小型動力堆碼頭中破口失水事故大氣擴散研究

王 偉，張 帆，陳力生，晏 峰

(1.海軍工程大學(xué) 核能科學(xué)與工程系，湖北 武漢 430033；2.海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 陸戰(zhàn)系，廣東 廣州 510430)

碼頭復(fù)雜的地理環(huán)境和多變的氣候特征使得放射性核素在大氣中的彌散行為相對復(fù)雜[1]，小型動力堆放射性物質(zhì)外泄時的近地層大氣擴散特性直接導(dǎo)致碼頭附近的放射性后果會更加嚴(yán)重。目前，關(guān)于船用堆碼頭的大氣擴散研究尚未見公開報道。船用堆核事故所采用的大氣擴散模型與常規(guī)核電站基本相同，但要考慮近地層大氣擴散的特點。放射性物質(zhì)一旦釋放到環(huán)境中，將直接威脅公眾的生命財產(chǎn)安全，掌握碼頭放射性物質(zhì)的大氣擴散規(guī)律有利于及時預(yù)測事故后果，為決策分析提供依據(jù)。本文分析發(fā)生破口尺寸為29.4%當(dāng)量直徑的中破口失水事故的源項釋放，并將計算結(jié)果輸入到MACCS中進行碼頭大氣擴散仿真研究[2-3]，選取對人體劑量貢獻較大的揮發(fā)性核素131I、137Cs和惰性氣體133Xe作為研究對象，分析不同氣象條件下碼頭20 km范圍內(nèi)核素活度的變化情況及近地層大氣擴散對放射性的影響。

1 事故源項

本文假設(shè)破口發(fā)生時，停堆保護系統(tǒng)和壓力安全注射系統(tǒng)可正常投入，采取冷管段安全注射的方式；停堆后，二回路采取輔機耗汽。本文利用的MELCOR程序具有強大的源項計算能力，其內(nèi)部模型已經(jīng)過大量實驗數(shù)據(jù)的驗證，是IAEA向世界推薦使用的嚴(yán)重事故分析程序之一。仿真結(jié)果表明有30%的燃料包殼發(fā)生破損[4-5]。

1.1 堆芯放射性累積總量

堆芯放射性活度總量的計算采用ORIGEN-2程序[3]。燃料芯塊內(nèi)核素活度隨時間的變化可表示為：

i=1,2,…,N

(1)

其中：Ni為第i種核素密度，m-3；φ為中子通量密度，cm-2·s-1；λi為第i種核素的衰變常量，s-1；λji為第j種核素衰變產(chǎn)生第i種核素時的衰變常量，s-1；σf，i為第i種核素的中子裂變微觀截面，m2；σc，i為第i種核素的中子吸收微觀截面，m2；rji為第j種核素裂變反應(yīng)中產(chǎn)生第i種核素的份額。

1.2 包殼氣隙份額

包殼破損將導(dǎo)致累積在氣隙中的裂變氣體及部分燃料微粒釋放到一回路冷卻劑中，這兩部分的釋放份額按下式計算。

氣隙中裂變氣體的釋放份額為：

G=G0λ-0.5

(2)

燃料微粒的釋放份額為：

F=F0λbf

(3)

其中：G0、F0分別為裂變氣體、燃料微粒的初始釋放份額；bf為系數(shù)，不同核素的bf取值不同。各核素釋放份額計算參數(shù)列于表1。

本文采取最佳估算與保守估算相結(jié)合的模型，不考慮堆芯及一回路管道對放射性核素的吸附作用，并假設(shè)堆艙噴淋系統(tǒng)失效，堆艙的氣載放射性物質(zhì)通過應(yīng)急排風(fēng)系統(tǒng)釋放到艙外。選取對人體劑量貢獻較大的揮發(fā)性核素131I、137Cs和惰性氣體133Xe作為研究對象，源項的釋放份額和釋放量列于表2。

表1 各核素釋放份額計算參數(shù)

表2 源項的釋放份額和釋放量

2 大氣擴散模型

MACCS由Idaho國家實驗室為美國核管會開發(fā)，用于計算放射性核素大氣擴散的場外后果。船用堆在碼頭發(fā)生核事故，放射性核素釋放進入大氣，放射性后果可采用MACCS進行評估。

2.1 高斯分段煙羽模型

本文采用高斯分段煙羽模型進行碼頭大氣擴散研究[6]。考慮放射性物質(zhì)的干沉積、濕沉積、自然衰變3種因素后，高斯分段煙羽模型的時間積分活度可用下式[7]表示:

(4)

其中：Cn(x，y，z)為第n個時間段內(nèi)在(x，y，z)點的時間積分活度分布；Qn為第n個時間段內(nèi)放射性核素釋放活度；Un為第n個時間段內(nèi)有效釋放高度處的風(fēng)速；ηn為在第n個時間段內(nèi)計算點距煙羽軌跡的垂直距離；Δfn為第n個時間段內(nèi)對應(yīng)的時間積分修正系數(shù)；fd為干沉積修正系數(shù)；fw為濕沉積修正系數(shù)；fR為放射性衰變修正系數(shù)；σy、σz分別為橫向和垂直方向的大氣擴散參數(shù)；H為煙羽的有效釋放高度。

2.2 大氣擴散參數(shù)的確定

本文所研究的碼頭周圍20 km范圍內(nèi)地形相對平坦，且周圍主要為農(nóng)田。結(jié)合碼頭的地形特點，采取適用于平坦地形的Pasquill-Geford方法確定大氣擴散參數(shù)：

