張 瓊，郭瑞萍，王 博

（環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082）

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核電廠氣載流出物大氣彌散因子不同計算方法比較研究

張 瓊，郭瑞萍，王 博*

（環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082）

摘要：當前，基于核電廠氣載放射性流出物環(huán)境影響的評價模式種類較多，然而這些模式及其開發(fā)的程序多用于評價過程，專門針對環(huán)境后果影響審評的應用較少。本文從分析核電廠氣載放射性流出物大氣彌散的相關導則標準以及基于此開發(fā)的相應程序入手，針對典型核素，采用C-Airdos，ROULEA-2. 0和Fluidyn-PANACHE等程序，以我國自主設計的CAP1400壓水堆重大專項示范工程石島灣核電廠所在地環(huán)境數(shù)據(jù)為基準，開展正常運行工況下大氣彌散因子模擬計算，與石島灣核電廠環(huán)境影響評價報告所采用的Y3001程序計算結果進行比較分析，推薦適用于核電廠正常運行工況下氣載流出物環(huán)境影響的審評模式及程序，為我國核電廠環(huán)境影響審評提供有益的技術參考。

關鍵詞：高斯模式；氣載流出物；大氣彌散因子；擴散模式

隨著我國核電事業(yè)的快速發(fā)展，核電廠建設已成為核電中長期發(fā)展非常重要的規(guī)劃目標之一。根據(jù)《中國核電中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2015年核電規(guī)劃裝機容量達到4000萬千瓦，在建1800萬千瓦；2020年規(guī)劃裝機容量達到5800萬千瓦，在建3000萬千瓦［1，2］。環(huán)境保護部發(fā)布的《核動力廠環(huán)境輻射防護規(guī)定》（GB 6249 -2011）［3］指出，在核電廠環(huán)境影響報告書中（選址、建造及運行等階段）必須考慮核電廠氣載流出物對環(huán)境、生態(tài)和公眾的影響。在核電廠環(huán)境影響審評過程中，應針對上述要求，對核電廠正常運行和事故工況下氣載放射性核素對周圍環(huán)境以及公眾的影響進行定量審評，同時，核電廠應急計劃區(qū)劃分的基本依據(jù)也來自核素擴散后在不同距離段區(qū)域內的濃度分布。因此，研究放射性核素在大氣中的擴散特征成為環(huán)境影響審評的一個關鍵因素。

關于核電廠大氣彌散模式種類較多，如高斯模式，拉格朗日模式，歐拉模式，CFD模式等，基于此開發(fā)的程序也較多，如C-AIRDOS，ROULEA2，CEIRA，CALPUFF和Fluidyn-PANACHE等［4，5］。上述模式和程序被不同的設計單位用來開展核電廠《安全分析報告》和《環(huán)境影響報告》中大氣彌散因子及環(huán)境影響的分析與評價。審核計算的特點是既具有代表性，簡易可行，又不可過于保守。目前，還沒有專門針對審評計算的相關模式和軟件，本研究旨在通過比較分析各個模式和軟件的差異，在此基礎上探索推薦一套適用于常規(guī)核電廠氣態(tài)流出物環(huán)境影響評價的審評模式和程序，為我國核電審評提供有益的技術參考。

1 核電廠大氣擴散模式

關于核電廠氣態(tài)流出物環(huán)境擴散模式的選取，國際原子能機構（International Atomic Energy Agency，簡稱IAEA）與美國核管會（Nuclear Regulatory Commission，簡稱NRC）先后頒布了相關導則，主要有：國際原子能機構于1980年頒布的安全指南（A Safety Guide，No. 50 - SG -G3）“核電廠選址有關的大氣彌散”［5］，以及于1986年頒布的技術文件（TECDOC -379）“應用于放射性核素釋放的大氣彌散模式”［6］；美國核管會曾就核電廠正常及事故工況下的大氣擴散發(fā)布過相關導則，主要包括導則RG1. 111《輕水堆正常工況下排放的氣態(tài)排出物的大氣輸運與彌散的計算方法》（USNRC Regulatory Guide1. 111）［7］和導則RG1. 145《用于核電廠潛在事故后果評價的大氣彌散模式》（USNRC Regulatory Guide 1. 145，1979）等［8］。其中，導則RG1. 111給出了用于評價陸上輕水反應堆正常運行氣載流出物大氣輸送和彌散的計算模式及其假設，XOQDOQ是實現(xiàn)RG1. 111的計算程序，該程序的基本原理為高斯直線軌跡煙羽模式，模式中考慮了干沉降和放射性衰變的煙羽損耗，以及對非直線軌跡的修正等，但不考慮濕沉降影響。XOQDOQ采用的數(shù)據(jù)為風向、風速、穩(wěn)定度的三維聯(lián)合頻率，對于平坦地形可單獨使用XOQDOQ，對于復雜地形常需聯(lián)合使用MESODIF（分段煙羽軌跡模式）。

