东部区域核事故核素大气扩散特征研究

郭瑞萍, 王瑞英, 岳峰, 李雯婷, 郜建伟

(生态环境部核与辐射安全中心, 北京 102401)

核电厂事故时放射性核素通过大气环境释放到环境中[1],排放到环境中的放射性核素在风和大气湍流作用下不断输送和扩散,在短期内对环境产生大范围的影响[2],气态污染物在大气中的扩散状态取决于风向、风速、大气湍流、气温的垂直梯度、大气热力学稳定度等气象条件和以及事故周围地区的地形条件[3];分析核事故情况下气载放射性核素对周围环境造成的辐射影响是开展核电厂环境影响评价、安全分析、辐射防护、核事故应急响应等工作的重要基础[4]。

核事故发生后,通过分析放射性核素的扩散特征来评估放射性核素可能造成的辐射后果影响,研究放射性核素大气扩散的基本方法有:大气示踪实验、风洞模拟实验、数学模型方法以及计算流体动力学(computational fluid dynamics ,CFD)[5-6]。数学模型方法具有较大优势,基于数学模型方法建立的大气扩散模式可实现快速评价核事故可能造成的辐射影响,常见的大气扩散模型有高斯模型、拉格朗日模型以及欧拉模型[7],不同大气扩散模型具有其优势,适用于不同的模拟尺度,如高斯烟团大气扩散模型CALPUFF[8]、混合单粒子拉格朗日积分轨迹模式HYSPLIT[9]、随机游走粒子-烟团模式(random-walk particle-puff model,RPPM)[10]、拉格朗日-欧拉耦合模型[7]等。其中高斯大气扩散模式因具有计算方法简便快捷,被广泛用于核事故大气污染物的输送扩散计算中,如高斯大气烟羽模式(AMS/EPA regulatory model,AERMOD)、大气扩散模式(atomspheric diffusion modeling,ADMS)、健康物理模型(health physics codes,HotSpot)和德国的高斯烟团扩散模型ATSTEP等[11]。在核电厂事故应急系统建立过程中,系统研究核电厂周围区域性大气流动的背景情况、污染物扩散情况至关重要,可应用中尺度气象模式研究当地大气流动[12],并结合大气扩散模式分析大气流动和气载污染物中尺度扩散。胡啸峰等[13-14]基于中尺度气象模式WRF(weather research forecasting model)实现了对放射性物质大气扩散模拟的环境辐射剂量的实时估算,并基于WRF模式研究了不同气象条件下“脏弹”恐怖袭击时污染物分布特征。黄昕等[15]建立的突发性大气环境污染事件应急预警系统,该系统包括WRF模式、风场诊断模式CALMET和高斯烟团扩散模式CALPUFF,并用此系统模拟了2011年3月日本福岛核事故,系统可以精确模拟事故浓度场变化。沈越等[16]通过整合WRF模式、HYSPLIT、ArcGIS等系统构建了核污染扩散单一合成图系统,实现了对核污染应急处置的制信息权。

不同地区厂址条件差异造成事故辐射后果存在明显差异。选择中国东部沿海区域为研究对象,基于区域气象场开展中国东部区域尺度核电厂事故时放射性核素大气扩散特征模拟研究,建立区域尺度放射性核素大气扩散计算方法,确定中国东部区域尺度和核电厂周边尺度放射性核素大气扩散空间分布特征,将为中国东部区域核电厂大气环境影响评价和核事故后果评价提供技术参考。

1 计算方法和模型

WRF模型是美国研发的中尺度天气预报模式,包括预处理系统、同化系统、动力内核以及后处理4个部分。可用于业务数值天气预报,也可用于大气数值模拟研究,包括数据同化研究、物理过程参数化研究、区域气候模拟、空气质量模拟、海气耦合以及理想实验模拟等。WRF模式通过设置模拟区域,利用气象再分析数据驱动,生成研究区域所需的风速、风向和大气稳定度等气象要素。

大气弥散因子(atmosphere diffusion factor,ADF)是评价厂址核事故时放射性核素大气扩散能力的重要指标,核电厂事故大气弥散因子采用高斯大气扩散模式进行计算[式(1)],利用风速、风向、大气稳定度等气象要素,分别计算0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h不同时段的事故大气弥散因子。

(1)

(2)

2 计算参数

WRF模式中设置的中国东部区域的模拟范围为17°52′44″N～41°47′27″N,105°38′52″E～128°21′3″E,模拟区域中心点经纬度坐标为30°N,117°E,网格分辨率为东西向40个网格,南北向54个网格,每个网格的格距为50 km(图1),计算网格共计2 160 个。选择再分析气象数据(final reanalysis data,FNL )驱动WRF模式,FNL数据是由美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心制作的全球气象再分析数据,网格分辨率为1°×1°,FNL数据的模拟时间为2015年1月1日—12月31日。利用WRF模式模拟东部区域的气象场,气象场范围覆盖防城港、昌江、阳江、台山、大亚湾、福清、田湾、宁德、秦山、海阳、红沿河、三门12个核电厂(图1)。利用研究区域每个网格模拟获得的气象要素场进行区域尺度每个网格事故时大气扩散模拟计算得到区域大气弥散因子。针对12个核电厂所在的网格开展核电厂周边尺度大气弥散因子计算,得到核电厂大气弥散因子。

