基于部队核事故后果分析的系统开发

袁伟，曲延涛，杨宏伟，左莉，陈显波

（1.第二炮兵装备研究院，北京 100085；2.中国原子能科学研究院，北京 102413）

基于部队核事故后果分析的系统开发

袁伟1，曲延涛2，杨宏伟2，左莉1，陈显波1

（1.第二炮兵装备研究院，北京 100085；2.中国原子能科学研究院，北京 102413）

通过分析国内核设施事故后果评价技术现状及相关系统的功能特征，研究部队核事故后果评价技术的发展情况，比较两者在评价技术方法和功能模式上的异同点。在此基础上，针对前期研制的一种适用于部队核事故后果评价的软件系统，在功能组成、开发应用和优化升级等方面进行了探讨，为部队核武器事故后果评价技术发展提供了启示。

核事故；后果评价；系统开发

当核设施发生严重的放射性物质泄漏事故时，有必要采取有针对性的行动措施减少或避免公众可能受到的放射性照射。这些年来，国内相关核工业单位在后果评价方面开展了一些有效的工作，取得了明显的成效。同时，各个研究中心和科研机构也针对核设施运行状况以及周边环境条件，收集大量的资料信息获得的实用数据能够用于完善后果评价模型，也可对同类核事故应急处理提供处置行动建议，使人员和环境得到更好的保护。

军队武器虽然经过长时间的发展，其安全性和可靠性得到了极大提升，但是仍无法完全避免事故的发生。一旦发生核事故，需要在较短时间内进行事故后果评估，为后续应急处置行动提供决策建议。目前，国内部队核事故后果评价软件系统的研究工作，还处于起步阶段，许多基础性的研究工作急需开展。本文主要针对前期研制的一种适用于部队核事故后果评价的软件系统，在功能组成、开发应用和优化升级等方面进行了探讨，为部队核事故后果评价技术发展提供了一定的启示。

1 民用核事故后果评价技术现状

目前，国内研究的核事故后果评价系统可分为两个阶段。民用最早的核电站（大亚湾和秦山核电站）于20世纪80年代末研制的核事故后果评价软件，可作为第一阶段的典型代表。由于当时技术条件限制和科研水平薄弱，仅采取了比较简单的分析方法，包括高斯烟羽大气弥散模式和拉格朗日烟团模式。

其与现阶段的分析水平相比已落后，并且与实际条件差别比较大［1］。

随后，国内逐渐出现了以地理信息系统为平台的核事故后果评价分析系统，可作为第2阶段的代表。这类系统结合核事故发生区域的实际地理环境条件，发展了不同风场的预报模式，大气弥散主要采用三维蒙特卡罗粒子模式，剂量模块包括有预期剂量、可防止剂量的计算等。系统分析结果贴近实际事故场景，计算误差较小，已取代了早期评价系统。

2 部队核事故后果评价特点

由于军队武器自身的特殊性，因此其发生核事故与民用核设施核事故相比，在后果评价方面具有以下显著特点：

2.1 事故评价的源项核素特殊

核设施使用的核燃料铀235的丰度仅占3%～5%，而军队武器中所使用的铀材料，铀235的丰度达90%以上。军队武器中还使用了极毒钚材料部件，钚是一种具有强放射性的物质，其致死剂量为0.6微克。另外，还含有渗透性很强的氚材料，对防护要求很高。

2.2 事故后果评价模式复杂

核电站、核设施主要发生放射性物质泄漏、堆芯熔化等事故，释放源为稳定源，可采用近似模型进行分析。而军队武器中含有大量的火工品和炸药部件，一旦发生爆炸等事故，放射性物质随着爆炸产物瞬间释放出来，初始状态物质扩散模型不易建立，放射性物质运动规律和轨迹难以模拟。

2.3 事故后果评估技术要求高

军队武器是集高、精、尖技术于一体的武器装备，内部结构精细，事故诱因多，事故机理复杂。一旦发生事故，对事故后果评估的全面性和准确性有很高的技术要求，需要建立准确的评估技术方法以指导后续应急处置行动。

