 等将 的云内和云下湿清除方案同时集成 中产生了气象学和两个湿清除过程的在线耦合模拟对两种微物理方案进行了试验 等将含有 个反应的新型大气碘气相机制与 空气质量机制结合建立了一个盒模型用以评价核事故后大气中释放的碘裂变产物的行为 等比较了切尔诺贝利核事故和福岛核事故对环境的影响指出切尔诺贝利事故的后果明显超过福岛事故福岛周围的高污染地区和撤离地区较小预计日本的健康影响远低于切尔诺贝利事故 等利用 模拟了切尔诺贝利核事故后 在欧洲和土耳其境内的沉降与给公众带来的健康风险 等利用 模拟福岛核事故后 和 的释放特征和在大气中的扩散过程 等提出了计算放射性核素云或羽流的伽马辐射剂量率的模型并应用在核应急管理 系统框架下的拉格朗日烟雾扩散模型 中该模型的特点是执行速度快能够根据非均匀气象或复杂地形下形成的随机形状的云或羽流计算伽马剂量率模型性能统计指数远高于文献中建议的接受标准 可见已有研究大多使用高斯模型、拉格朗日模型或欧拉模型因此避免不了高斯模型精度差、拉格朗日模型效率低、欧拉模型近源区域粗糙的问题 目前比较缺乏适用于核事故情形下的结合多模型优点的耦合模型笔者基于开发的核事故下放射性物质扩散的拉格朗日 欧拉耦合模型模拟计算放射性物质扩散和发生干湿沉降的过程在此基础上利用开发的预测评估系统研发大尺度放射性危险物质大气扩散烟云、地面辐射剂量以及基于呼吸和肺部沉积的内照射剂量评估模型实现基于耦合模型的中大尺度风险评估运用该方法评估福岛核事故给太平洋和东北亚地区带来的辐射风险以期为应急决策提供数据支持 扩散模型放射性物质扩散模型利用气象数据计算放射性物质在大气中扩散过程和时空分布 笔者开发的核事故下放射性物质大气扩散拉格朗日 欧拉耦合模型中气象数据和大气扩散模型是最重要的两个模块 气象数据主要采用欧洲中期天气预报中心()提供的 气象再分析数值产品近源区域的大气扩散模型选择基于欧洲气象局大型气象数值模拟平台 的拉格朗日烟团扩散模型中尺度和大尺度的大气扩散模型选择了欧拉大气扩散模型 耦合模型结构示意图如图 所示模型首先对气象数据和地形数据进行前处理之后和源项排放数据一起导入大气扩散耦合模型中由耦合模型调用拉格朗日烟团模型进行近源区域的模拟并通过耦合模块对模拟结果进行检查如果符合耦合判据再次通过耦合模型将其转入欧拉扩散模型进行大气度扩散模拟模拟结果通过后处理即可得到放射性泄漏物质的时空分布在拉格朗日烟团模型中浓度 可由式()给出()()/)图 耦合模型结构示意图()()()()()()()()()()()式中:为源排放出的第 个烟团的质量为烟团的总数、和 为 时刻第 个烟团在 方向的烟团标准差表示地面上的烟团高度即源高度和烟团上升高度的总和表示地表的高度表示大气边界层厚度()()代表 地 面 反 射()()则代表烟团到达边界层时(.)对烟团的修正欧拉扩散模型 的扩散方程如式()所示 ()()干沉降采取阻力模型沉降速率通过式()确定 ()式中:为干沉降速度为气动阻力为层流子层阻力为表面阻力湿沉降采取参数化模型如式()所示()()()通过气象数据计算得出:.()()式中:为降水强度 为放射性物质所在的高度 为云层高度为第 种放射性物质的亨利系数 为理想气体常数为雨滴速度 为雨滴直径为传质系数和 通过式()和式()确定.(.)()武汉理工大学学报(信息与管理工程版)年 月()式中:为物质 的气相分子扩散为舍伍德数由式()确定 .