核电厂气载流出物大气弥散因子不同计算方法比较研究

张 琼，郭瑞萍，王 博

（环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082）



核电厂气载流出物大气弥散因子不同计算方法比较研究

张 琼，郭瑞萍，王 博*

（环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082）

摘要：当前，基于核电厂气载放射性流出物环境影响的评价模式种类较多，然而这些模式及其开发的程序多用于评价过程，专门针对环境后果影响审评的应用较少。本文从分析核电厂气载放射性流出物大气弥散的相关导则标准以及基于此开发的相应程序入手，针对典型核素，采用C-Airdos，ROULEA-2. 0和Fluidyn-PANACHE等程序，以我国自主设计的CAP1400压水堆重大专项示范工程石岛湾核电厂所在地环境数据为基准，开展正常运行工况下大气弥散因子模拟计算，与石岛湾核电厂环境影响评价报告所采用的Y3001程序计算结果进行比较分析，推荐适用于核电厂正常运行工况下气载流出物环境影响的审评模式及程序，为我国核电厂环境影响审评提供有益的技术参考。

关键词：高斯模式；气载流出物；大气弥散因子；扩散模式

随着我国核电事业的快速发展，核电厂建设已成为核电中长期发展非常重要的规划目标之一。根据《中国核电中长期发展规划》，到2015年核电规划装机容量达到4000万千瓦，在建1800万千瓦；2020年规划装机容量达到5800万千瓦，在建3000万千瓦［1，2］。环境保护部发布的《核动力厂环境辐射防护规定》（GB 6249 -2011）［3］指出，在核电厂环境影响报告书中（选址、建造及运行等阶段）必须考虑核电厂气载流出物对环境、生态和公众的影响。在核电厂环境影响审评过程中，应针对上述要求，对核电厂正常运行和事故工况下气载放射性核素对周围环境以及公众的影响进行定量审评，同时，核电厂应急计划区划分的基本依据也来自核素扩散后在不同距离段区域内的浓度分布。因此，研究放射性核素在大气中的扩散特征成为环境影响审评的一个关键因素。

关于核电厂大气弥散模式种类较多，如高斯模式，拉格朗日模式，欧拉模式，CFD模式等，基于此开发的程序也较多，如C-AIRDOS，ROULEA2，CEIRA，CALPUFF和Fluidyn-PANACHE等［4，5］。上述模式和程序被不同的设计单位用来开展核电厂《安全分析报告》和《环境影响报告》中大气弥散因子及环境影响的分析与评价。审核计算的特点是既具有代表性，简易可行，又不可过于保守。目前，还没有专门针对审评计算的相关模式和软件，本研究旨在通过比较分析各个模式和软件的差异，在此基础上探索推荐一套适用于常规核电厂气态流出物环境影响评价的审评模式和程序，为我国核电审评提供有益的技术参考。

1 核电厂大气扩散模式

关于核电厂气态流出物环境扩散模式的选取，国际原子能机构（International Atomic Energy Agency，简称IAEA）与美国核管会（Nuclear Regulatory Commission，简称NRC）先后颁布了相关导则，主要有：国际原子能机构于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”［5］，以及于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”［6］；美国核管会曾就核电厂正常及事故工况下的大气扩散发布过相关导则，主要包括导则RG1. 111《轻水堆正常工况下排放的气态排出物的大气输运与弥散的计算方法》（USNRC Regulatory Guide1. 111）［7］和导则RG1. 145《用于核电厂潜在事故后果评价的大气弥散模式》（USNRC Regulatory Guide 1. 145，1979）等［8］。其中，导则RG1. 111给出了用于评价陆上轻水反应堆正常运行气载流出物大气输送和弥散的计算模式及其假设，XOQDOQ是实现RG1. 111的计算程序，该程序的基本原理为高斯直线轨迹烟羽模式，模式中考虑了干沉降和放射性衰变的烟羽损耗，以及对非直线轨迹的修正等，但不考虑湿沉降影响。XOQDOQ采用的数据为风向、风速、稳定度的三维联合频率，对于平坦地形可单独使用XOQDOQ，对于复杂地形常需联合使用MESODIF（分段烟羽轨迹模式）。

关于我国核电厂扩散模式的选取，《核电厂厂址选择的大气弥散问题》（HAD 101/102）等有关的法规和导则对核电厂释放的放射性物质大气弥散所涉及的气象特征、估算模式及有关参数等方面做出了具体要求［9］，推荐采用双高斯方法进行厂址大气弥散计算，源的类型被划分为地面点源和高架点源，HAD 101/102同时给出了放射性核素衰变修正、干沉积、湿沉积、烟羽抬升高度、静风修正计算方法等。