图1 模式计算网格及核电厂点位分布Fig.1 Model calculation grid and nuclear power plant point distribution

3 计算结果分析

3.1 气象场特征

核事故情景下放射性核素的扩散特征与核电厂所在区域气象场分布密切相关。不同核电厂受厂址特征和气候条件影响,其气象场特征存在显著差异。图2给出红沿河核电厂、三门核电厂和阳江核电厂在大气稳定度D条件下的风速风向发生频率。可以看出,红沿河SW风向的发生频率(12.0%)最高,三门NNE风向的发生频率(13.9%)最高,阳江NNE风向的发生频率(15.4%)最高。其他核电厂如防城港NNE风向的发生频率(11.7%)最高,昌江S风向的发生频率(7.7%)最高,台山S风向的发生频率(12.1%)最高,大亚湾SSW风向的发生频率(10.2%)最高,福清SSW风向的发生频率(12.6%)最高,田湾S风向的发生频率(12.1%)最高,宁德NNE风向的发生频率(14.3%)最高,秦山ESE风向的发生频率(6.9%)最高,海阳SSW风向的发生频率(9.2%)最高。

图2 3个核电厂风速风向发生频率Fig.2 Frequency of wind speed and direction occurrence in three nuclear power plants

3.2 区域大气弥散因子

区域大气弥散因子可以综合反映出东部区域放射性核素的大气扩散能力和空间分布特征。图3中给出了区域每个计算网格中心点周边500 m处0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h以及年平均的大气弥散因子空间分布。0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h以及年平均大气弥散因子的变化范围依次为6.00×10-5～1.54×10-3、4.20×10-5～7.90×10-4、2.80×10-5～4.34×10-4、1.60×10-5～2.10×10-4、7.20×10-6～8.30×10-5、2.20×10-6～2.67×10-5s/m3。不同时段大气弥散因子的高值区域均主要分布在计算区域的西部和东北部,不同时段0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h的区域平均大气弥散因子分别为2.3×10-4、1.36×10-4、8.61×10-4、4.37×10-5、1.71×10-5和5.58×10-6s/m3。

图3 区域计算网格中心点500 m处不同时间段大气弥散因子(ADF)分布Fig.3 Distribution of atmospheric diffusion factors(ADF)at different time periods at 500 m from the center point of the regional computing grid

图4中给出了每个区域计算网格中心点周边5 000 m处0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h以及年平均的大气弥散因子空间分布图。不同时间段0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h以及年平均大气弥散因子的变化范围依次为1.00×10-6～2.81×10-4、1.20×10-6～7.36×10-5、8.00×10-7～3.32×10-5、5.00×10-7～1.07×10-5、2.10×10-7～3.30×10-6、1.00×10-8～7.98×10-7s/m3。不同时段2～8、8～24、24～96、96～720 h大气弥散因子的高值区域均主要分布在计算区域的西部和东北部,但0～2 h的大气弥散因子分布没有明显的高值区域。不同时段0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h的区域平均大气弥散因子分别为1.57×10-5、8.26×10-6、4.73×10-6、2.07×10-6、6.56×10-7s/m3。

图4 区域计算网格中心点5 000 m处不同时间段大气弥散因子(ADF)分布Fig.4 Distribution of atmospheric diffusion factors (ADF) at different time periods at 5 000 m from the center point of the regional computing grid

3.3 核电厂大气弥散因子

图5～图7分别给出了红沿河、三门和阳江不同核电厂距离网格中心点500 m和5 000 m处0～2 h大气弥散因子随方位的分布特征,由图可知,红沿河核电厂500 m和5 000 m处大气弥散因子变化范围分别为3.56×10-6～1.97×10-4s/m3和1.21×10-7～1.32×10-5s/m3;三门核电厂500 m和5 000 m处大气弥散因子变化范围分别为1.72×10-6～1.97×10-4s/m3和5.95×10-8～1.31×10-5s/m3;阳江核电厂500 m和5 000 m处大气弥散因子变化范围分别为1.36×10-6～1.25×10-4s/m3和2.56×10-8～6.97×10-6s/m3。

图5 红沿河核电厂区域中心点500 m和5 000 m处 不同时段大气弥散因子分布Fig.5 Distribution of atmospheric diffusion factors at different time periods at 500 m and 5 000 m of the regional center of Hongyanhe Nuclear Power Plant

图6 三门核电厂区域中心点500 m和5 000 m处 不同时段大气弥散因子分布Fig.6 Distribution of atmospheric diffusion factors at different time periods at 500 m and 5 000 m of the regional center of Sanmen Nuclear Power Plant