()/()/()耦合模块采取烟团弥散判定符合判据条件后将放射性物质从拉格朗日模块转到欧拉模块继续模拟耦合判据如式()所示 ()式中:为拉格朗日烟团的弥散直径 为栅格的尺寸 风险估算模型核事故后放射性物质的扩散给民众带来健康风险在辐射防护领域一般将风险分为确定性效应和随机性效应二者都与受影响区域公众的受照射 剂 量 高 度 相 关 国 际 放 射 防 护 委 员 会()号出版物规定公众每年的有效剂量不得超过 因此通过估算核事故后放射性物质大气扩散的公众吸收剂量实现对公众健康风险的估算.模型基本方法核事故发生时大量放射性元素以气体和气溶胶的形式释放到空气中并随着大气运动而大规模扩散其衰变过程带来的 粒子、粒子和 射线会对公众健康造成风险 在辐射防护领域放射性物质带来的健康影响可分为外照射和内照射 外照射是由悬浮在大气中或沉积在地面上的放射性核素发生衰变导致的内照射是由于吸入空气或摄入被放射性物质污染的食物和水 核事故会放出大量放射性元素如 、等 笔者聚焦于放射性核素大规模扩散引起的公众健康影响选择 和 为主要研究对象 的半衰期为.年 的半衰期为.天可以通过吸入或摄入进入人体并扩散到全身带来持续性的健康隐患按照国际原子能机构()的界定放射性物质对人体的辐射风险有 种方式:来自大气中放射性气体或微粒的外照射有效剂量()沉积在土壤和其他物质表面的放射性核素造成的外照射有效剂量()通过呼吸吸入的放射性气体或气溶胶造成的内照射有效剂量()食用受污染食物和水造成的内部有效剂量 由于估算通过食物或者水摄入的内照射有效剂量牵涉到放射性物质在食物链中的转移在日本福岛核事故的情形下以海产品为主与放射性物质通过大气扩散的途径关联不大 所以笔者只考虑前三个过程带来的健康风险国际辐射防护委员会()对于辐射对公众健康风险的影响评估的指导意见中采用的是年度剂量因此需要将放射性物质的辐射剂量转化为年度剂量 由于模拟总时长为 对于大气外照射有效剂量、沉积外照射有效剂量 和吸入内照射有效剂量 采取不同的处理方案处理方案基于两条基本假设:福岛核事故发生 天后排放到大气中的放射性物质经过扩散、干沉降、湿沉降等过程后大多已沉降到地面或水面大气中的剩余放射性物质基本可忽略不计(在模型的实际应用中可根据需要适当延长或缩短模拟时间)对于已沉降到地面的放射性物质的再悬浮由于其相对于沉降总量来说数量很少(实际上无论是 还是 其地表吸附性均较高再悬浮过程发生的概率极低)因此在模拟计算中不考虑再悬浮过程基于假设空气外照射有效剂量和吸入有效剂量仅取决于空气中放射性物质的瞬时浓度故在实际计算中将每小时得到的有效剂量相加计算出每天的空气外照射有效剂量和吸入有效剂量再将每天的空气外照射有效剂量和吸入有效剂量相加得到一段时间内空气外照射有效剂量和吸入有效剂量的总有效剂量 基于假设将模拟时长()内的所有空气外照射有效剂量和吸入有效剂量相加即为福岛核事故发生当年的公众年度空气外照射有效剂量和吸入有效剂量沉积外照射有效剂量需要考虑沉积到地面的放射性物质持续性地发生衰变而产生放射性风险在计算时首先需要计算单位时间内沉降到地面上的放射性物质在之后一年内因自身衰变所导致的活度变化其衰变满足衰变方程如式()所示()()()式中:为放射性活度 为该放射性物质的衰变率沉降到地面上的放射性物质在 时刻的总衰变次数()为:()()()将()除以 即得到一定时间内的平均衰第 卷 第 期邰 扬等:核事故下放射性物质大气扩散风险评估模型研究变次数():()()()()()()当 年时即可得到用于计算一年内公众总沉积外照射有效剂量的放射性物质平均放射性活度在进行有效剂量的计算时往往通过计量系数的方法实现由活度到有效剂量的转化而很多放射性物质在衰变时会生成不稳定的中间产物中间产物会再次发生衰变多次衰变均有可能放出 射线 因此计算外照射剂量时必须考虑衰变链的影响 和 的衰变链分别为:(半衰期.