一种适用于后处理厂排放特征的关键参数取值设计方法与流程

1.本发明属于放射性气态流出物核素扩散模拟技术，具体涉及一种适用于后处理厂排放特征的关键参数取值设计方法。


背景技术：

2.后处理厂址所在地的大气弥散特性分析和工程设计所需的关键参数包括扩散参数、典型核素的干、湿沉积取值等。这些关键参数的合理取值设计可以为厂区所排放的放射性气态流出物对环境的影响是否满足我国相关法律、法规的要求提供依据，为促进核燃料后处理厂的辐射防护工作、提高其辐射防护水平、保护周边公众的健康及环境安全，进而为工程的安全运行提供技术支持。
3.目前国内没有开展过专门的后处理厂大气扩散弥散评价模型与参数研究。因此，就气态流出物在环境中的迁移扩散开展相关的工程研究是迫切而且必要的。本发明通过试验和数值模拟以及模式验证的方法为后处理厂址提供放射性气态流出物中主要核素的扩散参数、干湿沉积因子等关键参数。目前，参考核电厂的扩散参数取值方法主要有：基于稳定度分类的经验扩散曲线法；风速标准差结合扩散函数的方法；通过常规气象资料进行理论推算的方法。第一种方法的测定可采用发烟照相、激光雷达测烟、大气示踪实验的方式，在确定观测或实验期间的稳定度类后得到相应的扩散参数，缺点在于往往不能获取不同条件下的扩散参数。第二种方法采用双向风标或三维超声风速仪测量风速标准差，结合扩散函数计算扩散参数，但所测扩散参数只代表某一高度的结果。第三种方法易实现，但无法获取厂址特有的参数特征。本发明通过现场示踪实验结合数值模拟方法获取扩散参数，一方面可获得厂址实际的扩散特征，此外也可对现场缺失的条件进行补充。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为后处理厂提供一种放射性气态流出物主要核素扩散模拟关键参数的取值设计方法，通过必要的试验和数值模拟，推荐后处理厂关键参数的合理取值。
5.本发明的技术方案如下：一种适用于后处理厂排放特征的关键参数取值设计方法，包括：
6.(1)开展不同天气稳定度条件下的大气扩散示踪实验，采用最小二乘法拟合弧线污染物浓度分布估算标准差，估算不同天气类型下的水平和垂向扩散参数；
7.(2)采用计算流体动力学(cfd)计算方法，考虑厂区建筑物影响，分析厂区大气扩散结果，估算厂区扩散参数；利用拉格朗日粒子模型，考虑厂址区域实际三维风场特征及湍流特征，补充模拟厂址区域内大气扩散特征，结合计算流体动力学模拟结果，估算不同稳定层结下的扩散参数；
8.(3)利用大气扩散示踪实验结果对数值模拟结果进行验证，推荐厂址典型核素最终的扩散参数及其对应干、湿沉积因子的取值。
9.进一步，如上所述的适用于后处理厂排放特征的关键参数取值设计方法，其中，步
骤(1)中大气扩散示踪实验的内容包括：典型天气条件选取、采样点布设、样品采集分析。
10.进一步，如上所述的适用于后处理厂排放特征的关键参数取值设计方法，其中，步骤(1)中估算水平和垂向扩散参数的方法如下：
11.假定示踪实验的扩散条件服从高斯扩散模式，则高架连续点源的地面浓度公式为：
[0012][0013]
式中，c(x,y,o；he)表示源强为q、有效源高为he的源在下风向地面(0 表示的是地面高度)任一点(x,y)处造成的浓度；u为源高处的平均风速；σy，σz分别是水平和垂向的扩散参数；
[0014]
假定σy，σz与下风向距离x存在如下的幂函数关系：
[0015][0016]
式中，py，qy，pz，qz可看作常数，则地面浓度公式可以表示为：
[0017][0018]
利用最小二乘法确定常数py，qy，pz，qz，计算得出σy，σz；
[0019]
所述利用最小二乘法确定常数py，qy，pz，qz，是使采样点i的地面浓度的计算值ci与实测值c
mi
之间的平方和s最小，s由下式表示：
[0020][0021]
式中，n为一次示踪实验所有采样点中采集到样品的点的总数。
[0022]
更进一步，实验的样品采集方法属于不等精度测量，引入标志测量精度的权数g作为处理数据时不同数据相对重要程度的指标，则s可表示为：
[0023][0024]
式中，gi为每个采样点的权数，gi取值如下：
[0025]gi
＝c
mi
/c
m,max
[0026]cm，max
为本次实验中所有取得样品的采样点中的最大浓度测量值。
[0027]
进一步，如上所述的适用于后处理厂排放特征的关键参数取值设计方法，其中，步骤(2)中采用计算流体动力学(cfd)计算方法，估算厂区扩散参数的方法如下：
[0028]
风廓线分布如下：
[0029][0030]
其中，uz和u
10
分别代表z高度和10米高的风速，风廓线幂指数n为 0.083，
[0031]
根据大气层风速公式采用不同高度风速求解二元一次方程可得
出摩擦速度u
*
和粗糙高度z0的取值，von-karman常数取0.4，
[0032]
大气边界层高度计算公式如下：