目前，在我国核电厂环境影响评价过程中，有关正常运行下的大气扩散因子估算是以美国核管会管理导则RG1. 111推荐的方法为基础。表1为我国环评单位通常采用的部分大气扩散模型和辐射环境影响评价程序。这些评价程序的主要差异表现在气象资料的预处理方法和应用形式以及扩散模型参数的选取等方面。我国核电厂环境影响评价和审评过程中常用的模型基本为高斯烟羽模型。对长期大气弥散因子计算主要为Y3001/ C-AIRDOS、ROULEA和CEIRA等，短期的主要为PAVAN，内陆核电厂考虑到地形的复杂性，环评报告中用CFD进行模拟计算。

表1 核电厂正常运行气载放射性污染物释放后果评价程序Table 1 Assessment procedures on atmospheric radioactive effluxents under normal operation of nuclear power plants in China

2 CAP1400石岛湾核电厂环境影响评价分析

核电厂址按其地理位置可分为滨海厂址和内陆厂址，目前我国在建和运行的均为滨海厂址，因此选取CAP1400石岛湾滨海核电厂址为例进行分析具有代表性［10，11］。CAP1400为我国自行研发的装机容量为140万千瓦的先进非能动核电机组，属于第3代核电技术。石岛湾核电厂址濒临黄海，地貌类型为滨海缓坡地，陆地大部分自然地面高程在0 m -30 m之间，近海地形较为平缓。该核电厂址具有比较完整的气象监测数据和多年的环境监测数据，选用2009年-2010年的气象数据进行比对计算。石岛湾厂址属暖温带大陆性季风气候，受海洋性气候影响明显，四季分明、夏季雨量充沛、秋冬雨量较少、日照充足、冬寒夏热，温差较大。此区域中纬度天气系统活动频繁，大风、暴雨较多；同时，由于海洋性气候影响明显，还具有大陆性气候向海洋性气候过渡型的气候特征。同时，核电厂的气载流出物主要通过烟囱排放到大气，烟囱高度为81 m，内径3 m，安全壳上水箱高度暂定为76 m。

正常工况下核电厂环境影响评价的气态流出物根据气象参数模拟计算出大气弥散因子，结合食谱和人口数据，计算出个人和集体剂量；液态流出物则根据稀释因子进行计算。本文选用的C -AIRDOS可以计算出大气弥散因子和气态流出物导致的个人和集体剂量；ROULEA -2. 0可以计算气态流出物和液态流出物的个人和集体剂量；Fluidyn -PANACHE程序主要用于计算大气弥散因子，结合自行编制的剂量模式进行剂量计算。本文重点针对石岛湾CAP1400两台机组正常运行气态流出物大气弥散特征进行计算，并选取核素131I，与环评报告采用Y3001程序的计算结果进行比对分析，在此基础上推荐一套适用于常规核电厂气态流出物环境影响审评的模式和程序，为我国的核电审评提供技术支持。

2. 1 C -AIRDOS模拟计算

C - AIRDOS采用美国RG1. 111《估计轻水堆正常释放的气态物质的大气迁移和扩散方法》以及我国核安全导则《核电厂厂址选择的大气弥散问题》推荐的模式方法，考虑了混合释放、烟云抬升，以及干湿沉积损耗，核素衰变损耗等因素的修正。对于核素连续释放所致下风向某点大气弥散因子采用高斯烟羽直线轨迹模式，公式如下［12］。

式中：

C（x，y，z）为下风向某点（x，y，z）处的空气中污染物浓度（Bq·m-3）；

x为下风向距离（m）；y为横截风向距离（m）；z为距地面高度（m）；

Q为气载核素源强，即释放率（Bq·S-1）；

σy，σz分别为水平方向和垂直方向扩散参数（m），它们是下风向距离x及大气稳定度的函数；

He为有效排放高度（m）；

u-为有效源高度处的平均风速（m·S-1）。

通常将扩散因子定义为释放每单位气载放射性核素在下风向某处造成的气载放射性核素浓度，其单位为s·m-3。对于年均浓度，考虑长期扩散的风摆效应，通常取22. 5度扇形方位的平均值，每个扇区内平均地面空气浓度为：

