不同天气条件对“脏弹”袭击放射性后果评价的影响

唐秀欢，包利红，李　华

(西北核技术研究所，西安　710024)



不同天气条件对“脏弹”袭击放射性后果评价的影响

唐秀欢，包利红，李华

(西北核技术研究所，西安710024)

摘要：为探索“脏弹”恐怖袭击危害规律，提高公众安全防护的能力，采用特定的源项模型、高斯扩散模型，考虑多种照射途径，研究了不同大气稳定度、不同风速、不稳定风场以及降雨率等因素对“脏弹”袭击放射性后果评价的定量影响。研究结果显示：大气稳定度为稳定F类时，下风向辐射后果为极不稳定A类的4～18倍，小风2 m·s-1的剂量后果为10 m·s-1风速的5倍；在不稳定风场下，“脏弹”的危害范围呈不规则状，严重剂量后果分布受第一时段的天气条件影响较为明显；短期评价下，降雨率大则地面剂量后果小，长期评价下，降雨率大则剂量后果大。

关键词：天气条件；脏弹；后果评价

根据公共安全形势分析，核与辐射恐怖威胁主要有4种[1]：1)非法获得放射性物质，制造放射性布散装置(radiological dispersal devices，RDD)，实施放射性袭击，如“脏弹”；2)袭击/破坏核电厂等核设施造成核事故，导致放射性物质向环境中释放；3)非法获得特殊核材料, 制造粗糙核装置(improvised nuclear devices，IND)，实施核爆炸；4)非法获取(盗窃等)完整核武器，实施核爆炸。“9·11”事件后，以RDD作为“脏弹”恐怖袭击引起人们普遍的担忧，同时随着工业放射性物质的广泛使用，因为管理不善而引起的放射源丢失、受破坏事故屡屡发生[2]，因而此类事件的放射性后果及危害规律引起国内外的重视。Magill等研究了核燃料受破坏后放射性大规模释放等严重核事故的后果，比较了各种放射性释放事故的严重性[3]。Reshetin等研究了90Sr“脏弹”袭击事件的污染规律，指出污染程度与90Sr粒径大小、释放高度及气象条件有关[4]。Shin 等详细研究了RDD恐怖袭击各种潜在的事故场景，以137Cs和241Am为例分析了各类事故的剂量后果[5]。王海洋等建立了“脏弹”恐怖袭击剂量评价模式，给出有效剂量随时间的分布[6]。李文茜等以IND为对象，研究预测了IND袭击的杀伤效应[7]。张文仲等研究了刻度室用放射源制成的RDD爆炸后的放射性污染后果，给出了污染结果分布[8]。“脏弹”恐怖袭击涉及爆炸、气溶胶扩散、人员和环境受照等物理过程，其后果评价技术由源项分析、大气扩散以及剂量计算等步骤组成，与核设施放射性后果分析[9]过程类似。目前大多数后果评价研究围绕方法论开展，而在“脏弹”恐怖袭击中，公众对袭击后果规律及剂量防护的认识影响到整体核事故应急行动的效率。本文以天气条件为切入点，着重研究不同天气条件对恐怖袭击事故后果定量化的影响规律，为核事故应急行动的辐射防护提供技术基础。

1研究方法

1.1 源项模型

137Cs、60Co、90Sr、192Ir、238Pu和241Am等核素具有适中的半衰期，常用于放射治疗、工业照相、工业辐照加工等诸多领域。这些核素易于被恐怖分子窃取利用。表1列出了上述6种核素的物理特性、主要应用范围等。在后果计算时选取具有代表性的137Cs核素作为“脏弹”研究对象，其活度取7.4×1014Bq(20 000 Ci)。