年)(半衰期.)(稳态)(半衰期.天)(半衰期.天)(稳态)可见 和 衰变时都先进行一次 衰变到激发态的 或者 再进行一次 衰变到基态的最终产物 在计算衰变链的有效剂量时需要先理清初始衰变物与中间产物的活度关系 设初始衰变产物的活度和衰变率分别为()和 中间产物的活度和衰变率分别为()和 则二者满足以下微分方程:()()()()()()求解该微分方程考虑到初始条件()可以得到()的解为:()()()/()()由于核事故发生时反应堆已经运行很长时间可认为中间产物已经达到平衡即衰变产生的中间产物原子数与发生衰变的中间产物原子数相等因此中间产物的活度等于对应的 或 活度故衰变链的有效剂量系数应为二者的有效剂量系数之和 总有效剂量根据联合国原子辐射影响科学委员会()报告进行分别计算成人、儿童(岁)和婴儿(岁)在事故发生后第一年的总有效剂量.沉积外照射有效剂量计算对于外照射有效剂量(和)使用有效剂量系数来计算沉积在土壤和其他物质表面的放射性核素造成的外照射有效剂量 为:()()式中:为模拟计算出的放射性物质沉降剂量为沉积外照射有效剂量系数 为./()为./()为./()为./()故 衰变链的沉积外照射有效剂量系数为./()衰变链的沉积有效剂量系数为./()为室外居留因子为室内居留因子为建筑物的屏蔽因子按照 报告、和 的值分别为.、.和.大气外照射有效剂量计算来自大气中放射性气体或微粒的外照射有效剂量 为:()()式中:为模拟计算出的放射性物质在空气中的浓度为大气外照射有效剂量系数 为./()为./()为./()为./()故 衰变链的大气外照射有效剂量系数为./()衰变链的大气外照射有效剂量系数为./().吸入内照射有效剂量计算根据国际辐射防护委员会第 号报告中的系数计算公众的吸入有效剂量 即:()()式中:为公共吸入有效剂量系数 和 由于在人体中吸收极快因此为 型(对于 成人为./儿童为./婴儿为./对于 成人为./儿童为./婴儿为./)为呼吸频率成人为./儿童为./婴儿为./为室内空气衰减系数.模拟结果与讨论.放射性物质扩散模型验证为了验证模型的有效性选取福岛核事故后 在大气中的扩散为验证对象选取 在 年发布的福岛核事故报告中给出的部分监测站监测到的 在大气中的浓度为验证参照值 站点的选择如图 所示选武汉理工大学学报(信息与管理工程版)年 月图 模型验证选取的监测站位置取的、分布于日本本州岛到美国西海岸的范围这也是日本福岛核事故发生后放射性物质通过大气扩散的主要 路 径 源 项 则 采 用 日 本 原 子 能 机 构 年发布的福岛核事故后放射性物质泄露的源项数据 使用放射性物质大气扩散耦合模型模拟的福岛核事故后 的空气浓度分布与监测值的比较如图 所示其中线条为放射性物质大气扩散耦合模型的模拟结果“”为联合国原子辐射影响科学委员会下辖监测站的监测结果图 福岛核事故后 的观测值与模拟值比对 由图 可知除站点 外其余站点符合程度均较高 报告标出 在核事故发生后的前几天用于测量空气中核素量的记录带有少量混淆推测这可能是造成 站点的误差来源 通过与监测站点的比对可知耦合模型可以较好地模拟 扩散的过程.