地浸采铀钻孔场区氡致周边辐射环境影响研究

武旭阳,孙 娟,连国玺,宋旺旺,安毅夫,高 扬

(中核第四研究设计工程有限公司,石家庄 050021)

铀矿冶设施气载流出物中放射性核素氡的释放源项分布广泛,在常规铀矿采冶工艺中,回风井、破碎车间、堆浸场、废石场和铀尾矿(渣)库等设施都会释放出大量氡[1],相比于常规工艺,地浸采铀工艺氡的产生量虽大为减少,但释放的氡经大气扩散迁移,对环境的辐射影响及对工作人员的放射性职业危害不可忽视[2]。

计算流体力学模型(CFD)是利用三维有限体积方法求解模拟空气运动的Navier-Stokes方程,得到复杂的微尺度风场和湍流场。Vervecken等[11]研究指出CFD模型对于近场小尺度范围内的放射性核素大气弥散,具有较好的适用性和较高的精确度;王博等[12]采用Fluidyn-PANACHE软件,基于CFD方法研究了核电厂址的大气扩散特征,结果表明该模型能够更好地模拟示踪剂在不同下风距离处的峰值浓度和烟羽宽度,且模拟结果的偏差统计分析表明CFD模拟的随机偏差优于高斯;国内部分学者近年来利用CFD方法对铀矿排风井和铀尾矿库氡扩散进行了一些研究,主要得到了不同风速、风向、下垫面粗糙度等条件下大气风场结构及氡的浓度分布状况[13],并参照公众个人有效剂量限值计算出铀尾矿库的防护范围[14-15]。但目前来看,针对铀矿冶领域主要侧重于应用高斯模型对常规开采气载源项释放氡的环境扩散研究,对于地浸采铀矿山钻孔场区氡的环境扩散研究相对较少。

地浸铀矿山钻孔场区为若干个独立的开采单元组成,其中每个开采单元中又由固定数量的生产钻孔组成,用CFD模型可以更好贴合有密集型排放点源的复杂地形下的近场小尺度范围内氡的大气弥散。鉴于此,本文利用Fluidyn-PANACHE软件中内嵌的CFD模型,以北方某典型地浸采铀矿山钻孔场区为研究对象,建立钻孔场区氡大气扩散数值模型进行模拟计算,考虑年风向、风速和风频的差异性对钻孔场区抽液孔气载流出物氡所致的周边环境中附加氡浓度(除环境本底外)分布的影响,掌握所有风向范围内的氡浓度分布,进而得到公众吸入氡所致辐射附加剂量,综合考虑确定合理的防护范围,以期为钻孔场区氡扩散的精准模拟和辐射安全距离确定提供可靠依据。

1 数学模型

1.1 钻孔场区气载流出物中氡大气扩散数学模型

针对钻孔场区气载流出物中的氡,基于有限体积法的CFD模型对其进行大气扩散计算,并作以下简化假设:空气认为是不可压缩流体,遵循理想气体定律;排放源出口速度大小均一;排放源按照点源处理,忽略排放源几何尺寸;将污染物视为理想流体。

考虑以上简化假设,控制方程可以表示为具有以下一般形式的对流扩散方程:

▽·(Γφ▽φ)+Sφ

(1)

式中,φ为待求变量(动量、温度、浓度等);ρ为密度,kg·m-3;Ur为速度矢量;Γφ为φ的交换系数(粘度,热扩散系数等);Sφ为φ的源项(污染物排放等)。

湍流动能及其耗散率选择线性涡粘性湍流k-ε两方程模型,分别为:

(2)

(3)

考虑到大气边界层模型(PBL)中垂直结构对污染物扩散有很大影响,在求解上述控制方程及k-ε两方程模型的同时,需给定边界条件的入口垂直剖面的温度及速度,以Monin-Obukhov相似理论为依据,得到对数法则下的平均速度和温度的垂直分布表达式:

(4)

(5)

式中,U为平均速度;z为高度;u*为表面摩擦速度;κ为冯卡门常数,取值0.41;z0为地面粗糙度因子;L为Monin-Obukhov长度;Ψm为动量稳定性修正;θ为温度势;θ*为温度尺度;zr为风速计高度;Ψh为温度势稳定性修正。

1.2 大气氡浓度年均分布数学模型

研究中为使模拟计算结果更加精确,在优化模型网格划分后,首先基于各月份风玫瑰图的组合气象条件开展扩散模拟计算,对各计算网格的扩散浓度结果所对应的出现频率加权平均,得到各月中的大气氡平均浓度,以分析不同月份中氡大气扩散规律,并在此基础上取算数平均,计算得到各计算网格的氡浓度年均分布情况,钻孔场区区域及周边年均氡浓度分布的计算公式为[8]:

(6)

(7)

1.3 氡所致公众个人有效剂量年均分布数学模型

公众的生产生活环境大多处于近地表5 m高度范围内,且公众个人年有效剂量为辐射效应评价中一项重要指标,因此上文中有效获取近地表空气中附加氡浓度的年均分布是评价工作中的关键环节,在研究中一般z取值为0;辐射防护安全距离的确定是一个很复杂的问题,主要受污染源特征、当地气象、地形条件、剂量限值及人口分布等因素的综合影响,前三种影响因素在上文中的氡扩散模型中已加以体现,公众吸入附加氡所致辐射剂量,其计算公式如下[16]:

F×DFRn×T×10-6

(8)

2 源项监测及基础参数获取

2.1 钻孔氡浓度监测

为尽可能减少其它氡释放源项的影响,在研究中选取了相对独立的钻孔场区,7采区共计抽液孔215个,通过均匀布点选取26个抽液孔,采用KF-606B固体核径迹累积氡探测器,将探测器固定于孔内部,并在距钻孔场区5 km范围处布设环境本底对照点2处,对抽液孔内气体和环境本底同步进行为期6个月累积时长氡浓度监测。在去除环境本底后,抽液孔氡浓度范围为90.89～248.29 Bq·m-3,平均值为145.02 Bq·m-3。

2.2 地形测量及钻孔定位

根据研究需要,对钻孔场区所在区域5 km范围内地形高程实地测量,并准确定位215个源项钻孔,为模型建立提供地形数据,如图1所示,区域地形较为平坦,海拔处于958～970 m之间,并构成北东向的梯形洼地。

图1 研究区域三维模型图

2.3 气象条件观测

气象条件来自场区自建地面气象观测系统典型地面高度10 m处2019年度采集的实际观测数据,氡在大气扩散过程中,风速和风频是影响其扩散程度的主要因素,研究中选用2019年12个月中16方位的风速和风频(见表1),为尽可能减小环境温度、湿度对扩散产生的影响,在研究中选用各月平均温度和平均湿度(见表2)。2019年全年风玫瑰图如图2所示。

表1 钻孔场区2019年各月风速风向频率表

表2 钻孔场区2019年温度和湿度月平均值

表3 钻孔场区边界外围不同距离处的氡浓度分布全年平均值(Bq·m-3)

图2 2019年全年风玫瑰图

3 数值模拟

3.1 CFD三维建模

将现场地形测量高程数据转换为shapefile文件(一种空间数据开放格式文件),直接导入软件生成地形条件,并由抽液孔的GPS定位精确设定排放点源位置;计算域水平范围呈6 km×6 km正方形,高度为500 m,采用三级嵌套网格划分,嵌套域由内至外分别为2 km和4 km,为提高网格与源项、地形的贴合程度,使用非结构化三角形网格对计算域进行划分,兼顾实现计算精度和效率,经数次划分和试算,最终将计算区域划分为共计30万个5面体非结构化网格,如图3所示。

图3 网格划分及区域加密

3.2 数值方法

基于有限体积法,控制方程的扩散项和对流项均采用迎风差分格式进行离散,压力和速度的耦合方式采用SIMPLE法,时间推进格式选择稳态求解,氡释放源项和地面采用壁面边界条件,其他设置为入口和出口边界条件。通过求解连续性方程、动量方程和k-ε湍流方程得到大气风场和温度场结构,基于空气中的温度差,对气流施加重力,进而求解得到各气体污染物物种浓度分布。

3.3 边界条件

结合钻孔场区所在的铀矿区当地典型的气象、地形条件,文中选取D类(中性)大气稳定度,抽液孔的源项氡释放浓度均选用平均值145.02 Bq·m-3,排放高度为0.2 m,研究区域全年月平均气温在-19.73～24.17 ℃之间,温差较大,对统计后的2019年12个月份气象windrose开展独立计算,共192种环境风速、风向和温湿度的不同组合工况。