表1　RDD袭击时常用的放射性核素特性表

“脏弹”恐怖袭击一般会选择敞开式爆炸方式，使放射性物质尽可能向周围扩散，形成大范围的污染。敞开式爆炸释放的污染烟团为瞬时体源，在竖直方向上近似圆柱形结构。后果计算模型中要求的源项一般均指爆轰波作用结束后，形成的稳定云团在大气作用下开始扩散瞬间的气溶胶特征。根据美国化爆实验数据总结得到经验公式，爆炸后体源尺寸与TNT质量关系为[10]

(1)

式中，HTNT为炸药爆炸造成的气溶胶烟团高度，m；RTNT为炸药爆炸造成的气溶胶烟团半径，m；M为TNT质量，kg。

目前工业放射源的比活度较高，从特征比活度可推断，活度为7.4×1014Bq的放射源的质量从克到百克级；而恐怖袭击所用炸药量较大，本文计算时假设TNT炸药量为10 kg，保守假设放射性物质完全气溶胶化，粒径均小于10 μm，沿烟团高度呈非均匀分布，分布值取自文献[11]。

1.2扩散模型

本文采用高斯多烟团模型计算不稳定风场的核素扩散，采用高斯烟羽模型计算稳定风场的扩散。高斯多烟团模型将气象学坐标系原点置于事故中心点，x、y、z轴分别指东、北和垂直方向，x，y轴距离大小可由事故潜在影响范围确定。高斯多烟团模型中某一个烟团i在t时刻对空间某坐标位置(x,y,z)的瞬时活度浓度贡献通过式(2)来表示[11]：

(2)

式中，Ci为瞬时活度浓度，Bq·(s·m3)-1；Qi为烟团i的时段释放率，Bq·s-1；σx、σy、σz分别为x、y、z方向的扩散系数，m；u和v分别为x、y方向的速度分量，m·s-1；H为污染物烟羽的有效高度，m。

对有效高度为H的瞬时点源，高斯烟羽模型计算的下风空间任意点处时间积分活度浓度为

(3)

式中，C为时间积分活度浓度，Bq·s·m-3；Q为瞬时点源总活度，Bq。对于静风条件，采用RASCAL软件对低风速的处理方式，使用静风扩散模型[12]：

(4)

恐怖袭击的烟团为体源，烟团初始高度约为其半径的5倍，为了提高计算的精确性，并与高斯扩散模型形成对接，采用竖直分层的方法将爆炸释放污染源项在垂直高度上划分为5个直径为2RTNT的子烟团，两个相邻子烟团相互交叠RTNT高度的体积，计算时对5个烟团进行累加。

对干沉积过程造成的烟羽耗损，引入校正因子Fd加以校正，沉积速度取0.01m·s-1，计算公式参见文献[11]，考虑大气混合层对烟羽扩散的影响，大气混合层设为1km。

对湿沉积过程造成的烟羽耗损，引入校正因子Fw加以校正[13]：

(5)

式中，Λ为冲洗系数，Λ=αI,α为比例常数，取1.6×10-4h·(mm·s)-1；I为降雨率，mm·h-1。

天气影响因素选取不同大气稳定度、不同风速、不同风向、不稳定风场以及降雨率等。

1.3剂量模型

事故剂量计算中考虑了3种照射途径：烟云浸没外照射、地面沉积外照射和吸入内照射。外照射剂量模型采用半无限烟云模型，各核素的内照射剂量因子取自GB 18871—2002[14]，其他剂量转换因子取自国际放射防护委员会第71号出版物ICRP-71[15]。呼吸率取0.000 37 m3·s-1，对于公众，评价指标为个人有效剂量。

烟云γ浸没外照射剂量Da由下式计算：

(6)

吸入内照射剂量Dinh由下式计算：

(7)

地面沉积外照射剂量Dg由下式计算：

(8)

式中：Br为成人呼吸率，m3·s-1；λ为衰变常数，s-1；Vd为核素的干沉积速度，m·s-1；Ga为浸没剂量转移因子，Sv·(s·Bq·m-3)-1；Ginh为吸入剂量转移因子，Sv·Bq-1；Gg为沉积剂量转移因子，Sv·(s·Bq·m-2)-1；T为沉积剂量的评价时间，s；Aw为地表湿沉积通量：