3 系统主要功能

3.1 系统介绍

多年来结合部队开展的核事故后果评价研究工作，在“十二五”初期通过与中国原子能科学研究院合作，开发研制了一套适用于军队武器事故后果评价软件系统，适用于军队武器作战使用过程中发生核事故的机理及模拟技术研究，能够对主要核事故类型的影响因素及产生的影响进行预测，为军队武器使用安全研究提供基础技术支持（图1）。

该软件系统主要用途包括：能够提供主要事故（地面和近地面化爆、核材料泄露、火灾等事故模式）计算模块及接入接口；能够提供各种典型源项输入模块接口；能够根据气象站的观测数据进行风场预报计算，给出预报温度场、湍能、风场和压强的具体分布；能够根据预报的风场和气流特点，分析给出核事故条件下气溶胶的运动过程、烟羽浓度梯度分布；可对应急处置人员辐照评估和公众剂量后果评价；能够在数据地图上同步展现二维的计算结果；能够在数据地图上同步展现三维空间气溶胶扩散沉降情况；报告、报表生成管理功能。

3.2 模块组成

该系统主要包括源项数据模块、地理信息模块、气象诊断模块、气象预报模块、污染物扩散模块、后果评价模块、对策优化模块和实时图形展示模块等部分。模块之间的相互串联以Net Framework微软官方版本为平台，以VC作为开发程序语言，以SQL Server作为数据管理系统（图2）。

3.3 模块功能

3.3.1源项数据模块

针对军队武器不同的事故情景模式（爆炸、火烧、放射性泄漏等），开发不同的源项数据，这是整个系统评价的核心。爆炸源项描述地面或高空爆炸事故产生的瞬时高温放射性物质，主要数据包括爆炸当量、爆炸相对地面高度、释放核素分类、放射性核素释放量等；火烧源项描述火灾事故产生的连续高温放射性物质，主要数据包括燃烧物质种类，燃烧量、燃烧时间、释放核素分类、放射性核素释放量等；放射性泄漏源项主要包括放射性核素释放高度、释放功率、释放速率、释放核素分类、释放量、事故时间等［2］（图3）。

3.3.2地理信息模块

基于事故发生区域的ArcGIS9.0地理信息（包括人口分布、特殊单位、公铁路分布、高程参数）的数据管理平台，既能够方便储存、修改、更新和查询数据，也能够定制应急有关的技术数据，并且为辅助决策以及应急评估提供有力的数据服务（图4）。

3.3.3气象诊断模块

无论是定性分析放射性气溶胶的运动情况，还是气溶胶分布模式定量分析，都需要掌握当地当时的气象数据。在地面粗糙度较高情况下，边界层周围的风场的时空变化很大。风场诊断结果的准确性，取决于实际测量风场的精度、密度以及代表性。在中尺度风场问题分析中，由于实际条件所限，在一个模拟范围内不易获得数个风速轮廓的测量数据，一般利用地面风的观测数据向上推演，以代替风速轮廓线［3］。本系统的风场诊断模块可以处理100 km×100 km范围，高2 000m的区域风场诊断问题，计算精度取决于计算区域的气象观测站点的密度和高质量的气象观测数据（图5）。

3.3.4气象预报模块

核事故应急响应、评价分析中涉及的预报风场，一般是中等尺度的气象模拟。中尺度可定义为水平尺度比天气尺度小，但比单个积云尺度要大的尺度。水平尺度从几公里到几百公里，时间尺度约为1到12 h，垂直尺度则从几十米到整个对流层。本系统采用非静力、完成可压动力学模型和交错网格技术，根据气象特征、初始风场、边界条件预报24 h内的三维风场演变情况［4］。预报风场模块采用风场诊断模块的结果作为初始风场，气象特征需要用户进行选择和输入，计算区域要小于风场诊断的区域，默认为80 km× 80 km。

3.3.5污染物扩散模块

采用粒子随机游走模式来模拟放射性污染物在大气中的扩散，该模式可以模拟复杂形状源项在复杂地形情况下的扩散问题，适用面广，计算精度高，并可以跟踪污染物的迁移轨迹，能够为三维动态展示提供数据。系统还通过不同精度计算网格的给出，反映污染物的不同浓度，包括近地面烟云的即时浓度、近地面烟云的积累浓度、地面沉积浓度和地面湿沉积浓度等（图6）。

