唐秀歡，包利紅，李　華

(西北核技術研究所，西安　710024)

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不同天氣條件對“臟彈”襲擊放射性后果評價的影響

唐秀歡，包利紅，李華

(西北核技術研究所，西安710024)

摘要：為探索“臟彈”恐怖襲擊危害規(guī)律，提高公眾安全防護的能力，采用特定的源項模型、高斯擴散模型，考慮多種照射途徑，研究了不同大氣穩(wěn)定度、不同風速、不穩(wěn)定風場以及降雨率等因素對“臟彈”襲擊放射性后果評價的定量影響。研究結果顯示：大氣穩(wěn)定度為穩(wěn)定F類時，下風向輻射后果為極不穩(wěn)定A類的4～18倍，小風2 m·s-1的劑量后果為10 m·s-1風速的5倍；在不穩(wěn)定風場下，“臟彈”的危害范圍呈不規(guī)則狀，嚴重劑量后果分布受第一時段的天氣條件影響較為明顯；短期評價下，降雨率大則地面劑量后果小，長期評價下，降雨率大則劑量后果大。

關鍵詞：天氣條件；臟彈；后果評價

根據(jù)公共安全形勢分析，核與輻射恐怖威脅主要有4種[1]：1)非法獲得放射性物質(zhì)，制造放射性布散裝置(radiological dispersal devices，RDD)，實施放射性襲擊，如“臟彈”；2)襲擊/破壞核電廠等核設施造成核事故，導致放射性物質(zhì)向環(huán)境中釋放；3)非法獲得特殊核材料, 制造粗糙核裝置(improvised nuclear devices，IND)，實施核爆炸；4)非法獲取(盜竊等)完整核武器，實施核爆炸?！?·11”事件后，以RDD作為“臟彈”恐怖襲擊引起人們普遍的擔憂，同時隨著工業(yè)放射性物質(zhì)的廣泛使用，因為管理不善而引起的放射源丟失、受破壞事故屢屢發(fā)生[2]，因而此類事件的放射性后果及危害規(guī)律引起國內(nèi)外的重視。Magill等研究了核燃料受破壞后放射性大規(guī)模釋放等嚴重核事故的后果，比較了各種放射性釋放事故的嚴重性[3]。Reshetin等研究了90Sr“臟彈”襲擊事件的污染規(guī)律，指出污染程度與90Sr粒徑大小、釋放高度及氣象條件有關[4]。Shin 等詳細研究了RDD恐怖襲擊各種潛在的事故場景，以137Cs和241Am為例分析了各類事故的劑量后果[5]。王海洋等建立了“臟彈”恐怖襲擊劑量評價模式，給出有效劑量隨時間的分布[6]。李文茜等以IND為對象，研究預測了IND襲擊的殺傷效應[7]。張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，給出了污染結果分布[8]?！芭K彈”恐怖襲擊涉及爆炸、氣溶膠擴散、人員和環(huán)境受照等物理過程，其后果評價技術由源項分析、大氣擴散以及劑量計算等步驟組成，與核設施放射性后果分析[9]過程類似。目前大多數(shù)后果評價研究圍繞方法論開展，而在“臟彈”恐怖襲擊中，公眾對襲擊后果規(guī)律及劑量防護的認識影響到整體核事故應急行動的效率。本文以天氣條件為切入點，著重研究不同天氣條件對恐怖襲擊事故后果定量化的影響規(guī)律，為核事故應急行動的輻射防護提供技術基礎。

1研究方法

1.1 源項模型

137Cs、60Co、90Sr、192Ir、238Pu和241Am等核素具有適中的半衰期，常用于放射治療、工業(yè)照相、工業(yè)輻照加工等諸多領域。這些核素易于被恐怖分子竊取利用。表1列出了上述6種核素的物理特性、主要應用范圍等。在后果計算時選取具有代表性的137Cs核素作為“臟彈”研究對象，其活度取7.4×1014Bq(20 000 Ci)。