關于我國核電廠擴散模式的選取，《核電廠廠址選擇的大氣彌散問題》（HAD 101/102）等有關的法規(guī)和導則對核電廠釋放的放射性物質大氣彌散所涉及的氣象特征、估算模式及有關參數(shù)等方面做出了具體要求［9］，推薦采用雙高斯方法進行廠址大氣彌散計算，源的類型被劃分為地面點源和高架點源，HAD 101/102同時給出了放射性核素衰變修正、干沉積、濕沉積、煙羽抬升高度、靜風修正計算方法等。

目前，在我國核電廠環(huán)境影響評價過程中，有關正常運行下的大氣擴散因子估算是以美國核管會管理導則RG1. 111推薦的方法為基礎。表1為我國環(huán)評單位通常采用的部分大氣擴散模型和輻射環(huán)境影響評價程序。這些評價程序的主要差異表現(xiàn)在氣象資料的預處理方法和應用形式以及擴散模型參數(shù)的選取等方面。我國核電廠環(huán)境影響評價和審評過程中常用的模型基本為高斯煙羽模型。對長期大氣彌散因子計算主要為Y3001/ C-AIRDOS、ROULEA和CEIRA等，短期的主要為PAVAN，內陸核電廠考慮到地形的復雜性，環(huán)評報告中用CFD進行模擬計算。

表1 核電廠正常運行氣載放射性污染物釋放后果評價程序Table 1 Assessment procedures on atmospheric radioactive effluxents under normal operation of nuclear power plants in China

2 CAP1400石島灣核電廠環(huán)境影響評價分析

核電廠址按其地理位置可分為濱海廠址和內陸廠址，目前我國在建和運行的均為濱海廠址，因此選取CAP1400石島灣濱海核電廠址為例進行分析具有代表性［10，11］。CAP1400為我國自行研發(fā)的裝機容量為140萬千瓦的先進非能動核電機組，屬于第3代核電技術。石島灣核電廠址瀕臨黃海，地貌類型為濱海緩坡地，陸地大部分自然地面高程在0 m -30 m之間，近海地形較為平緩。該核電廠址具有比較完整的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)和多年的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，選用2009年-2010年的氣象數(shù)據(jù)進行比對計算。石島灣廠址屬暖溫帶大陸性季風氣候，受海洋性氣候影響明顯，四季分明、夏季雨量充沛、秋冬雨量較少、日照充足、冬寒夏熱，溫差較大。此區(qū)域中緯度天氣系統(tǒng)活動頻繁，大風、暴雨較多；同時，由于海洋性氣候影響明顯，還具有大陸性氣候向海洋性氣候過渡型的氣候特征。同時，核電廠的氣載流出物主要通過煙囪排放到大氣，煙囪高度為81 m，內徑3 m，安全殼上水箱高度暫定為76 m。

正常工況下核電廠環(huán)境影響評價的氣態(tài)流出物根據(jù)氣象參數(shù)模擬計算出大氣彌散因子，結合食譜和人口數(shù)據(jù)，計算出個人和集體劑量；液態(tài)流出物則根據(jù)稀釋因子進行計算。本文選用的C -AIRDOS可以計算出大氣彌散因子和氣態(tài)流出物導致的個人和集體劑量；ROULEA -2. 0可以計算氣態(tài)流出物和液態(tài)流出物的個人和集體劑量；Fluidyn -PANACHE程序主要用于計算大氣彌散因子，結合自行編制的劑量模式進行劑量計算。本文重點針對石島灣CAP1400兩臺機組正常運行氣態(tài)流出物大氣彌散特征進行計算，并選取核素131I，與環(huán)評報告采用Y3001程序的計算結果進行比對分析，在此基礎上推薦一套適用于常規(guī)核電廠氣態(tài)流出物環(huán)境影響審評的模式和程序，為我國的核電審評提供技術支持。