以CAP1400石岛湾厂址主导风向SSW和次主导风向NW的下风向NNE及SE方位为例进行大气弥散因子的对比分析。模拟计算过程中相关输入参数参考《国核压水堆示范工程环境影响报告书》［11］。图1为分别利用C-AIRDOS和Y3001计算131I大气弥散因子的结果比较图。由图可知，环评报告（Y3001）（以后缀1表示，下同）的计算结果和C-AIRDOS（以后缀2表示，下同）相近，在两个主导风向下风向的大气弥散因子均是随着距离的增加而减小，且减小趋势基本保持一致。图2为二者的相对误差图。相对误差在释放点附近相差最大，约为40%，到1 km处下降为0，到2 km处为最小，约为-50%，随后到厂址边界5 km处变化不大。之后随着距离的增大，相对误差缓慢增大到0，到30 km -40 km处又变为正值。

相对误差计算公式为：

相对误差%=（SE2 -SE1）*100/ SE1

或：相对误差%=（NNE2 - NNE1）*100/ NNE1。其他核素与此类似。

图1131I大气弥散因子在NNE和SE风向比较分析图（C-AIRDOS&Y3001）Fig. 1 Comparative analysis of dispersion factor of131I in NNE and SE directions between C-AIRDOS and Y3001

图2131I大气弥散因子在NNE和SE风向相对误差示例图（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模拟计算

ROULEA -2. 0同样是依据美国RG1. 111及HAD101/02中推荐的模式方法，考虑了混合释放、烟云抬升、干湿沉积损耗，以及核素衰变损耗等因素的修正。地面排放的浓度计算公式为［13］：

x为下风向距离，m；

i为第i风速级；

j为第j大气稳定度；

Ui为第i风速级的中值；

σzj（x）为距离x处稳定度j的垂直烟羽扩散系数，m；

fij（K）为第i风速级，第j稳定度和第K方位的联合频率；

DECi（x）为x距离第i风速级由于放射性衰变的损耗因子；

DEPLij（x，K）为x距离i风速级，第j稳定度和第K方位由于烟羽损耗的因子；

RF（x，K）为x距离和第K方位的环流和滞流的修正因子；

Dz为建筑物高度，m。

以上两个公式表示了由于建筑物尾流的最大附加扩散。比较这两个公式的计算结果，并取保守的较大的X/ Q值。

图3为利用ROULEA - 2. 0和Y3001计算131I大气弥散因子的比较结果。Y3001的计算结果和ROULEA -2. 0的趋势相似，在两个主导风向下风向的大气弥散因子均是随着距离的增加而减小，且减小趋势基本保持一致。图4为二者的相对误差图。在释放点附近为正，约为45%，随着距离的增加逐渐减小，到1km附近为0，到2km处下降减缓，约为-25%，随后随着距离增大到10km处均缓慢下降，10km处为拐点，相对误差约为-10%，之后随着距离的增大逐渐下降，最大值则在80km处，超过了-75%。

2. 3 Fluidyn-PANACHE模拟计算

Fluidyn-PANACHE是一个用于模拟与污染和危险相关大气过程的三维计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）诊断计算模型。它使用三维有限体积方法求解模拟空气运动的Navier - Stokes方程（动量方程），同时求解每个网格中物种的浓度、质量和能量守恒方程。对于湍流模式，PANACHE求解上述方程的雷诺平均形式。

图3131I大气弥散因子在NNE和SE风向比较分析图（ROULEA -2. 0&Y3001）Fig. 3 Comparative analysis of dispersion factor of131I NNE and SE direction between ROULEA -2. 0 and Y3001

图4131I大气弥散因子在NNE和SE风向相对误差示例图（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导入软件并形成等高线文件，可在其上手动构建厂址构筑物、释放源及监测点等；由于本次模拟主要计算分析厂址构筑物和地形对气载流出物扩散沉降的影响，故以2#烟囱单独排放为例，选取释放源周边15 km开展三维计算流体力学模拟；本案例采用4层嵌套且逐层加密方式，总共划分了46万个结构化网格，可平滑模拟周围丘陵的地形起伏，经验证，排除了网格依赖性，计算网格满足HJ2. 2 -2008《环境影响评价技术导则大气环境》的相关要求。其他有关三维计算流体力学求解器的设置，包括湍流方案、数值方案及松弛因子等具体设置请参见用户手册［14］。一旦上述设置完成即可开始初始化，包括处理所有的输入，生成初始风场等。

为模拟气载流出物的年均迁移扩散特征，基于厂址风向、风速和稳定度的三维联合频率分布，提取发生频率最高的前70类气象条件（占总气象条件85%以上）为典型气象条件，分别计算该70类气象条件下的稳定风场和浓度分布；通过PANACHE的Import Average功能将扩散结果按照相应概率计算其平均值；通过读入平均后的最终结果，导出地面污染物浓度数据，并最终计算年均大气弥散因子。