表1　RDD襲擊時常用的放射性核素特性表

“臟彈”恐怖襲擊一般會選擇敞開式爆炸方式，使放射性物質(zhì)盡可能向周圍擴散，形成大范圍的污染。敞開式爆炸釋放的污染煙團為瞬時體源，在豎直方向上近似圓柱形結構。后果計算模型中要求的源項一般均指爆轟波作用結束后，形成的穩(wěn)定云團在大氣作用下開始擴散瞬間的氣溶膠特征。根據(jù)美國化爆實驗數(shù)據(jù)總結得到經(jīng)驗公式，爆炸后體源尺寸與TNT質(zhì)量關系為[10]

(1)

式中，HTNT為炸藥爆炸造成的氣溶膠煙團高度，m；RTNT為炸藥爆炸造成的氣溶膠煙團半徑，m；M為TNT質(zhì)量，kg。

目前工業(yè)放射源的比活度較高，從特征比活度可推斷，活度為7.4×1014Bq的放射源的質(zhì)量從克到百克級；而恐怖襲擊所用炸藥量較大，本文計算時假設TNT炸藥量為10 kg，保守假設放射性物質(zhì)完全氣溶膠化，粒徑均小于10 μm，沿煙團高度呈非均勻分布，分布值取自文獻[11]。

1.2擴散模型

本文采用高斯多煙團模型計算不穩(wěn)定風場的核素擴散，采用高斯煙羽模型計算穩(wěn)定風場的擴散。高斯多煙團模型將氣象學坐標系原點置于事故中心點，x、y、z軸分別指東、北和垂直方向，x，y軸距離大小可由事故潛在影響范圍確定。高斯多煙團模型中某一個煙團i在t時刻對空間某坐標位置(x,y,z)的瞬時活度濃度貢獻通過式(2)來表示[11]：

(2)

式中，Ci為瞬時活度濃度，Bq·(s·m3)-1；Qi為煙團i的時段釋放率，Bq·s-1；σx、σy、σz分別為x、y、z方向的擴散系數(shù)，m；u和v分別為x、y方向的速度分量，m·s-1；H為污染物煙羽的有效高度，m。

對有效高度為H的瞬時點源，高斯煙羽模型計算的下風空間任意點處時間積分活度濃度為

(3)

式中，C為時間積分活度濃度，Bq·s·m-3；Q為瞬時點源總活度，Bq。對于靜風條件，采用RASCAL軟件對低風速的處理方式，使用靜風擴散模型[12]：

(4)

恐怖襲擊的煙團為體源，煙團初始高度約為其半徑的5倍，為了提高計算的精確性，并與高斯擴散模型形成對接，采用豎直分層的方法將爆炸釋放污染源項在垂直高度上劃分為5個直徑為2RTNT的子煙團，兩個相鄰子煙團相互交疊RTNT高度的體積，計算時對5個煙團進行累加。

對干沉積過程造成的煙羽耗損，引入校正因子Fd加以校正，沉積速度取0.01m·s-1，計算公式參見文獻[11]，考慮大氣混合層對煙羽擴散的影響，大氣混合層設為1km。

對濕沉積過程造成的煙羽耗損，引入校正因子Fw加以校正[13]：

(5)

式中，Λ為沖洗系數(shù)，Λ=αI,α為比例常數(shù)，取1.6×10-4h·(mm·s)-1；I為降雨率，mm·h-1。

天氣影響因素選取不同大氣穩(wěn)定度、不同風速、不同風向、不穩(wěn)定風場以及降雨率等。

1.3劑量模型

事故劑量計算中考慮了3種照射途徑：煙云浸沒外照射、地面沉積外照射和吸入內(nèi)照射。外照射劑量模型采用半無限煙云模型，各核素的內(nèi)照射劑量因子取自GB 18871—2002[14]，其他劑量轉換因子取自國際放射防護委員會第71號出版物ICRP-71[15]。呼吸率取0.000 37 m3·s-1，對于公眾，評價指標為個人有效劑量。

煙云γ浸沒外照射劑量Da由下式計算：

(6)

吸入內(nèi)照射劑量Dinh由下式計算：

(7)

地面沉積外照射劑量Dg由下式計算：

(8)