2. 1 C -AIRDOS模擬計算

C - AIRDOS采用美國RG1. 111《估計輕水堆正常釋放的氣態(tài)物質的大氣遷移和擴散方法》以及我國核安全導則《核電廠廠址選擇的大氣彌散問題》推薦的模式方法，考慮了混合釋放、煙云抬升，以及干濕沉積損耗，核素衰變損耗等因素的修正。對于核素連續(xù)釋放所致下風向某點大氣彌散因子采用高斯煙羽直線軌跡模式，公式如下［12］。

式中：

C（x，y，z）為下風向某點（x，y，z）處的空氣中污染物濃度（Bq·m-3）；

x為下風向距離（m）；y為橫截風向距離（m）；z為距地面高度（m）；

Q為氣載核素源強，即釋放率（Bq·S-1）；

σy，σz分別為水平方向和垂直方向擴散參數(shù)（m），它們是下風向距離x及大氣穩(wěn)定度的函數(shù)；

He為有效排放高度（m）；

u-為有效源高度處的平均風速（m·S-1）。

通常將擴散因子定義為釋放每單位氣載放射性核素在下風向某處造成的氣載放射性核素濃度，其單位為s·m-3。對于年均濃度，考慮長期擴散的風擺效應，通常取22. 5度扇形方位的平均值，每個扇區(qū)內平均地面空氣濃度為：

以CAP1400石島灣廠址主導風向SSW和次主導風向NW的下風向NNE及SE方位為例進行大氣彌散因子的對比分析。模擬計算過程中相關輸入?yún)?shù)參考《國核壓水堆示范工程環(huán)境影響報告書》［11］。圖1為分別利用C-AIRDOS和Y3001計算131I大氣彌散因子的結果比較圖。由圖可知，環(huán)評報告（Y3001）（以后綴1表示，下同）的計算結果和C-AIRDOS（以后綴2表示，下同）相近，在兩個主導風向下風向的大氣彌散因子均是隨著距離的增加而減小，且減小趨勢基本保持一致。圖2為二者的相對誤差圖。相對誤差在釋放點附近相差最大，約為40%，到1 km處下降為0，到2 km處為最小，約為-50%，隨后到廠址邊界5 km處變化不大。之后隨著距離的增大，相對誤差緩慢增大到0，到30 km -40 km處又變?yōu)檎怠?/p>

相對誤差計算公式為：

相對誤差%=（SE2 -SE1）*100/ SE1

或：相對誤差%=（NNE2 - NNE1）*100/ NNE1。其他核素與此類似。

圖1131I大氣彌散因子在NNE和SE風向比較分析圖（C-AIRDOS&Y3001）Fig. 1 Comparative analysis of dispersion factor of131I in NNE and SE directions between C-AIRDOS and Y3001

圖2131I大氣彌散因子在NNE和SE風向相對誤差示例圖（C-AIRDOS&Y3001）Fig. 2 Relative error comparison of atmospheric dispersion factor of131I in the NNE and SE directions between C-AIRDOS and Y3001

2. 2 ROULEA模擬計算

ROULEA -2. 0同樣是依據(jù)美國RG1. 111及HAD101/02中推薦的模式方法，考慮了混合釋放、煙云抬升、干濕沉積損耗，以及核素衰變損耗等因素的修正。地面排放的濃度計算公式為［13］：

x為下風向距離，m；

i為第i風速級；

j為第j大氣穩(wěn)定度；

Ui為第i風速級的中值；

σzj（x）為距離x處穩(wěn)定度j的垂直煙羽擴散系數(shù)，m；

fij（K）為第i風速級，第j穩(wěn)定度和第K方位的聯(lián)合頻率；

DECi（x）為x距離第i風速級由于放射性衰變的損耗因子；

DEPLij（x，K）為x距離i風速級，第j穩(wěn)定度和第K方位由于煙羽損耗的因子；

RF（x，K）為x距離和第K方位的環(huán)流和滯流的修正因子；

Dz為建筑物高度，m。

以上兩個公式表示了由于建筑物尾流的最大附加擴散。比較這兩個公式的計算結果，并取保守的較大的X/ Q值。

圖3為利用ROULEA - 2. 0和Y3001計算131I大氣彌散因子的比較結果。Y3001的計算結果和ROULEA -2. 0的趨勢相似，在兩個主導風向下風向的大氣彌散因子均是隨著距離的增加而減小，且減小趨勢基本保持一致。圖4為二者的相對誤差圖。在釋放點附近為正，約為45%，隨著距離的增加逐漸減小，到1km附近為0，到2km處下降減緩，約為-25%，隨后隨著距離增大到10km處均緩慢下降，10km處為拐點，相對誤差約為-10%，之后隨著距離的增大逐漸下降，最大值則在80km處，超過了-75%。