以典型核素131I为例计算得到该厂址半径7. 5km区域范围内年均扩散和沉积状况，如图5所示，厂址构筑物对2号机组烟囱释放气载流出物的扩散及富集效果，结合年风玫瑰图可知，厂址区域的主导风向为SSW，坐落于反应堆厂房NNE方位的三废处理厂房恰好位于主导风向的下风向，之所以在图中显示为正上方，是由于此前为了建模已预先将地形底图向逆时针方向旋转34度，因此，受三废处理厂房影响，气载流出物不仅易于在三废厂房面向反应堆厂房的区域形成滞留和累积，最大可达1. 13E -05 s·m- 3，还会在三废厂房下风向尾流区形成相对高浓度区域（8. 66E -06 s·m- 3），但对厂址其他区域，特别是西南侧家属生活区的影响可忽略不计。为便于直观比较，将整个厂址区域16个方位及不同距离段的大气弥散因子汇总于表2。

图5 石岛湾正常运行烟囱释放年均大气扩散特征三维计算流体力学模拟图（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 厂址周边7. 5 km范围内131I年均大气弥散因子Table 2 The dispersion factor of131I around Shi Dao Bay around in 7. 5 km单位：s·m- 3

表2中各距离段各方位年均大气弥散因子最大值以粗体特别标注，从中可以看出，在释放点500 m范围内，受下风向构筑物影响，年均大气弥散因子最大值会略向东偏转，随着距离增加，地表构筑物影响逐步减弱，在800 m后，年均大气弥散因子最大值保持在主导风向下风向即NNE风向，且与高斯模式的计算结果在同一数量级，相差较小，这表明三维计算流体力学数值模拟软件Fluidyn -PANACHE可更加细致地模拟厂区构筑物对大气扩散的影响，结果较准确可靠。

图6为核素131I的PANACH和Y3001在两个主导风向下风向的大气弥散因子相对误差图。由图可见，相对误差在释放点处为最大，在NNE方位几乎达到500%，在SE方位也接近200%。随着距离的增加，误差急剧减小，到1 km -2 km后变化趋于平缓。

图6131I大气弥散因子在NNE和SE风向相对误差示例图（PANACHE& Y3001）Fig. 6 Relative error comparison of atmospheric dispersion factor of131I in the NNE and SE directions between PANACHE and Y3001

3 讨论与结论

由计算结果可知，4个程序计算的大气弥散因子结果趋势基本一致，在两个主导风向下风向的大气弥散因子均是随着距离的增加而迅速减小，且减小趋势基本保持一致。ROULEA -2. 0的计算结果弥散因子最大，C-AIRDOS次之，表明ROULEA - 2. 0的计算结果过于保守，应用于环评审评时需加以注意；Fluidyn-PANACHE在计算过程中耗时较多（历时两个月），计算范围有限（半径7. 5 km），说明用于正常工况下大气弥散因子的计算有一定的局限性。CAIRDOS的弥散因子计算结果较Y3001稍大，由于其是Y3001的改进版，对相关参数进行了修正，因此，综合分析比较已有的4种分析软件，C-AIRDOS更适用于核电厂气载流出物环境影响的审评。

对于核电厂正常运行工况下，基于RG1. 111核心体系构建了多个程序，由于在烟羽抬升、干湿沉降等方面修正的差异，以及气象参数输入方式的不同，如实时气象参数和联合频率等，导致了计算结果有一定的差别。对采用Y3001、ROULEA -2. 0和C-AIRDOS所得大气弥散因子对比分析表明，即使是同一类程序，由于修正模式的不同，结果也会出现较大差异。这部分的工作还需要深入开展，如进行参数敏感性分析，可靠性分析等。

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［15］Fluidyn. Fluidyn-PANACHE User Manual［R］. Paris：Fluidyn，2010.

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，Fluidyn-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

中图分类号：X591

文章标志码：A

文章编号：1672-5360（2016）02-0052-06

收稿日期：2016-03-21 修回日期：2016-05-04

基金项目：大型先进压水堆及高温气冷堆核电站国家科技重大专项《CAP1400安全审评关键技术研究》，项目编号 2013ZX06002001

作者简介：张琼（1975—），女，宁夏固原人，工学博士，高级工程师，现主要从事辐射防护、大气环境影响评价等相关工作

*通讯作者：王 博，E-mail：wangbo@ chinansc. cn