σy=pyxqy

(5)

σz=pzxqz

(6)

其中：py、qy分別為橫向擴散參數(shù)的回歸系數(shù)和回歸指數(shù)；pz、qz分別為垂直方向擴散參數(shù)的回歸系數(shù)和回歸指數(shù)。py、qy、pz、qz均與大氣穩(wěn)定度有關(guān)，穩(wěn)定度計算的相關(guān)系數(shù)列于表3。

表3 穩(wěn)定度計算的相關(guān)系數(shù)

3 大氣擴散分析

選取對人體劑量貢獻較大的揮發(fā)性核素131I、137Cs和惰性氣體133Xe作為研究對象，分別對不同氣象條件下的大氣擴散規(guī)律進行分析，針對船用核動力裝置具有近地層核素釋放的特點，分析近地層核素釋放對碼頭核素活度分布的影響規(guī)律。不同的風(fēng)向會導(dǎo)致不同區(qū)域受到放射性污染，本文的研究建立在風(fēng)向恒定的基礎(chǔ)上。假設(shè)中破口事故發(fā)生時堆艙噴淋系統(tǒng)失效，堆艙放射性核素通過應(yīng)急排風(fēng)排出艙外。

3.1 不同穩(wěn)定度條件下核素軸線活度分布

事故源的基本參數(shù)為：核動力裝置排放源項的釋放高度為10 m，放射性核素釋放出口速度為4 m/s，釋放間隔的持續(xù)時間為2 h，且作為一個煙羽段進行釋放，在此期間，假設(shè)源項風(fēng)速、風(fēng)向等均穩(wěn)定不變。分別采用穩(wěn)定條件(F)、中性條件(D)和不穩(wěn)定條件(A)3個序列的大氣穩(wěn)定度進行大氣擴散計算。

圖1示出不同穩(wěn)定度條件下131I、137Cs和133Xe 3種核素經(jīng)過一段時間彌散后在活度軸線上某一時刻的積分活度分布。由圖1可見：在不穩(wěn)定條件下，垂直方向上的運動非常激烈，10 m釋放高度使得核素迅速到達(dá)近地面，且在近地面距源項4 km內(nèi)，迅速衰減到較小的放射性活度；在中性條件下，垂直方向上的運動仍較強烈，且初始地面核素軸線活度較不穩(wěn)定條件下的情況高出1倍，在近地面距源項12 km內(nèi)，衰減到較小的放射性活度；在穩(wěn)定條件下，放射性核素在垂直方向上的湍流運動不是非常劇烈，其強度低于不穩(wěn)定和中性條件下的。放射性核素釋放后在2 km距離內(nèi)地面軸線積分活度達(dá)到峰值，隨后逐漸衰減。放射性物質(zhì)對近地面產(chǎn)生影響的區(qū)域距源項相對較遠(yuǎn)。同時，由于垂直方向上的湍流運動相對較弱，使得軸線上核素活度隨距離的變化相對平緩，在距源項20 km處仍有一定量的放射性核素存在。

a——不穩(wěn)定條件；b——中性條件；c——穩(wěn)定條件

3.2 不同風(fēng)速下核素軸線活度分布

事故源的基本參數(shù)為：核動力裝置排放源項的釋放高度為10 m，釋放間隔的持續(xù)時間為2 h，且作為一個煙羽段進行釋放，在此期間，假設(shè)風(fēng)向穩(wěn)定不變。

近地層釋放時，中性條件、不同風(fēng)速情況下131I的軸線活度分布示于圖2。由圖2可看出：核素釋放后在距源項2 km內(nèi)核素軸線活度達(dá)到峰值，隨后逐漸減小；風(fēng)速越小核素軸線活度越大，影響的范圍也越大。在距源項20 km處，核素軸線活度在3種風(fēng)速條件下均降低到較小的程度。

圖2 不同風(fēng)速條件下131I的軸線活度分布

4 結(jié)論

1) 模型中的小型動力堆發(fā)生破口尺寸為29.4%當(dāng)量直徑的中破口失水事故時，包殼已破損，破損份額近似為30%。

2) 大氣穩(wěn)定度條件直接影響了大氣彌散的劇烈程度，從而決定放射性物質(zhì)彌散過程中的活度分布。在近地層大氣擴散條件下，中性條件相比穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩種氣象條件，在碼頭1.5 km范圍內(nèi)放射性活度最高；穩(wěn)定條件下，放射性物質(zhì)活度峰值出現(xiàn)在碼頭2 km范圍處，且影響范圍較大，在碼頭20 km范圍內(nèi)均存在一定的放射性活度；不穩(wěn)定條件下的彌散情況與中性條件下的類似，地面放射性活度相對于中性和穩(wěn)定條件較低，且衰減的速度最快。

3) 小型動力堆發(fā)生中破口事故，在穩(wěn)定條件下影響范圍較大，在碼頭周圍20 km范圍內(nèi)應(yīng)做好應(yīng)急工作。中性條件下在碼頭周圍10 km范圍內(nèi)應(yīng)做好應(yīng)急工作，在碼頭周圍1.5 km范圍內(nèi)危害相對較大。不穩(wěn)定條件的危害相對最小。

4) 風(fēng)速對碼頭核素大氣擴散也有直接影響。風(fēng)速越小地面核素放射性活度越大，影響的范圍也越大，所以微風(fēng)或靜風(fēng)天氣條件是應(yīng)急工作需特別注意的一種氣象條件。

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