2. 3 Fluidyn-PANACHE模擬計算

Fluidyn-PANACHE是一個用于模擬與污染和危險相關大氣過程的三維計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）診斷計算模型。它使用三維有限體積方法求解模擬空氣運動的Navier - Stokes方程（動量方程），同時求解每個網(wǎng)格中物種的濃度、質量和能量守恒方程。對于湍流模式，PANACHE求解上述方程的雷諾平均形式。

圖3131I大氣彌散因子在NNE和SE風向比較分析圖（ROULEA -2. 0&Y3001）Fig. 3 Comparative analysis of dispersion factor of131I NNE and SE direction between ROULEA -2. 0 and Y3001

圖4131I大氣彌散因子在NNE和SE風向相對誤差示例圖（ROULEA -2. 0&Y3001）Fig. 4 Relative error comparison of atmospheric dispersion factor of131I in the NNE and SE directions between ROULEA -2. 0 and Y3001

本案例的地形信息可直接導入軟件并形成等高線文件，可在其上手動構建廠址構筑物、釋放源及監(jiān)測點等；由于本次模擬主要計算分析廠址構筑物和地形對氣載流出物擴散沉降的影響，故以2#煙囪單獨排放為例，選取釋放源周邊15 km開展三維計算流體力學模擬；本案例采用4層嵌套且逐層加密方式，總共劃分了46萬個結構化網(wǎng)格，可平滑模擬周圍丘陵的地形起伏，經驗證，排除了網(wǎng)格依賴性，計算網(wǎng)格滿足HJ2. 2 -2008《環(huán)境影響評價技術導則大氣環(huán)境》的相關要求。其他有關三維計算流體力學求解器的設置，包括湍流方案、數(shù)值方案及松弛因子等具體設置請參見用戶手冊［14］。一旦上述設置完成即可開始初始化，包括處理所有的輸入，生成初始風場等。

為模擬氣載流出物的年均遷移擴散特征，基于廠址風向、風速和穩(wěn)定度的三維聯(lián)合頻率分布，提取發(fā)生頻率最高的前70類氣象條件（占總氣象條件85%以上）為典型氣象條件，分別計算該70類氣象條件下的穩(wěn)定風場和濃度分布；通過PANACHE的Import Average功能將擴散結果按照相應概率計算其平均值；通過讀入平均后的最終結果，導出地面污染物濃度數(shù)據(jù)，并最終計算年均大氣彌散因子。

以典型核素131I為例計算得到該廠址半徑7. 5km區(qū)域范圍內年均擴散和沉積狀況，如圖5所示，廠址構筑物對2號機組煙囪釋放氣載流出物的擴散及富集效果，結合年風玫瑰圖可知，廠址區(qū)域的主導風向為SSW，坐落于反應堆廠房NNE方位的三廢處理廠房恰好位于主導風向的下風向，之所以在圖中顯示為正上方，是由于此前為了建模已預先將地形底圖向逆時針方向旋轉34度，因此，受三廢處理廠房影響，氣載流出物不僅易于在三廢廠房面向反應堆廠房的區(qū)域形成滯留和累積，最大可達1. 13E -05 s·m- 3，還會在三廢廠房下風向尾流區(qū)形成相對高濃度區(qū)域（8. 66E -06 s·m- 3），但對廠址其他區(qū)域，特別是西南側家屬生活區(qū)的影響可忽略不計。為便于直觀比較，將整個廠址區(qū)域16個方位及不同距離段的大氣彌散因子匯總于表2。

圖5 石島灣正常運行煙囪釋放年均大氣擴散特征三維計算流體力學模擬圖（ROULEA -2. 0&Y3001）Fig. 5 CFD simulation of the annual atmospheric dispersion characteristics of the chimney of the normal operation of the Shi Dao Bay

表2 廠址周邊7. 5 km范圍內131I年均大氣彌散因子Table 2 The dispersion factor of131I around Shi Dao Bay around in 7. 5 km單位：s·m- 3

