核燃料循环设施烟囱排放高度优化研究

盛青，汪萍，滕柯延，林樱，王一川，吕彩霞，张露

(1.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082；2.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012)



核燃料循环设施烟囱排放高度优化研究

盛青1，汪萍1，滕柯延1，林樱2，王一川1，吕彩霞1，张露1

(1.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082；2.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012)

为进一步优化核设施气载流出物烟囱排放高度，统筹考虑环境和经济效益，采用CAIRDOS程序模拟预测7种排放高度情景下，某核设施气载流出物所致厂址5 km范围内长期大气弥散因子和所致公众个人有效剂量的分布。研究结果表明，核燃料循环设施流出物对环境和公众影响较大的放射性核素为U-234，长期弥散因子和所致公众个人有效剂量最大值均出现在东南东(ESE)方位。10 m、30 m和60 m烟囱下所致公众个人有效剂量的峰值分别为80 m烟囱的6.78倍、3.41倍和1.60倍，因此增加烟囱高度可有效减少公众个人有效剂量。150 m和200 m烟囱下所致公众个人有效剂量的峰值分别为80 m烟囱的39.32%和32.51%，因而过高的烟囱可进一步减少公众个人有效剂量，但剂量的减小幅度明显小于烟囱高度的增加幅度。综合考虑环境影响和经济效益，一般情况下，核设施优先考虑的烟囱高度为80 m。

核燃料循环设施；CAIRDOS程序；烟囱高度；环境影响

核燃料循环设施运行过程中的气载流出物经烟囱向环境释放，通过大气弥散对周边环境和公众产生一定影响[1-3]。从辐射环境影响角度分析，烟囱越高，气载流出物的弥散程度就越大，其对公众和环境的影响也就越小[4-5]，但考虑烟囱造价一般与高度的平方成正比[5]，过高的烟囱不仅会加重企业的经济负担，还会对周边景观环境造成负面影响[6-7]。当前我国核设施烟囱高度缺乏明确的设计规范，大部分新建烟囱没有经过科学合理的优化分析，部分核设施厂址烟囱林立，高矮不一，给核工业的清洁能源产业形象带来不利影响。因此，在核设施设计建造过程中，如何科学合理地确定烟囱高度，统筹考虑环境和经济效益[8-9]，成为核设施建设项目环境影响的关注重点。

1 材料与方法

本文采用CAIRDOS[10]程序对某核设施化工生产线气载流出物的辐射影响进行计算。该程序采用国家核安全局推荐的高斯直线烟羽模型[11]计算放射性核素在大气中的弥散过程。在估算放射性核素对公众造成的辐射剂量时，考虑了放射性核素空气浸没外照射、地表沉积外照射、空气吸入内照射和食入内照射等途径[12-13]。该程序广泛应用于我国核设施建设项目正常运行工况辐射环境影响的计算，可估算评价范围内年均大气弥散因子、核素浓度及所致公众的年有效剂量值。本文通过比较不同释放高度(烟囱高度)所致厂址周边主要放射性核素的浓度和公众个人有效剂量的分布及变化情况，提出烟囱高度优化选择的建议。

1.1 项目概况

该核设施化工生产工程拟建一烟囱，用于该工程正常运行过程中气载流出物(主要含富集度为5%的铀气溶胶)的排放，烟囱直径3 m，厂址边界为距烟囱300 m的圆形边界。设计排放量为1.20×109Bq/a，主要释放核素为U-234、U-235和U-238，排放量分别为1.06×109Bq/a、3.47×107Bq/a和1.02×108Bq/a。

1.2 气象条件及预测方案

图1为厂址所在地气象站2011—2013年地面风玫瑰图。厂址所在地气象站2011—2013年连续3年观测资料显示，年平均风速为2 m/s，主导风向为西北西(WNW)至西北北(NNW)之间，风频之和为43.7%，其中WNW风向为20.5%，年静风频率为9.1%。该地年均总降水量为951.6 mm，不同风向的年均降水量如图2所示。

图1 地面风频分布特征Fig.1 Distribution characteristics of ground wind frequency

图2 降雨分布特征Fig.2 Distribution characteristics of rainfall

本文将拟建烟囱高度设计为10 m、30 m、60 m、80 m、100 m、150 m和200 m，分别进行模拟计算，以获得一个排放效果较好、影响较低的优化高度。

2 结果与分析

经计算，该工程对80 km范围内东南东(ESE)方位的公众辐射影响贡献最大，主要核素为U-234，因此本文主要选取U-234核素ESE方位5 km范围内的长期弥散因子及其所致公众个人有效剂量值和个人有效剂量大于1 μSv/a的区域数量(不考虑人口分布的实际情况，该值可表征所致公众集体有效剂量)进行比较，同时选取东北(NE)、西南(SW)和西北(NW)3个方位对比分析。并将烟囱高度按照低矮烟囱、高烟囱和特高烟囱分别进行比较，其中低矮烟指高度为10 m和30 m，高烟囱指高度为60 m、80 m和100 m，特高烟囱指高度为150 m和200 m。