4 结果和讨论

4.1 钻孔场区及周边不同月份近地表氡浓度分布规律

2019年各月份所对应的月平均氡浓度等值线分布图如图4所示,氡在大气中的扩散随着环境条件的变化,明显呈现出不同的分布规律,环境条件主要受风速和风向频率影响。结合表1中各月份风速风向频率分布,随着风速和风频的增大,氡的扩散范围变大,随着距离的增大,氡浓度衰减很快;结合图5中各月份中氡平均扩散浓度最大值与月均风速的关系,风速对氡在大气中扩散程度的影响最为直接,风速越大,氡浓度越低,钻孔场区同时间段内所对应的氡浓度最大值与平均风速呈现负相关规律,其中月平均风速在5月达到最大值5.71 m·s-1时,氡浓度降至最小值,为0.36 Bq·m-3;钻孔场区中,在不同月份环境条件下,区域地形对氡的扩散结果呈现的规律较为一致,在海拔960～962 m之间的低地势凹洼处均呈现氡的积聚,这主要是由于在大气风场中,低地势洼地有较为明显的漩涡存在。

图4 2019年不同月份平均氡浓度等值线分布图

图5 2019年不同月份下平均氡浓度最大值与风速的关系图

4.2 钻孔场区及周边近地表年均氡浓度分布规律

对2019年各月份的扩散氡浓度进行加权平均,可知钻孔场区边界氡浓度贡献最大和最小值分别为0.90 Bq·m-3和0.24 Bq·m-3,位于钻孔场区东、西边界处,在东、南、西三个边界外围100 m范围内,氡浓度逐渐降低至0.01 Bq·m-3,在北边界外围50 m范围以外,氡浓度均已小于0.01 Bq·m-3,并且扩散范围小于前三个边界外围(见表3);结合图2全年风玫瑰图可知,氡在大气中的扩散范围与风频呈正相关关系,风频越大,扩散范围越大。年均氡浓度值线分布如图6所示,可以看出,钻孔场区内部氡浓度贡献最大值为1.47 Bq·m-3,其临近的钻孔中心点氡浓度贡献值为0.41 Bq·m-3,此钻孔位于海拔960～962 m之间地势较低处,可知较低地势易造成排放源附近氡的积聚,使得局部氡浓度较高,污染相对严重。

图6 年均氡浓度等值线分布图

4.3 辐射安全距离确定

我国现行标准《铀矿冶辐射防护和环境保护规定》(GB 23727—2020)对地浸采铀钻孔场区辐射防护距离无明确要求,但需合理评估钻孔场区内氡源项造成的公众附加剂量,以确保辐射环境影响可接受,故在钻孔场区及外部整体区域中,钻孔释放的源项氡在大气扩散中导致环境增加的氡浓度所带来的辐射危害是本文研究的重点。

在钻孔场区边界外围区域氡所致公众个人剂量最大值为0.019 2 mSv·a-1,出现在东边界处;钻孔场区各边界外围50 m处,氡所致的公众个人剂量均不大于0.001 1 mSv·a-1(见表4);由图5的氡浓度最大值计算得到钻孔场区内氡所致公众个人剂量最大值为0.031 4 mSv·a-1,位于海拔960～962 m之间地势凹洼处的钻孔附近;就钻孔场区及外部整体区域而言,其值均远远低于我国现行标准《铀矿冶辐射防护和环境保护规定》(GB 23727—2020)规定的运行期公众照射的剂量约束值0.5 mSv·a-1,由此可知钻孔源项氡对周边环境和公众辐射影响较小。

表4 钻孔场区边界外围不同距离处氡所致公众个人剂量(mSv·a-1)

5 结论

在某典型地浸采铀矿山钻孔场区的实际地形测量、核素氡源项监测和气象要素观测的基础上,建立核素氡大气扩散数学模型,利用CFD数值模拟方法,研究了地浸钻孔场区氡对周边环境的影响。针对地浸采铀钻孔场区氡源项特点,基于流体力学方法建立了一套更为准确和适宜的氡扩散模拟和辐射安全距离确定方法,可为同类矿山钻孔场区布置及钻孔分布提供参考。

(1)对不同月份近地表氡浓度分布结果,风速对氡的扩散影响最为直接,风速越大,氡浓度越低;氡的分布范围主要受风速和风频协同作用的影响,随着风速和风频的增大,氡的扩散范围变大,随着距离的增大,氡浓度衰减很快;钻孔场区内部的抽液孔周围,较低地势凹洼处氡的聚集程度较为明显。

(2)由钻孔场区及周边近地表年均氡浓度分布,得到其所致的个人剂量均不大于0.001 1 mSv·a-1,钻孔场区各抽液孔排放氡浓度水平较低,对环境氡浓度贡献值较小,对周边环境和公众辐射影响较小。

(3)氡的大气扩散受诸多因素影响,过程极为复杂,后续研究工作中,将考虑沉降参数的影响。同时,结合现场监测数据,进一步开展网格优化和参数校验,以提高氡扩散数值模拟结果的准确性和精确度。