式中：Br為成人呼吸率，m3·s-1；λ為衰變常數(shù)，s-1；Vd為核素的干沉積速度，m·s-1；Ga為浸沒劑量轉移因子，Sv·(s·Bq·m-3)-1；Ginh為吸入劑量轉移因子，Sv·Bq-1；Gg為沉積劑量轉移因子，Sv·(s·Bq·m-2)-1；T為沉積劑量的評價時間，s；Aw為地表濕沉積通量：

(9)

對煙團造成的浸沒外照射計算，考慮了煙團的沉積耗減機理，而地面沉積外照射計算中考慮了環(huán)境影響，評價時間為50 a，對人員安全防護短期影響，評價時間為8 h，地面沉積外照射劑量來自干沉積和因淋洗而沉積在地面上的放射性物質(zhì)。

2計算驗證

Roller Coaster計劃是美國實地化學炸藥爆炸試驗。HOTSPOT程序是美國的采用高斯模式計算擴散的核事故安全評價與應急響應程序。采用Roller Coaster計劃[16]的試驗參數(shù)和環(huán)境參數(shù)及HOTSPOT程序[17]中的參數(shù)為輸入?yún)?shù)，以高斯多煙團、高斯煙羽模型計算Roller Coaster計劃中地面時間積分活度濃度。計算中考察了Briggs、Pasquill-Gifford兩種不同擴散系數(shù)體系對結果的影響，計算結果如圖1所示。

由圖1可見，高斯煙羽、高斯多煙團模型的計算結果與HOTSPOT程序的計算結果十分吻合。與試驗結果相比，下風向1 km附近計算值偏低，但總體基本相近。比對計算結果表明，本文所使用的“臟彈”襲擊擴散計算方法是有效的。從圖1可知，Briggs、Pasquill-Gifford兩種不同擴散系數(shù)的計算結果非常相近，Briggs體系的更接近HOTSPOT程序結果。Briggs體系是普適公式，Pasquill-Gifford則適用于平坦地形和地面情況。Roller Coaster試驗是在農(nóng)村平坦開闊地進行的，兩種體系均適用。為了適應其他地形，本文采用Briggs體系進行評價，在實際應用中如果具有現(xiàn)場大氣擴散系數(shù)的信息，則應以現(xiàn)場數(shù)據(jù)為主。放射性氣溶膠在擴散過程中存在著許多不確定因素，如源項中放射性核素氣溶膠化份額，擴散期間的大氣條件等，許多參數(shù)都會影響放射性氣溶膠擴散過程以及活度濃度分布情況。

3結果與討論

3.1不同大氣穩(wěn)定度的影響

以137Cs“臟彈”為例，采用高斯煙羽擴散模型，考察不同大氣穩(wěn)定度對“臟彈”下風向輻射劑量的影響。風速取6 m·s-1，大氣穩(wěn)定度分別取極不穩(wěn)定A、不穩(wěn)定B、稍不穩(wěn)定C、中性D、稍穩(wěn)定E、穩(wěn)定F 6種。不同大氣穩(wěn)定度下137Cs“臟彈”輻射劑量計算結果見圖2。

圖2　不同大氣穩(wěn)定度對輻射劑量的影響Fig.2　Influence of different stability classeson radiation dose

由圖2可見，大氣越不穩(wěn)定，137Cs“臟彈”下風向輻射劑量越低，大氣穩(wěn)定度為A、B時，地面輻射劑量最低；隨著大氣穩(wěn)定度趨向穩(wěn)定，地面輻射劑量逐漸增大，大氣穩(wěn)定度為E、F時，輻射劑量最高。在下風向約400 m處，F(xiàn)類穩(wěn)定度下的地面輻射劑量約為A類的4倍，隨下風向距離增大，該值變大，在10 km處約為18倍。大氣越不穩(wěn)定，“臟彈”放射性氣溶膠的稀釋越明顯，大氣越穩(wěn)定，“臟彈”造成的危害越嚴重。從偏保守的安全分析角度看，大氣穩(wěn)定度可取E、F類；從應急安全防護看，大氣穩(wěn)定度為A、B類。