2.1 低矮烟囱与高烟囱

10 m、30 m、60 m和80 m烟囱高度下，ESE、NE、SW和NW方位的U-234长期弥散因子分布如图3所示，各方位的公众个人有效剂量分布如图4所示，ESE方位各距离处的U-234核素所致公众个人有效剂量值如表1所示。

图3 10～80 m烟囱高度下的U-234长期弥散因子分布Fig.3 Long term dispersion factor distribution of U-234 at the stack height of 10-80 m

图4 不同烟囱高度下的公众个人有效剂量分布Fig.4 Public personal effective dose at different stack heights

烟囱高度/m不同距离处的公众个人有效剂量/(μSv/a)0.3km0.5km1km1.5km2km3km4km5km102.19×101.54×106.333.452.181.511.118.71×10-1301.10×1019.894.652.591.651.158.50×10-16.71×10-1603.435.163.382.031.349.46×10-17.07×10-15.68×10-1801.833.232.761.771.208.60×10-16.54×10-15.26×10-1

由图3可以看出，各方位U-234长期弥散因子分布基本呈现近大远小的趋势。0～3 km范围内，U-234浓度值变化为10 m >30 m >60 m >80 m，3 km外基本趋于一致。从峰值来看，10 m烟囱高度长期弥散因子峰值为7.29×10-6s/m3，位于厂址边界0.3 km处；30 m烟囱高度峰值为3.48×10-6s/m3，位于厂址边界0.3 km处；60 m烟囱高度峰值为1.59×10-6s/m3，位于厂址边界0.5 km处；80 m烟囱高度峰值9.14×10-7s/m3，位于厂址边界0.5 km处。高烟囱将导致地面核素浓度峰值由厂址边界外延到0.5 km处。10 m烟囱所致地面浓度峰值约为60 m烟囱的5倍，约为80 m烟囱的8倍，表明相较于低矮烟囱，高烟囱可以有效降低核素地面峰值浓度。

对于公众个人有效剂量，由表1、图4中可以看出：①针对公众最大个人有效剂量值，10 m烟囱高度下为21.9 μSv/a，约为30 m高度11 μSv/a的2倍、60 m烟囱高度5.16 μSv/a的4.2倍、80 m烟囱高度3.23 μSv/a的6.78倍。②10 m烟囱高度下，5 km范围内公众个人有效剂量大于1 μSv/a的区域共52个，约占全部区域数量的32.5%；30 m烟囱高度下共45个，约占全部区域数量的28.1%；60 m烟囱高度下共29个，约占全部区域数量的18.1%；80 m烟囱高度下共17个，约占全部区域的10.63%。80 m高度下高值区个数约为10 m高度的32.69%，30 m高度的37.78%，表明相较于低矮烟囱，高烟囱可有效减少公众个人有效剂量的高值区域。

2.2 高烟囱与特高烟囱

在80m、100 m、150 m和200 m烟囱高度下，ESE、NE、SW和NW方位U-234核素的长期弥散因子分布如图5所示，各方位的公众个人有效剂量如图6所示，ESE方位各距离处的U-234核素所致公众个人有效剂量如表2所示。

图5 80～200 m烟囱高度下的U-234长期弥散因子分布Fig.5 Long term dispersion factor distribution of U-234 at the stack height of 80-200 m

图6 80～200 m烟囱高度下的公众个人有效剂量分布Fig.6 Public personal effective dose at the stack height of 80-200 m

烟囱高度/m不同距离处的公众个人有效剂量/(μSv/a)0.3km0.5km1km1.5km2km3km4km5km801.833.232.761.771.208.60×10-16.54×10-15.26×10-11001.302.022.231.551.087.90×10-16.11×10-14.93×10-11501.088.60×10-11.271.108.46×10-16.51×10-15.12×10-14.14×10-12001.056.71×10-17.28×10-17.67×10-16.58×10-15.38×10-14.40×10-13.67×10-1

由图5可以看出，100 m和150 m烟囱高度下的U-234核素长期弥散因子峰值位于1 km处，200 m烟囱高度下的长期弥散因子峰值又外延至1.5 km。U-234核素长期弥散因子的分布趋势为80 m>100 m>150 m>200 m。100 m、150 m和200 m烟囱高度下长期弥散因子峰值为6.72×10-7s/m3、3.36×10-7s/m3和1.96×10-7s/m3，分别为80 m烟囱高度峰值的73.52%、36.76%和21.44%。