3.3.6后果评价模块

核事故后果评价的根本目的是评价核事故后产生的大量放射性污染物对人的影响，在辐射防护中采用当量剂量这个物理量来评价不同辐射对人体不同组织器官的影响，对不同组织器官的当量剂量进行加权平均就得到有效当量剂量。评价事故后放射性物质通过不同途径对人的有效剂量是事故后果评价的重要任务。本系统根据污染物的扩散浓度，沉积浓度，计算不同途径的有效剂量，包括空气浸没外照射剂量率（各组织器官的剂量）、地面沉积外照射剂量率（干沉积和湿沉积后各组织器官的剂量）、吸入内照射剂量（各组织器官的剂量）和食入内照射剂量（各组织器官的剂量）（图7）。

3.3.7对策优化模块

该模块的实现主要分3步完成：第1步主要为生成对策，对策的生成将结合后果评价的计算结果和地理基础信息来完成，生成每个网格可能的行动方案；第2步是在考虑各种相关因素的条件下，用各种不同的优化评估方法对可能的对策进行优化评估和排序，得到尽可能优的决策方案；第3步对各种优化后的决策方案做进一步的代价分析、对比和排序，以供决策者参考。

3.3.8实时图形展示模块

该模块能够实现对空间相关数据的表现。二维渲染图包括地面沉积浓度、近地表时间积分浓度、空气浸没剂量率、地面沉积剂量率和吸入剂量的计算结果，渲染图将用不同颜色标注计算结果的大小，并用等值线给出不同结果的分布区域。三维扩散效果图采用三维模拟对风场和放射性污染物扩散轨迹进行展示，风场将在ArcGIS地图的网格点上用带箭头的线段表示，线段的长度表示风的大小，箭头指向风的方向，污染物的扩散轨迹将用带颜色的小球模拟污染物粒子的运动［5-6］。

4 结论

运用计算机软件平台及有关程序语言，笔者开发完成了适用于部队使用的核事故后果仿真分析系统。该系统软件界面友好，操作简便且功能实用，充分发挥了ArcGIS9.0软件在地理空间数据管理和分析方面的优势，易于部队核应急专业人员学习掌握，为开展核事故的物理模型、发生模式和影响因素分析，以及大空间尺度事故模拟技术的研究提供技术支持。在“十二五”初期该套软件已通过验收，下阶段的主要工作将重点围绕军队武器不同核事故场景条件下的源项数据（如放射性核素释放高度、释放功率、释放速率、释放核素分类和释放量等）以及积累局部地区气象数据，开展进一步深入研究和探讨。

［1］王醒宇，康凌.核事故后果评价方法及其新发展［M］.北京：原子能出版社，2003.

［2］胡二邦.大气环境研究若干领域的动态与进展［J］.辐射防护通讯，2001，21（6）:13-21.

［3］曲静原，曹建主.RODOS4.0与RODOS的未来发展［J］.辐射防护，2002，22（4）:2-8.

［4］田钢，王醒宇.广东省核电站核事故场外后果预测评价系统［J］.辐射防护，2001，21（4）:17-21.

［5］李红，徐火根，陈立航，等.核设施正常工况下气载放射性排出物环境影响评价软件的设计与开发［J］.核动力工程，2003，21（4）:209-212.

［6］樊申.秦山核电厂全厂断电事故研究和厂外后果分析［D］.北京：中国原子能科学研究院，2005.

The system development of consequence analysis for arm y nuclear accident

YUANWei，QU Yan-tao，YANG Hong-wei，ZUO Li，CHEN Xian-bo

（1.The Secondary Artillery Equipment Academy，Beijing 100085，China；
2.China Atomic Energy Institute，Beijing 102413，China）

Through the analysis of the assessment technique and the function characteristics of related system，domestic nuclear facilities accident consequence，assessment technique for army nuclear accident consequence was studied and the difference between the two evaluation methods were also compared.On this basis，the function，the application and the optimization of a software system that was developed for army was discussed.All of these will provide suggestion for the nuclear weapon accident consequence assessment.

nuclear accident；consequence assessment；system development

P631.1+2

A

1672-0636（2014）02-0120-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2014.02.010

2013-04-19；

2013-04-27

袁伟（1983—），男，江苏南京人，工程师，研究方向：辐射防护。

E-mail:wjg.0031@163.com