(9)

对烟团造成的浸没外照射计算，考虑了烟团的沉积耗减机理，而地面沉积外照射计算中考虑了环境影响，评价时间为50 a，对人员安全防护短期影响，评价时间为8 h，地面沉积外照射剂量来自干沉积和因淋洗而沉积在地面上的放射性物质。

2计算验证

Roller Coaster计划是美国实地化学炸药爆炸试验。HOTSPOT程序是美国的采用高斯模式计算扩散的核事故安全评价与应急响应程序。采用Roller Coaster计划[16]的试验参数和环境参数及HOTSPOT程序[17]中的参数为输入参数，以高斯多烟团、高斯烟羽模型计算Roller Coaster计划中地面时间积分活度浓度。计算中考察了Briggs、Pasquill-Gifford两种不同扩散系数体系对结果的影响，计算结果如图1所示。

由图1可见，高斯烟羽、高斯多烟团模型的计算结果与HOTSPOT程序的计算结果十分吻合。与试验结果相比，下风向1 km附近计算值偏低，但总体基本相近。比对计算结果表明，本文所使用的“脏弹”袭击扩散计算方法是有效的。从图1可知，Briggs、Pasquill-Gifford两种不同扩散系数的计算结果非常相近，Briggs体系的更接近HOTSPOT程序结果。Briggs体系是普适公式，Pasquill-Gifford则适用于平坦地形和地面情况。Roller Coaster试验是在农村平坦开阔地进行的，两种体系均适用。为了适应其他地形，本文采用Briggs体系进行评价，在实际应用中如果具有现场大气扩散系数的信息，则应以现场数据为主。放射性气溶胶在扩散过程中存在着许多不确定因素，如源项中放射性核素气溶胶化份额，扩散期间的大气条件等，许多参数都会影响放射性气溶胶扩散过程以及活度浓度分布情况。

3结果与讨论

3.1不同大气稳定度的影响

以137Cs“脏弹”为例，采用高斯烟羽扩散模型，考察不同大气稳定度对“脏弹”下风向辐射剂量的影响。风速取6 m·s-1，大气稳定度分别取极不稳定A、不稳定B、稍不稳定C、中性D、稍稳定E、稳定F 6种。不同大气稳定度下137Cs“脏弹”辐射剂量计算结果见图2。

图2　不同大气稳定度对辐射剂量的影响Fig.2　Influence of different stability classeson radiation dose

由图2可见，大气越不稳定，137Cs“脏弹”下风向辐射剂量越低，大气稳定度为A、B时，地面辐射剂量最低；随着大气稳定度趋向稳定，地面辐射剂量逐渐增大，大气稳定度为E、F时，辐射剂量最高。在下风向约400 m处，F类稳定度下的地面辐射剂量约为A类的4倍，随下风向距离增大，该值变大，在10 km处约为18倍。大气越不稳定，“脏弹”放射性气溶胶的稀释越明显，大气越稳定，“脏弹”造成的危害越严重。从偏保守的安全分析角度看，大气稳定度可取E、F类；从应急安全防护看，大气稳定度为A、B类。

3.2不同风速的影响

考察地面10 m处不同风速对“脏弹”下风向辐射剂量的影响，采用高斯烟羽扩散模型，大气稳定度取D，风速分别取0.2，1，2，4，6，8，10 m·s-1，不同风速下137Cs“脏弹”下风向扩散地面辐射剂量计算结果见图3。

