小型动力堆码头中破口失水事故大气扩散研究

王 伟，张 帆，陈力生，晏 峰

(1.海军工程大学 核能科学与工程系，湖北 武汉 430033；2.海军陆战学院 陆战系，广东 广州 510430)

码头复杂的地理环境和多变的气候特征使得放射性核素在大气中的弥散行为相对复杂[1]，小型动力堆放射性物质外泄时的近地层大气扩散特性直接导致码头附近的放射性后果会更加严重。目前，关于船用堆码头的大气扩散研究尚未见公开报道。船用堆核事故所采用的大气扩散模型与常规核电站基本相同，但要考虑近地层大气扩散的特点。放射性物质一旦释放到环境中，将直接威胁公众的生命财产安全，掌握码头放射性物质的大气扩散规律有利于及时预测事故后果，为决策分析提供依据。本文分析发生破口尺寸为29.4%当量直径的中破口失水事故的源项释放，并将计算结果输入到MACCS中进行码头大气扩散仿真研究[2-3]，选取对人体剂量贡献较大的挥发性核素131I、137Cs和惰性气体133Xe作为研究对象，分析不同气象条件下码头20 km范围内核素活度的变化情况及近地层大气扩散对放射性的影响。

1 事故源项

本文假设破口发生时，停堆保护系统和压力安全注射系统可正常投入，采取冷管段安全注射的方式；停堆后，二回路采取辅机耗汽。本文利用的MELCOR程序具有强大的源项计算能力，其内部模型已经过大量实验数据的验证，是IAEA向世界推荐使用的严重事故分析程序之一。仿真结果表明有30%的燃料包壳发生破损[4-5]。

1.1 堆芯放射性累积总量

堆芯放射性活度总量的计算采用ORIGEN-2程序[3]。燃料芯块内核素活度随时间的变化可表示为：

i=1,2,…,N

(1)

其中：Ni为第i种核素密度，m-3；φ为中子通量密度，cm-2·s-1；λi为第i种核素的衰变常量，s-1；λji为第j种核素衰变产生第i种核素时的衰变常量，s-1；σf，i为第i种核素的中子裂变微观截面，m2；σc，i为第i种核素的中子吸收微观截面，m2；rji为第j种核素裂变反应中产生第i种核素的份额。

1.2 包壳气隙份额

包壳破损将导致累积在气隙中的裂变气体及部分燃料微粒释放到一回路冷却剂中，这两部分的释放份额按下式计算。

气隙中裂变气体的释放份额为：

G=G0λ-0.5

(2)

燃料微粒的释放份额为：

F=F0λbf

(3)

其中：G0、F0分别为裂变气体、燃料微粒的初始释放份额；bf为系数，不同核素的bf取值不同。各核素释放份额计算参数列于表1。

本文采取最佳估算与保守估算相结合的模型，不考虑堆芯及一回路管道对放射性核素的吸附作用，并假设堆舱喷淋系统失效，堆舱的气载放射性物质通过应急排风系统释放到舱外。选取对人体剂量贡献较大的挥发性核素131I、137Cs和惰性气体133Xe作为研究对象，源项的释放份额和释放量列于表2。

表1 各核素释放份额计算参数

表2 源项的释放份额和释放量

2 大气扩散模型

MACCS由Idaho国家实验室为美国核管会开发，用于计算放射性核素大气扩散的场外后果。船用堆在码头发生核事故，放射性核素释放进入大气，放射性后果可采用MACCS进行评估。

2.1 高斯分段烟羽模型

本文采用高斯分段烟羽模型进行码头大气扩散研究[6]。考虑放射性物质的干沉积、湿沉积、自然衰变3种因素后，高斯分段烟羽模型的时间积分活度可用下式[7]表示:

(4)

其中：Cn(x，y，z)为第n个时间段内在(x，y，z)点的时间积分活度分布；Qn为第n个时间段内放射性核素释放活度；Un为第n个时间段内有效释放高度处的风速；ηn为在第n个时间段内计算点距烟羽轨迹的垂直距离；Δfn为第n个时间段内对应的时间积分修正系数；fd为干沉积修正系数；fw为湿沉积修正系数；fR为放射性衰变修正系数；σy、σz分别为横向和垂直方向的大气扩散参数；H为烟羽的有效释放高度。

