余流对核电厂液态流出物排放的影响分析

2022-01-26方明豹孙纯建黄佳钰

辐射防护通讯 2021年3期

方明豹，孙纯建，黄佳钰，田琨

(国核浙能核能有限公司，浙江杭州，310012)

核电厂在正常运行期间，含少量放射性核素的液态流出物随温排水一起排入受纳水体。《核动力厂环境辐射防护规定》(GB 6249—2011)要求，在评价核动力厂厂址的适宜性时，必须充分论证核动力厂放射性流出物排放、热排放及化学流出物排放对环境、当地生态系统和公众的影响。此外，环境影响评价技术导则《核电厂环境影响报告书的格式和内容》(HJ 808—2016)也要求说明核电厂正常运行状态下液态流出物排放源项，给出受纳水体中各子区的水体稀释因子，计算各子区中核素的浓度；按照《滨海核电厂液态放射性流出物排放辐射影响评价技术规范》(NB/T 20199—2013)的技术要求计算个人有效剂量和集体有效剂量。对于上述要求，通常采用数值模拟的方法分析液态流出物在受纳水体内的扩散稀释规律，确定受纳水体对液态流出物的稀释能力，获取海水稀释因子，计算受纳水体中核素的浓度，为评价液态流出物计算提供依据。

对核电厂液态流出物在受纳水体中的稀释扩散问题进行数值预报时，通常需要包括环评需要的半径80 km范围水域，确定较大的数值计算域[1]，在流场验证良好的前提下开展液态流出物扩散的数值模拟计算[2]，同时还要对主要计算参数进行敏感性分析，明确参数选取对计算结果的影响[3]；苏柯[4]计算了大亚湾核电站液态排放物中放射性核素在大亚湾海域内随潮流运动污染扩散的规律。液态流出物对受纳水域的影响是长期累积的结果，通常需要3～4个月才能达到计算平衡。对于较长半衰期的核素，核素衰变的总量较少，排放量几乎全部由边界流出，受纳水域的余流影响浓度场和边界流出量的分布。目前关于液态流出物计算的相关标准和工程应用中尚未考虑余流的影响。本文以某核电厂为例，通过改变水边界的潮位基面达到改变计算域的余流的目的，分析余流变化对浓度场分布的影响机制。

1 数学模型

1.1 基本方程

对于滨海等宽浅水域，通常采用深度平均的二维水流运动方程来描述其水流流场，忽略各物理量沿水深方向的变化。即从不可压缩流体的运动方程——N-S方程出发，将各物理量其沿水深方向积分，从而求得深度平均的平面二维水流运动方程[5]。

连续性方程：

运动方程：

浓度方程：

1.2 定解条件

液态流出物计算数值模型的边界处理主要分为潮流控制边界处理、排水口浓度排放边界和开边界浓度处理三种。

1.2.1流场定解条件

(1) 边界条件：开边界给定潮位过程，通过全球潮汐预报模型初步给出计算边界的潮位变化过程，进一步结合计算域内有的测量潮位值验证，调整边界的潮位使得计算的潮位、流速值和测量值一致。排水口由排水流量和排水口尺寸给出排水动量；取水口按出流计算，根据取水流量给出流动量。

(2) 初始条件：采用静流条件起算，通过多个周期循环计算，流场稳定后与起算条件不敏感。

1.2.2浓度场定解条件

(1) 边界条件：取水口的浓度由计算给出；排水口的浓度按连续归一排放，并考虑取水浓度的回归叠加。陆地边界按绝热边界进行计算。

(2) 初始条件：初始浓度场为0。

1.2.3浓度场开边界处理

(1) 开边界处理：不做限制，由浓度场方程计算。

(2) 边界回归处理：假设流出边界的核素按50%从原来位置流入，落潮时，分别记录边界各节点的浓度值；涨潮时，按照类似堆栈处理后进先出的原则，给定边界节点的浓度值[1]。

1.3 数值方法

本文采用能适应天然不规则边界的非结构三角形网格对模拟水域进行剖分，网格设计灵活且可随意控制网格疏密，并可根据不同地形情况、水流条件和工程布置要求设置网格的疏密程度，能很好地拟合岸线和水流归槽现象[6]。

数值计算方法采用分步杂交法，将计算的每一时间步长分成两步进行。前半步采用特征线法，主要考虑对流效应；后半步采用集中质量的有限元法，主要考虑扩散效应。首先计算该水域的流速场，并验证其正确性，在此基础上进行液态流出物排放浓度场的模拟计算。

2 实例计算及结果分析

2.1 计算条件

2.1.1工程概况

以某沿海厂址为例，拟建2台百万千瓦级核电机组。核电厂采用直流冷却方式，液态流出物按连续排放计算，浓度归一化处理。以60Co为例，半衰期5.272 a。

2.1.2计算范围

综合考虑厂址附近的潮流特点，结合可收集的潮流资料，平面二维数模模拟范围选取顺岸约247 km，离岸约130 km的水域，计算水域面积约33 700 km2，计算域水边界距核电厂的距离大于80 km。

计算网格大小由取、排水工程处向外逐步增大，即从10 m到4 000 m，对应网格数44 845个、节点数约23 200个。

2.1.3模型验证

以全潮水文测验中的潮位和潮流测量资料验证模型，计算结果表明潮位变化过程和高低潮位及相位、各流速测验点的流速和流向与实测数据基本趋于一致，涨、落潮流态与潮流观测报告中的叙述一致(见图1～3)，潮位站点W1和流速测量站点(N01～N10)见图4。其中，图1为工程附近潮位站(W1)大潮期间的潮位验证结果，图2和图3分别为工程附近流速测点的流速流向变化过程的验证结果(以N2和N8测点为例)。综上所述，计算流场能反映整个水域流场的主要特征，计算结果偏差满足相关规范对潮流模拟精度的要求，能够作为液态流出物排放计算的流场基础。在流场验证的基础上，对工程附近水域计算潮流的余流进行统计。为了便于比较，图4给出了工程区域N01～N10测点的余流的大小和方向，余流计数值和测量值吻合良好，工程区余流方向为东北→西南。

图1 大潮期间潮位验证结果(W1站点)

图2 大潮期间流速流向变化过程线(N2测点)

图3 大潮期间流速流向变化过程线(N8测点)

图4 工程附近水域余流对比图

2.2 计算工况及余流变化

在水动力场模拟验证的基础上，通过改变计算域东北水边界潮位基面的方法，改变计算水域的余流，对液态流出物排放进行计算，分析余流变化对计算结果的影响。计算条件包括初始潮位基面(工况0)和计算域东北水边界的基准潮位+1 cm(工况1)、+2 cm(工况2)、+3 cm(工况3)、+5 cm(工况4)，分别进行各工况流场计算，各工况工程区附近的余流变化情况见表1。由表1可见，增加东北侧水边界的潮位基面，可以达到增加余流的效果。基准水位提高1 cm，工程附近水域的余流增加约0.02 cm/s，离岸较远水域的余流增加约0.06 cm/s。

表1 各工况余流变化情况

2.3 余流对浓度场影响分析

针对不同余流的各工况进行半月潮液态流出物浓度场的计算，图5给出了典型工况浓度场分布图。液态流出物浓度主要随沿主潮流的方向分布，计算并统计了环评192子区的平均浓度，以在液态流出物分布的主要方向NE方向上10～20 km、40～50 km距离和SW方向上10～20 km、40～50 km距离子区内的平均浓度分析余流的变化对浓度分布的影响(图6)。表2和图7分别给出了各工况下上述子区的平均相对浓度以及相对工况0的变化率。