3.2不同風速的影響

考察地面10 m處不同風速對“臟彈”下風向輻射劑量的影響，采用高斯煙羽擴散模型，大氣穩(wěn)定度取D，風速分別取0.2，1，2，4，6，8，10 m·s-1，不同風速下137Cs“臟彈”下風向擴散地面輻射劑量計算結果見圖3。

圖3　不同風速對輻射劑量的影響Fig.3　Influence of different wind speedson radiation dose

由圖3可見，在中性氣象條件下，風速越大，放射性氣溶膠下風向輻射劑量越低，隨風速逐漸減小，輻射劑量逐漸增大，在下風向的大部分范圍內(nèi)，上述風速組中風速為1 m·s-1時輻射劑量最大。對比發(fā)現(xiàn)，2 m·s-1風速的輻射劑量約為4 m·s-1風速的2倍，為10 m·s-1風速的5倍。隨下風向距離增大，屬于有風條件的各風速造成輻射劑量的比例基本保持不變。然而，在小風(1 m·s-1)、靜風(0.2 m·s-1)條件下，下風向輻射劑量表現(xiàn)出不規(guī)則現(xiàn)象，小風時，下風向的輻射劑量與2 m·s-1的較為接近，但在靜風條件下除了近距離外，下風向遠端的劑量較其他風速組的小。小風條件下，由于大氣邊界層內(nèi)污染物的擴散變得非常不規(guī)則、不確定，其煙流軸線表現(xiàn)出不確定性，煙羽出現(xiàn)水平慢擺，濃度場通常有較大的側向擴散，并呈多峰值、非高斯分布特征。在靜風條件下，除了上述現(xiàn)象外，煙流軸線無法確定，污染物表現(xiàn)為向四周擴散，從而稀釋了遠距離處的輻射劑量。

可見，小風不利于“臟彈”的擴散和稀釋，大風天氣降低“臟彈”的危害。從偏保守的安全評價角度，后果評價計算使用的風速應為小風，從應急安全防護看，大風天氣易于減輕“臟彈”的危害。

3.3不穩(wěn)定風場的影響

對于不穩(wěn)定風場，采用高斯多煙團模型模擬計算“臟彈”襲擊的劑量后果。不穩(wěn)定風場氣象參數(shù)見表2，穩(wěn)定風場對比條件采用表2中第一時段的天氣參數(shù)。不穩(wěn)定風場和穩(wěn)定風場輻射劑量計算結果以等高線圖形式示于圖4。

表2　預測所用氣象參數(shù)表

圖4　穩(wěn)定風場和不穩(wěn)定風場對劑量分布的影響

不同目的事故后果評價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計算參數(shù)，給出下風向距離的劑量后果；以核事故應急決策快速預測和評價為目的的后果評價，一般采用現(xiàn)場真實氣象參數(shù)，計算真實方位的預期劑量。而高斯多煙團模型可模擬真實方位的預期劑量，因此可以顯示“臟彈”不同預期劑量的距離范圍。由圖4(a)可見，不穩(wěn)定風場下，“臟彈”的危害范圍呈不規(guī)則狀，在下風向大范圍區(qū)域內(nèi)均產(chǎn)生一定的預期劑量。圖4(a)與圖4(b)相比，在應急中需要考慮干預措施的通用優(yōu)化水平10 mSv等高線基本一致，即嚴重劑量后果分布受第一時段的天氣條件影響較為明顯。而圖4(a)的5 mSv以下劑量等高線輻射范圍較寬，圖4(b)的較為細長，在穩(wěn)定風場下，1 mSv等高線可達10 km，而不穩(wěn)定風場的只有6 km。可見，在不穩(wěn)定風場下，應根據(jù)風向條件靈活選擇安全防護措施。