[0033][0034]
其中，f为地转参数；ω为地球自转角速度7.2722
×
10-5
rad；λ为厂址纬度；u
*
为摩擦速度，
[0035]
设计烟囱参数和计算工况，对不同工况的模拟结果进行处理，估算厂区的扩散参数如下：
[0036][0037]
其中σ为扩散参数，y为烟云距烟云中轴线的距离，q为该距离处的浓度。
[0038]
进一步，如上所述的适用于后处理厂排放特征的关键参数取值设计方法，其中，步骤(2)中利用拉格朗日粒子模型，估算不同稳定层结下的扩散参数的方法如下：
[0039]
假设粒子之间无相互作用，则处于空间一点p(x，y，z)的任一粒子的位置变化可记为：
[0040]
dx/dt＝u+u
′
[0041]
dy/dt＝v+v
′
[0042]
dz/dt＝w+w
′
[0043]
其中，x、y、z为粒子位置坐标；u、v、w为平均风速；u
′
、v
′
、w
′
为脉动速度，u、v、w和u
′
、v
′
、w
′
可由气象模式或参数化方法确定，对任一时刻t和其后续时刻t+δt，u
′
、v
′
、w
′
可记为：
[0044][0045][0046][0047]
其中，ru、rv、rw为湍流速度相关系数，σu、σv、σw为湍流速度方差，γ1、γ2、γ3为相互独立的标准正态分布随机数，三个方向的湍流速度相关系数可取如下形式：
[0048]ru
(δt)＝exp(-δt/t
lu
)
[0049]rv
(δt)＝exp(-δt/t
lv
)
[0050]rw
(δt)＝exp(-δt/t
lw
)
[0051]
其中，t
lu
、t
lv
、t
lw
为对应三方向的拉格朗日湍流积分尺度，
[0052]
由以上各式即可计算粒子在空间运动的轨迹、决定其各时刻的位置；
[0053]
对任一时刻t和空间位置r的浓度计算，由核函数或烟团概念有：
[0054][0055]
其中，c为浓度，rj和mj为第j个粒子的空间位置和质量，k为核函数， l为核函数的
特征尺度，原则上由粒子的空间分布密度决定，a(r)为近边界处的浓度修正因子，对无边界的情况有a(r)≡1，取高斯函数形式的核函数，则上式极类似于高斯烟团公式，即：
[0056][0057]
对不同稳定度扩散结果进行处理，补充估算厂区稳定条件下的扩散参数，采用的方法为：
[0058][0059]
其中σ为扩散参数，y为烟云距烟云中轴线的距离，q为该距离处的浓度。
[0060]
进一步，如上所述的适用于后处理厂排放特征的关键参数取值设计方法，其中，步骤(3)中厂址典型核素最终的扩散参数推荐方法如下：
[0061]
a)对于大气扩散示踪实验没有捕捉到的天气条件，以数值模拟选取对应的天气条件进行模拟，计算对应的扩散参数作为补充；
[0062]
b)对于数值模拟结果和大气扩散示踪实验计算接近的扩散参数，取平均值作为最终扩散参数；
[0063]
c)对于数值模拟结果和大气扩散示踪实验差异较大的扩散参数，以已确定的其它稳定度扩散参数为参考，取与外推或内插结果较接近的作为该天气类型下的扩散参数。
[0064]
进一步，如上所述的适用于后处理厂排放特征的关键参数取值设计方法，其中，步骤(3)中所述干、湿沉积因子的计算方法如下：
[0065][0066]cw
＝ca(1-exp(-λt))
[0067]
其中，ca表示未沉积时空气中的浓度，cd表示干沉积后污染物的空气浓度，cw表示湿沉后污染物的空气浓度，vd表示干沉积速度，kz表示垂直方向上的湍流交换系数，t表示污染物从计算位置到释放点经历的时间，λ表示冲刷系数。
[0068]
本发明的有益效果如下：本发明通过必要的试验和数值模拟，提供了后处理厂址所在地的大气弥散特性分析和工程设计所需的参数资料，包括扩散参数、典型核素的干、湿沉积取值等，使得对于厂址在近区以及稳定条件下的扩散评价更为合理，为厂区所排放的放射性气态流出物对环境的影响是否满足我国相关法律、法规的要求提供依据，为促进核燃料后处理厂的辐射防护工作、提高其辐射防护水平、保护周边公众的健康及环境安全，进而为工程的安全运行提供技术支持。
具体实施方式
[0069]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0070]
本发明通过大气扩散示踪实验结合数值模拟的结果，推荐后处理厂关键核素扩散
mesher，prism layer mesher。
[0092]
风廓线分布：
[0093][0094]
其中，uz和u
10
分别代表z高度和10米高的风速，风廓线幂指数n为0.083。
[0095]
在abl(atmospheric boundary layer)分析中，通常选取如表1所示的 standard k-ε修正参数进行计算。
[0096]
表1standard k-ε修正参数
[0097][0098]
von-karman常数取0.4。
[0099]