图3　不同风速对辐射剂量的影响Fig.3　Influence of different wind speedson radiation dose

由图3可见，在中性气象条件下，风速越大，放射性气溶胶下风向辐射剂量越低，随风速逐渐减小，辐射剂量逐渐增大，在下风向的大部分范围内，上述风速组中风速为1 m·s-1时辐射剂量最大。对比发现，2 m·s-1风速的辐射剂量约为4 m·s-1风速的2倍，为10 m·s-1风速的5倍。随下风向距离增大，属于有风条件的各风速造成辐射剂量的比例基本保持不变。然而，在小风(1 m·s-1)、静风(0.2 m·s-1)条件下，下风向辐射剂量表现出不规则现象，小风时，下风向的辐射剂量与2 m·s-1的较为接近，但在静风条件下除了近距离外，下风向远端的剂量较其他风速组的小。小风条件下，由于大气边界层内污染物的扩散变得非常不规则、不确定，其烟流轴线表现出不确定性，烟羽出现水平慢摆，浓度场通常有较大的侧向扩散，并呈多峰值、非高斯分布特征。在静风条件下，除了上述现象外，烟流轴线无法确定，污染物表现为向四周扩散，从而稀释了远距离处的辐射剂量。

可见，小风不利于“脏弹”的扩散和稀释，大风天气降低“脏弹”的危害。从偏保守的安全评价角度，后果评价计算使用的风速应为小风，从应急安全防护看，大风天气易于减轻“脏弹”的危害。

3.3不稳定风场的影响

对于不稳定风场，采用高斯多烟团模型模拟计算“脏弹”袭击的剂量后果。不稳定风场气象参数见表2，稳定风场对比条件采用表2中第一时段的天气参数。不稳定风场和稳定风场辐射剂量计算结果以等高线图形式示于图4。

表2　预测所用气象参数表

图4　稳定风场和不稳定风场对剂量分布的影响

不同目的事故后果评价采用的安全裕度程度不同，保守的安全分析一般采用保守的计算参数，给出下风向距离的剂量后果；以核事故应急决策快速预测和评价为目的的后果评价，一般采用现场真实气象参数，计算真实方位的预期剂量。而高斯多烟团模型可模拟真实方位的预期剂量，因此可以显示“脏弹”不同预期剂量的距离范围。由图4(a)可见，不稳定风场下，“脏弹”的危害范围呈不规则状，在下风向大范围区域内均产生一定的预期剂量。图4(a)与图4(b)相比，在应急中需要考虑干预措施的通用优化水平10 mSv等高线基本一致，即严重剂量后果分布受第一时段的天气条件影响较为明显。而图4(a)的5 mSv以下剂量等高线辐射范围较宽，图4(b)的较为细长，在稳定风场下，1 mSv等高线可达10 km，而不稳定风场的只有6 km。可见，在不稳定风场下，应根据风向条件灵活选择安全防护措施。

3.4不同降雨率的影响

降雨率l取0，2，5，12，20 mm·h-1，代表无雨、小雨、中雨、大雨及暴雨的天气状况，大气稳定度取D，风速6 m·s-1，沉积剂量评价时间取50 a和8 h，分别代表保守安全分析和应急防护分析。不同降雨率对“脏弹”袭击的辐射剂量影响后果见图5，下风向约400 m处某点各照射途径造成的辐射剂量列于表3。由图5可见，不同降雨率对“脏弹”的袭击后果具有不同的影响。从核应急的短期安全防护评价看，大的降雨率造成较低的地面辐射剂量，并随距离的增大降低更加明显，400 m处20 mm·h-1降雨率造成的地面剂量是无雨时的0.7倍；而从长期的环境影响看，大的降雨率造成较高的地面辐射剂量，随距离的增大这种趋势也更加明显，400 m处20 mm·h-1降雨率造成的地面剂量是无雨时的2.13倍。降雨造成空气中放射性气溶胶烟云的耗减，湿沉积滞留于地面的放射性物质增多，因此吸入途径造成的内照射剂量随降雨率的增加而减小，而湿沉积途径造成的外照射剂量随降雨率的增加而增大。