3.4不同降雨率的影響

降雨率l取0，2，5，12，20 mm·h-1，代表無雨、小雨、中雨、大雨及暴雨的天氣狀況，大氣穩(wěn)定度取D，風速6 m·s-1，沉積劑量評價時間取50 a和8 h，分別代表保守安全分析和應急防護分析。不同降雨率對“臟彈”襲擊的輻射劑量影響后果見圖5，下風向約400 m處某點各照射途徑造成的輻射劑量列于表3。由圖5可見，不同降雨率對“臟彈”的襲擊后果具有不同的影響。從核應急的短期安全防護評價看，大的降雨率造成較低的地面輻射劑量，并隨距離的增大降低更加明顯，400 m處20 mm·h-1降雨率造成的地面劑量是無雨時的0.7倍；而從長期的環(huán)境影響看，大的降雨率造成較高的地面輻射劑量，隨距離的增大這種趨勢也更加明顯，400 m處20 mm·h-1降雨率造成的地面劑量是無雨時的2.13倍。降雨造成空氣中放射性氣溶膠煙云的耗減，濕沉積滯留于地面的放射性物質(zhì)增多，因此吸入途徑造成的內(nèi)照射劑量隨降雨率的增加而減小，而濕沉積途徑造成的外照射劑量隨降雨率的增加而增大。

(a)8 h (b)50 a

圖5　不同降雨強度對輻射劑量的影響

由表3可見，8 h評價中降雨率引起的濕沉積劑量與吸入劑量相比很小，其總劑量變化主要受吸入劑量的影響，煙云因干、濕沉積造成的吸入內(nèi)照射劑量減小是總有效劑量減小的主要因素。50 a評價的總有效劑量隨降雨率的增加而增大，增大部分主要來自濕沉積的貢獻，與8 h相比，地面沉積放射性物質(zhì)50 a長時間照射顯然會引起較高的輻射劑量。在短期安全防護中，降雨可以清洗空氣中的放射性氣溶膠，對輻射劑量的衰減具有一定的貢獻。在保守的安全分析中，若不考慮干、濕沉積造成的劑量份額，顯然是不夠保守的。表3中的干、濕沉積輻射劑量定量數(shù)據(jù)基于一定的假設計算參數(shù)，用于說明降雨率對“臟彈”襲擊總有效劑量的影響，若用于具體的天氣情況和算例，需分析數(shù)據(jù)的適用性。

4結論

本文采用特定的源項模型、高斯煙羽和高斯多煙團模型以及劑量模型，建立了“臟彈”襲擊后果評價方法，通過比對驗證計算，研究結果表明：

1)天氣條件越不穩(wěn)定，“臟彈”放射性氣溶膠的稀釋越明顯，大氣越穩(wěn)定，“臟彈”的危害越嚴重；

2)小風不利于“臟彈”的擴散和稀釋，大風天氣有助于降低“臟彈”的危害；

3)在不穩(wěn)定風場下，“臟彈”的危害范圍呈不規(guī)則狀，在下風向大范圍區(qū)域內(nèi)均產(chǎn)生一定的預期劑量，總體劑量分布受第一時段的天氣條件影響較為明顯，穩(wěn)定風場下，影響范圍較為瘦長；

4)從核應急的短期安全防護評價看，降雨率引起的濕沉積劑量值比吸入劑量的數(shù)值小，其總劑量變化主要受吸入劑量的影響，大的降雨率造成較低的總輻射劑量，隨距離的增大降低作用更加明顯；而從長期的環(huán)境影響看，降雨率引起的濕沉積劑量大于吸入劑量的數(shù)值，其總劑量變化主要受濕沉積劑量的影響，降雨率引起的濕沉積劑量大于吸入劑量的數(shù)值，其總劑量變化主要受濕沉積劑量的影響，隨距離的增大這種趨勢也更加明顯。

總之，有利于“臟彈”放射性氣溶膠大氣擴散的天氣條件，可以減輕“臟彈”襲擊的事故后果。本文定量研究結果可以為“臟彈”襲擊安全防護提供技術依據(jù)。

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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

文獻標志碼:A

文章編號：2095-6223(2016)010701(8)

中圖分類號：X932

作者簡介：唐秀歡(1977-)，男，壯族，廣西都安人，高級工程師，碩士，主要從事核安全技術研究。E-mail:tangxiuhuan@nint.ac.cn

收稿日期：2015-05-03；修回日期：2015-10-08