图7 阳江核电厂区域中心点500 m和5 000 m处 不同时段大气弥散因子分布图Fig.7 Distribution of atmospheric diffusion factors at different time periods at 500 m and 5 000 m of the regional center of Yangjiang Nuclear Power Plant

其他核电厂如防城港核电厂500 m和5 000 m处大气弥散因子变化范围分别为1.79×10-6～2.25×10-4s/m3和4.85×10-8～1.24×10-5s/m3,昌江核电厂500 m和5 000 m处大气弥散因子变化范围分别为4.23×10-6～3.00×10-4s/m3和8.86×10-8～1.79×10-5s/m3,台山核电厂500 m和5 000 m处大气弥散因子变化范围分别为0～1.39×10-4s/m3和0～8.08×10-6s/m3,大亚湾核电厂500 m和5 000 m处大气弥散因子变化范围分别为0～1.69×10-4s/m3和0～1.03×10-5s/m3,福清核电厂500 m和5 000 m处大气弥散因子变化范围分别为1.75×10-6～2.37×10-4s/m3和4.51×10-8～1.43×10-5s/m3,田湾核电厂500 m和5 000 m处大气弥散因子变化范围分别为7.78×10-6～2.46×10-4s/m3和2.82×10-7～1.70×10-5s/m3,宁德核电厂500 m和5 000 m处大气弥散因子变化范围分别为3.26×10-6～2.01×10-4s/m3和1.02×10-7～1.23×10-5s/m3,秦山核电厂500 m和5 000 m处大气弥散因子变化范围分别为5.24×10-6～2.34×10-4s/m3和2.12×10-7～1.16×10-4s/m3,海阳核电厂500 m和5 000 m处大气弥散因子变化范围分别为4.43×10-6～1.52×10-4s/m3和1.35×10-7～9.68×10-6s/m3。

不同核电厂距离中心点500 m处0～2 h大气弥散因子平均值变化范围在10-5～10-4s/m3量级,如防城港核电厂为1.43×10-4s/m3,昌江核电厂为1.66×10-4s/m3,阳江核电厂为7.27×10-5s/m3,台山核电厂为8.22×10-5s/m3,大亚湾核电厂为1.06×10-4s/m3,福清核电厂为1.16×10-4s/m3,田湾核电厂为1.85×10-4s/m3,宁德核电厂为1.39×10-4s/m3,秦山核电厂为1.66×10-4s/m3,海阳核电厂为1.12×10-4s/m3,红沿河核电厂为1.27×10-4s/m3,三门核电厂为1.26×10-4s/m3。

不同核电厂距离中心点5 000 m处0～2 h大气弥散因子平均值变化范围在10-6～10-5s/m3量级,如防城港核电厂为6.88×10-6s/m3,昌江核电厂为8.24×10-6s/m3,阳江核电厂为2.81×10-6s/m3,台山核电厂为3.81×10-6s/m3,大亚湾核电厂为5.86×10-6s/m3,福清核电厂为6.29×10-6s/m3,田湾核电厂为1.21×10-5s/m3,宁德核电厂为8.00×10-6s/m3,秦山核电厂为1.74×10-5s/m3,海阳核电厂为6.40×10-6s/m3,红沿河核电厂为7.78×10-6s/m3,三门核电厂为8.17×10-6s/m3。

4 结论

以中国东部区域为研究区域,利用WRF气象预报模式和高斯大气扩散模式分析了东部区域范围和不同核电厂厂址的事故大气弥散因子分布特征,得出如下主要结论。

(1)在中性稳定度下,各核电厂的主导风向发生频率从高到低依次为阳江>宁德>三门>福清>田湾>台山>红沿河>防城港>大亚湾>海阳>昌江>秦山,主导风向依次为NNE、NNE、SSW、S、S、 SW、NNE、SSW、SSW、 S、 ESE。

(2)东部区域计算网格中心点周边500 m和5 000 m处大气弥散因子的最大值均出现在0～2 h时段,最大值分别为1.54×10-3s/m3和2.81×10-4s/m3;最大值主要出现在计算区域的西部地区。

(3)不同核电厂距离中心点500 m处0～2 h大气弥散因子最大值从高到低依次为:昌江>田湾>福清>秦山>防城港>宁德>红沿河、三门>大亚湾>海阳>台山>阳江;距离中心点5 000 m处0～2 h大气弥散因子最大值:秦山>昌江>田湾>福清>红沿河>三门>防城港>宁德>大亚湾>海阳>台山>阳江。

(4)不同核电厂距离区域中心点500 m处的大气弥散因子最大值在10-4s/m3量级,距离区域中心点5 000 m处的大气弥散因子最大值在10-6～10-4s/m3量级。对同一核电厂而言,其500 m和5 000 m处的大气弥散因子最大值相差约一个量级。