根据大气层风速公式采用不同高度风速求解二元一次方程可得出摩擦速度u
*
和粗糙高度z0的取值。
[0100]
大气边界层高度：
[0101]
abl边界层高度计算公式如下：
[0102][0103]
其中，f为地转参数；ω为地球自转角速度7.2722
×
10-5
rad；λ为厂址纬度；u
*
为摩擦速度。
[0104]
烟囱参数：
[0105]
释放速率：1bq/s；
[0106]
出口速度：16.99m/s；
[0107]
模拟核素：kr-85、i-131和cs-137；
[0108]
烟囱排放温度：地面温度为9.9℃时对应的100m高度大气温度。
[0109]
具体工况条件如表2所示。
[0110]
表2计算工况
[0111]
[0112]
对不同工况的模拟结果进行处理，估算厂区的扩散参数，采用的方法为：
[0113][0114]
其中σ为扩散参数，y为烟云距烟云中轴线的距离，q为该距离处的浓度。
[0115]
3)采用拉格朗日粒子模型计算稳定层结扩散参数
[0116]
随机游走粒子-核函数模式原则上由两部分组成，其一为通常的随机游走粒子模式，其二为利用核函数或烟团概念进行的浓度场计算。这里的粒子实际代表污染物微团的质心。对随机游走粒子扩散部分而言，假设粒子之间无相互作用，则处于空间一点p(x，y，z)的任一粒子的位置变化可写为：
[0117]
dx/dt＝u+u
′
[0118]
dy/dt＝v+v
′
[0119]
dz/dt＝w+w
′
[0120]
其中，x、y、z为粒子位置坐标；u、v、w为平均风速；u
′
、v
′
、w
′
为脉动速度。u、v、w和u
′
、v
′
、w
′
可由气象模式或参数化方法确定。对任一时刻t 和其后续时刻t+δt，u
′
、v
′
、w
′
可写为：
[0121][0122][0123][0124]
其中，ru、rv、rw为湍流速度相关系数；σu、σv、σw为湍流速度方差。γ1、γ2、γ3为相互独立的标准正态分布随机数。三个方向的湍流速度相关系数可取如下形式：
[0125]ru
(δt)＝exp(-δt/t
lu
)
[0126]rv
(δt)＝exp(-δt/t
lv
)
[0127]rw
(δt)＝exp(-δt/t
lw
)
[0128]
其中，t
lu
、t
lv
、t
lw
为对应三方向的拉格朗日湍流积分尺度。
[0129]
由以上各式即可计算粒子在空间运动的轨迹、决定其各时刻的位置。
[0130]
粒子扩散计算的第二部分是应用一种恰当的核函数对随机游动粒子的分布进行取样。对任一时刻t和空间位置r的浓度计算，由核函数或烟团概念有：
[0131][0132]
其中，c为浓度；rj和mj为第j个粒子的空间位置和质量；k为核函数；1为核函数的特征尺度，原则上由粒子的空间分布密度决定。a(r)为近边界处的浓度修正因子，对无边界的情况有a(r)≡1。取高斯函数形式的核函数，则上式极类似于高斯烟团公式，即：
[0133][0134]
对不同稳定度扩散结果进行处理，补充估算厂区稳定条件下的扩散参数，采用的方法为：
[0135][0136]
其中σ为扩散参数，y为烟云距烟云中轴线的距离，q为该距离处的浓度。
[0137]
在通过数值方法结果计算得到扩散参数后，取值方法如下：
[0138]
a)对于示踪实验没有捕捉到的天气条件，以数值模拟选取对应的天气条件进行模拟，计算对应的扩散参数作为补充；
[0139]
b)对于数值模拟结果和大气扩散示踪实验计算接近的扩散参数，取平均值作为最终扩散参数；
[0140]
c)对于数值模拟结果和大气扩散示踪实验差异较大的扩散参数，以已确定的其它稳定度扩散参数为参考，取与外推或内插结果较接近的作为该天气类型下的扩散参数。
[0141]
4)厂址典型核素干、湿沉积量的计算方法
[0142]
其中干、湿沉积量的计算方法如下：
[0143][0144]cw
＝ca(1-exp(-λt))
[0145]
其中ca表示未沉积时空气中的浓度，cd表示干沉积后污染物的空气浓度， cw表示湿沉后污染物的空气浓度。vd表示干沉积速度，碘取0.01m/s，其它核素核素取0.0015m/s。kz表示垂直方向上的湍流交换系数，t污染物从计算位置到释放点经历的时间。λ表示是冲刷系数，碘和其他粒子态元素的冲洗系数λ(s-1
) 取值如下：
[0146]
降水强度，mm/h碘其他粒子态元素＜13.7
×
10-52.9
×
10-51-31.1
×
10-41.22
×
10-4＞32.37
×
10-43.4
×
10-4
[0147]
对于本领域技术人员而言，显然本发明的结构不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
[0148]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。