(a)8 h (b)50 a

图5　不同降雨强度对辐射剂量的影响

由表3可见，8 h评价中降雨率引起的湿沉积剂量与吸入剂量相比很小，其总剂量变化主要受吸入剂量的影响，烟云因干、湿沉积造成的吸入内照射剂量减小是总有效剂量减小的主要因素。50 a评价的总有效剂量随降雨率的增加而增大，增大部分主要来自湿沉积的贡献，与8 h相比，地面沉积放射性物质50 a长时间照射显然会引起较高的辐射剂量。在短期安全防护中，降雨可以清洗空气中的放射性气溶胶，对辐射剂量的衰减具有一定的贡献。在保守的安全分析中，若不考虑干、湿沉积造成的剂量份额，显然是不够保守的。表3中的干、湿沉积辐射剂量定量数据基于一定的假设计算参数，用于说明降雨率对“脏弹”袭击总有效剂量的影响，若用于具体的天气情况和算例，需分析数据的适用性。

4结论

本文采用特定的源项模型、高斯烟羽和高斯多烟团模型以及剂量模型，建立了“脏弹”袭击后果评价方法，通过比对验证计算，研究结果表明：

1)天气条件越不稳定，“脏弹”放射性气溶胶的稀释越明显，大气越稳定，“脏弹”的危害越严重；

2)小风不利于“脏弹”的扩散和稀释，大风天气有助于降低“脏弹”的危害；

3)在不稳定风场下，“脏弹”的危害范围呈不规则状，在下风向大范围区域内均产生一定的预期剂量，总体剂量分布受第一时段的天气条件影响较为明显，稳定风场下，影响范围较为瘦长；

4)从核应急的短期安全防护评价看，降雨率引起的湿沉积剂量值比吸入剂量的数值小，其总剂量变化主要受吸入剂量的影响，大的降雨率造成较低的总辐射剂量，随距离的增大降低作用更加明显；而从长期的环境影响看，降雨率引起的湿沉积剂量大于吸入剂量的数值，其总剂量变化主要受湿沉积剂量的影响，降雨率引起的湿沉积剂量大于吸入剂量的数值，其总剂量变化主要受湿沉积剂量的影响，随距离的增大这种趋势也更加明显。

总之，有利于“脏弹”放射性气溶胶大气扩散的天气条件，可以减轻“脏弹”袭击的事故后果。本文定量研究结果可以为“脏弹”袭击安全防护提供技术依据。

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Influence of Weather Conditions on Consequence Assessment of Radiological Dispersal Device Attacks

TANG Xiu-huan，BAO Li-hong，LI Hua

(Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an 710024，China)

Abstract:The overall object of this study is to discover the radiological dispersion behavior of terrorist attacks utilizing radiological dispersal devices, and to improve the efficiency of radiation protection. With a specific source item model and Gaussian dispersion model, the radiation dose of a“dirty” bomb was calculated under several radiation conditions, and various weather factors were taken into account in the calculation, including atmospheric stability, wind speeds, wind field, and rain rates. The influences of those factors were quantitatively determined. The results showed that, the radiation dose in downwind in the moderately stable atmosphere (class F) is 4-18 times greater than that in extremely unstable air (class A). For the same stable air (class D), the radiation dose in downwind, with a wind speed of 2 m·s-1, is 5 times greater than that with a wind speed of 10 m·s-1. The distribution of the radiological dispersion is irregular in unstable wind field and the distribution of severe contamination is closely related to the weather condition in the earliest period. The larger rain rate causes less radiation dose in the short term, while in the long term, the larger rain rate induces the greater radiation dose. The study results support the assumption that weather conditions which tend to accelerate dispersion of contamination would decrease the radiological impact of terrorist attacks utilizing radiological dispersal devices.

Key words:weather condition;dirty bomb；consequence assessment

文献标志码:A

文章编号：2095-6223(2016)010701(8)

中图分类号：X932

作者简介：唐秀欢(1977-)，男，壮族，广西都安人，高级工程师，硕士，主要从事核安全技术研究。E-mail:tangxiuhuan@nint.ac.cn

收稿日期：2015-05-03；修回日期：2015-10-08