2.2 大气扩散参数的确定

本文所研究的码头周围20 km范围内地形相对平坦，且周围主要为农田。结合码头的地形特点，采取适用于平坦地形的Pasquill-Geford方法确定大气扩散参数：

σy=pyxqy

(5)

σz=pzxqz

(6)

其中：py、qy分别为横向扩散参数的回归系数和回归指数；pz、qz分别为垂直方向扩散参数的回归系数和回归指数。py、qy、pz、qz均与大气稳定度有关，稳定度计算的相关系数列于表3。

表3 稳定度计算的相关系数

3 大气扩散分析

选取对人体剂量贡献较大的挥发性核素131I、137Cs和惰性气体133Xe作为研究对象，分别对不同气象条件下的大气扩散规律进行分析，针对船用核动力装置具有近地层核素释放的特点，分析近地层核素释放对码头核素活度分布的影响规律。不同的风向会导致不同区域受到放射性污染，本文的研究建立在风向恒定的基础上。假设中破口事故发生时堆舱喷淋系统失效，堆舱放射性核素通过应急排风排出舱外。

3.1 不同稳定度条件下核素轴线活度分布

事故源的基本参数为：核动力装置排放源项的释放高度为10 m，放射性核素释放出口速度为4 m/s，释放间隔的持续时间为2 h，且作为一个烟羽段进行释放，在此期间，假设源项风速、风向等均稳定不变。分别采用稳定条件(F)、中性条件(D)和不稳定条件(A)3个序列的大气稳定度进行大气扩散计算。

图1示出不同稳定度条件下131I、137Cs和133Xe 3种核素经过一段时间弥散后在活度轴线上某一时刻的积分活度分布。由图1可见：在不稳定条件下，垂直方向上的运动非常激烈，10 m释放高度使得核素迅速到达近地面，且在近地面距源项4 km内，迅速衰减到较小的放射性活度；在中性条件下，垂直方向上的运动仍较强烈，且初始地面核素轴线活度较不稳定条件下的情况高出1倍，在近地面距源项12 km内，衰减到较小的放射性活度；在稳定条件下，放射性核素在垂直方向上的湍流运动不是非常剧烈，其强度低于不稳定和中性条件下的。放射性核素释放后在2 km距离内地面轴线积分活度达到峰值，随后逐渐衰减。放射性物质对近地面产生影响的区域距源项相对较远。同时，由于垂直方向上的湍流运动相对较弱，使得轴线上核素活度随距离的变化相对平缓，在距源项20 km处仍有一定量的放射性核素存在。

a——不稳定条件；b——中性条件；c——稳定条件

3.2 不同风速下核素轴线活度分布

事故源的基本参数为：核动力装置排放源项的释放高度为10 m，释放间隔的持续时间为2 h，且作为一个烟羽段进行释放，在此期间，假设风向稳定不变。

近地层释放时，中性条件、不同风速情况下131I的轴线活度分布示于图2。由图2可看出：核素释放后在距源项2 km内核素轴线活度达到峰值，随后逐渐减小；风速越小核素轴线活度越大，影响的范围也越大。在距源项20 km处，核素轴线活度在3种风速条件下均降低到较小的程度。

图2 不同风速条件下131I的轴线活度分布

4 结论

1) 模型中的小型动力堆发生破口尺寸为29.4%当量直径的中破口失水事故时，包壳已破损，破损份额近似为30%。

2) 大气稳定度条件直接影响了大气弥散的剧烈程度，从而决定放射性物质弥散过程中的活度分布。在近地层大气扩散条件下，中性条件相比稳定和不稳定两种气象条件，在码头1.5 km范围内放射性活度最高；稳定条件下，放射性物质活度峰值出现在码头2 km范围处，且影响范围较大，在码头20 km范围内均存在一定的放射性活度；不稳定条件下的弥散情况与中性条件下的类似，地面放射性活度相对于中性和稳定条件较低，且衰减的速度最快。

3) 小型动力堆发生中破口事故，在稳定条件下影响范围较大，在码头周围20 km范围内应做好应急工作。中性条件下在码头周围10 km范围内应做好应急工作，在码头周围1.5 km范围内危害相对较大。不稳定条件的危害相对最小。

4) 风速对码头核素大气扩散也有直接影响。风速越小地面核素放射性活度越大，影响的范围也越大，所以微风或静风天气条件是应急工作需特别注意的一种气象条件。

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