关于公众个人有效剂量，由表2、图6可以看出：①100 m烟囱高度下的公众最大个人有效剂量值为2.23 μSv/a，150 m烟囱高度下为1.27 μSv/a，200 m烟囱高度下为1.05 μSv/a，分别为80 m烟囱高度的69.04%、39.32%和32.51%，说明过高的烟囱对于降低公众个人有效剂量并不明显。②100 m烟囱高度下，5 km范围内公众个人有效剂量大于1 μSv/a的区域(高值区)共12个，约占全部区域的7.5%；150 m高度下共6个，约占全部区域的3.75%；200 m高度下共2个，约占全部区域的1.25%。

综合上述分析可知，随着烟囱高度的增加，公众最大个人有效剂量在逐渐减小。但与此同时，烟囱高度由10 m到80 m增加了70 m，公众最大个人有效剂量由21.9 μSv下降到1.83 μSv，下降了近11倍；而从80 m到200 m增加了120 m，公众最大个人有效剂量仅由1.83 μSv降到1.05 μSv，仅下降了74.28%，降幅明显趋缓。因此，建设过高的烟囱并不能显著降低公众个人有效剂量。

3 结论

(1)核燃料循环设施烟囱的高度对厂址近区(3 km范围内)的影响较为明显，烟囱越高，气载流出物在环境中越能得到足够的稀释弥散，其所致公众个人有效剂量的峰值浓度和高值区域也越少，对环境和公众的影响也就越小。公众个人有效剂量高值区域的减少可有效减少厂址周边公众集体有效剂量水平。

(2)相比于80 m烟囱高度，10 m烟囱下，其所致公众个人有效剂量的最大值和高值区分别为80 m烟囱的6.78倍和3.1倍；30 m烟囱和60 m烟囱下所致公众个人有效剂量的最大值和高值区分别为80 m烟囱的3.41倍、2.65倍和1.60倍、1.71倍。高烟囱可有效减少公众个人有效剂量峰值和公众集体有效剂量水平。

(3)150 m和200 m烟囱下所致公众个人有效剂量的最大值为80 m烟囱的39.32%和32.51%。烟囱高度由10 m到80 m增加了70 m，公众最大个人有效剂量下降了近11倍；而从80 m到200 m增加了120 m，公众最大个人有效剂量仅下降了74.28%。因而过高的烟囱可进一步减少公众个人有效剂量，但剂量的减小幅度明显小于烟囱高度的增加幅度，并会将峰值区域向外扩展，增加对距离厂址较远公众的辐射影响，而且其建造成本也会成倍增加，并对周边的景观环境会带来不利影响。因而对于本工程，建议烟囱建设高度设定为80 m，可使环境效益与经济效益相协调。

(4)由于本次计算假设人口平均分布，与大部分核设施厂址周围近区人口较为稀少、远区人口较为稠密的实际情况不一致，因此在项目的具体实施过程中，项目设计时应结合项目的排放源项和厂址气象条件及周边人口分布情况对烟囱的排放高度进行进一步的优化论证。

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Study of Optimal Stack Height in Nuclear Fuel Cycle Facilities

SHENG Qing1, WANG Ping1, TENG Ke-yan1, LIN Ying2, WANG Yi-chuan1, LYU Cai-xia1, ZHANG Lu1

(1.Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082, China; 2.Appraisal Center for Environment & Engineering, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100021, China)

In order to further optimize the stack height in nuclear facilities by considering environmental and economic benefits as a whole, the CAIRDOS program is used to study the distribution of long term atmospheric dispersion factor and public personal effective dose within 5 km range of the facility under simulation scenarios of seven different emission altitudes in nuclear fuel cycle facilities. The results showed that the radionuclide U-234 has greater public effect among the effluents of nuclear fuel cycle facilities, and the greatest values of both long term atmospheric dispersion factor and public personal effective dose were found in ESE orientation. Peak values of public personal effective dose at the stack height of 10 m, 30 m and 60 m were 6.78, 3.41 and 1.60 times of that at the stack height of 80 m respectively, which suggested that the high stack can effectively reduce the public personal effective dose. However, peak values of public personal effective dose at the stack height of 150 m and 200 m were 39.32% and 32.51%of that at the stack height of 80 m respectively. Thus, high chimney can further reduce the public personal effective dose, but the decreased amplitude of dose is less than the growth of the stack height. Considering the environmental impact and economic benefits, the optimal stack height of nuclear facilities is 80 m.

nuclear fuel cycle facilities; CAIRDOS program; stack height; environmental impact

2016-08-25

本文由“受放射性污染土壤的评价与污染治理方法研究”(社会公益研究专项计划)资助

盛青(1987—)，男，江苏宿迁人，工程师，硕士，研究方向为辐射防护与环境影响评价，E-mail：shengqing0228@163.com

王一川(1984—)，女，河北滦县人，工程师，硕士，研究方向为辐射防护与环境影响评价，E-mail：wangyichuan@chinansc.cn

10.14068/j.ceia.2017.04.014

X701

A

2095-6444(2017)04-0060-06