有效辐射剂量模拟与讨论为计算福岛核事故后产生的有效辐射剂量计算了福岛核事故发生 后即 年 月 日到 月 日所释放出的放射性物质通过大气扩散后的有效辐射剂量分布由于东亚副热带季风影响放射性烟云主要朝日本以东扩散而日本以西的东亚地区的放射性烟云则主要来自于放射性烟云向东扩散后逐渐蔓延到更高或者更低的纬度后受到方向相反的热带和寒带季风影响又被吹回东亚地区 模型计算出的福岛核事故后放射性物质扩散引起的北太平洋地区和东亚地区成人、儿童和婴儿 和 总年有效辐射剂量分布如图 所示从图 可以看出福岛核电站事故给周围公众带来了很大的健康风险 全世界人类每年的自然本底剂量平均为.根据国际放射防护委员会()号出版物的规定公众每年的有效剂量不得超过 而福岛核事故引起的第 卷 第 期邰 扬等:核事故下放射性物质大气扩散风险评估模型研究图 北太平洋地区和东亚地区成人、儿童和婴儿年有效辐射剂量分布放射性物质通过大气扩散后造成福岛核电站附近区域显著超过 日本本州岛范围内剂量主要在.量级北太平洋区域剂量在.范围内美国西海岸和阿拉斯加地区的年度有效剂量在.范围内在东亚范围内福岛核事故发生后引起的放射性物质扩散导致除日本外的东亚区域 和 的总有效剂量相对很低对于中国来说只有东北地区和南方部分地区受到了些许影响量级普遍在.以下 这主要是因为福岛核电站位于东亚副热带季风区的影响范围内核事故发生时的 月尚属于冬季季风的影响区间以西风为主因此核事故产生的放射性烟云大部分流向 了 太 平 洋 根 据 美 国 国 家 航 空 航 天 局()的 气象数据回顾分析在福岛核事故发生的 月初和后续主要大气泄漏出现的 月里福岛地区处于多风季节 月份的年平均每小时风向中 为西风占绝对主导地位福岛位于日本本州岛的东北角东面是太平洋因此绝大多数放射性物质飘向了太平洋东亚区域实际受影响很小但是如果当时福岛核事故发生于夏季东风和南风占主导地位包括日本在内的东亚地区可能会受到的影响和公众长期的健康风险要大得多 结论()利用开发的放射性物质大气扩散耦合模型对福岛核事故后 在东亚和太平洋上空的运输和沉积过程进行了模拟 模拟结果与位于日本本岛和太平洋的监测站的监测结果进行比对结果表明耦合模型可以较好地实现对放射性核素大气扩散的模拟计算()基于耦合模型进一步研发了大尺度放射性危险物质大气扩散烟云、地面辐射剂量以及基于呼吸和肺部沉积的内照射剂量评估模型实现了基于耦合模型的中尺度和大尺度风险评估武汉理工大学学报(信息与管理工程版)年 月()模拟计算了福岛核事故后 的大气扩散给包括我国在内的东亚部分国家带来的健康风险 结果表明受亚热带季风的影响福岛核事故发生后的放射性物质给我国大多数地区带来的年度额外剂量不到.影响很小参考文献:.:.:.():.():.:.:.:.:.:.:.:.():.():.邰扬申世飞.基于 耦合的放射性物质大气扩散模型研究.武汉理工大学学报(信息与管理工程版)():.余琦刘原中.拉格朗日烟团模型在核事故早期应急决策中的应用.清华大学学报(自然科学版)():.:.():.():.:():.():.():.():.:.():.():.():.():.(下转第 页)第 卷 第 期邰 扬等:核事故下放射性物质大气扩散风险评估模型研究 .():.房志明许清风宋伟宁等.超高层建筑人员步行疏散试验研究.中国安全科学学报():.():.:.:.:.(上接第 页):./.:.第 卷 第 期樊 蕊等:考虑结伴行为的长距离楼梯向下疏散实验研究