表2中各距離段各方位年均大氣彌散因子最大值以粗體特別標注，從中可以看出，在釋放點500 m范圍內，受下風向構筑物影響，年均大氣彌散因子最大值會略向東偏轉，隨著距離增加，地表構筑物影響逐步減弱，在800 m后，年均大氣彌散因子最大值保持在主導風向下風向即NNE風向，且與高斯模式的計算結果在同一數(shù)量級，相差較小，這表明三維計算流體力學數(shù)值模擬軟件Fluidyn -PANACHE可更加細致地模擬廠區(qū)構筑物對大氣擴散的影響，結果較準確可靠。

圖6為核素131I的PANACH和Y3001在兩個主導風向下風向的大氣彌散因子相對誤差圖。由圖可見，相對誤差在釋放點處為最大，在NNE方位幾乎達到500%，在SE方位也接近200%。隨著距離的增加，誤差急劇減小，到1 km -2 km后變化趨于平緩。

圖6131I大氣彌散因子在NNE和SE風向相對誤差示例圖（PANACHE& Y3001）Fig. 6 Relative error comparison of atmospheric dispersion factor of131I in the NNE and SE directions between PANACHE and Y3001

3 討論與結論

由計算結果可知，4個程序計算的大氣彌散因子結果趨勢基本一致，在兩個主導風向下風向的大氣彌散因子均是隨著距離的增加而迅速減小，且減小趨勢基本保持一致。ROULEA -2. 0的計算結果彌散因子最大，C-AIRDOS次之，表明ROULEA - 2. 0的計算結果過于保守，應用于環(huán)評審評時需加以注意；Fluidyn-PANACHE在計算過程中耗時較多（歷時兩個月），計算范圍有限（半徑7. 5 km），說明用于正常工況下大氣彌散因子的計算有一定的局限性。CAIRDOS的彌散因子計算結果較Y3001稍大，由于其是Y3001的改進版，對相關參數(shù)進行了修正，因此，綜合分析比較已有的4種分析軟件，C-AIRDOS更適用于核電廠氣載流出物環(huán)境影響的審評。

對于核電廠正常運行工況下，基于RG1. 111核心體系構建了多個程序，由于在煙羽抬升、干濕沉降等方面修正的差異，以及氣象參數(shù)輸入方式的不同，如實時氣象參數(shù)和聯(lián)合頻率等，導致了計算結果有一定的差別。對采用Y3001、ROULEA -2. 0和C-AIRDOS所得大氣彌散因子對比分析表明，即使是同一類程序，由于修正模式的不同，結果也會出現(xiàn)較大差異。這部分的工作還需要深入開展，如進行參數(shù)敏感性分析，可靠性分析等。

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The Comparative Study on Airborne Effluent Atmospheric Dispersion Factor of Nuclear Power Plant

ZHANG Qiong，GUO Qiong，WANG Bo*
（Nuclear and Radiation Safety Center，MEP，Beijing 100082，China）

Abstract：There are several kinds of models for the environmental impact assessment of airborne radioactive effluent from nuclear power plant. However，most of them and relevant softwares are used for the impact assessment；few of them are specifically developed for the review purpose. This paper analyzes the standards，guidelines and corresponding program related to the airborne radioactive effluent from NPP. Then the programs，such as ROULEA -2. 0，C-AIRDOS，F(xiàn)luidyn-PANACHE，were applied for numerical simulation of airborne effluent atmospheric dispersion factor for typical nuclide such as131I with the local environmental parameters of the Shidaowan NPP（CAP1400 PWR major demonstrative project）innormal operation. And the result was compared with the calculation result by the program Y3001 in the environmental impact report of Shidaowan NPP. Finally a set of suitable models and programs were recommended for reviewing the environmental impact of the airborne radioactive effluents of NPP in normal operation which could be the reference for the review on environmental impact of NPP in China.

Key words：Gaussian mode；airborne effluent；atmospheric dispersion factor；dispersion model

中圖分類號：X591

文章標志碼：A

文章編號：1672-5360（2016）02-0052-06

收稿日期：2016-03-21 修回日期：2016-05-04

基金項目：大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站國家科技重大專項《CAP1400安全審評關鍵技術研究》，項目編號 2013ZX06002001

作者簡介：張瓊（1975—），女，寧夏固原人，工學博士，高級工程師，現(xiàn)主要從事輻射防護、大氣環(huán)境影響評價等相關工作

*通訊作者：王 博，E-mail：wangbo@ chinansc. cn