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        余流對(duì)核電廠液態(tài)流出物排放的影響分析

        2022-01-26 03:04:08方明豹孫純建黃佳鈺
        輻射防護(hù)通訊 2021年3期
        關(guān)鍵詞:核電廠

        方明豹,孫純建,黃佳鈺,田 琨

        (國(guó)核浙能核能有限公司,浙江 杭州,310012)

        核電廠在正常運(yùn)行期間,含少量放射性核素的液態(tài)流出物隨溫排水一起排入受納水體?!逗藙?dòng)力廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定》(GB 6249—2011)要求,在評(píng)價(jià)核動(dòng)力廠廠址的適宜性時(shí),必須充分論證核動(dòng)力廠放射性流出物排放、熱排放及化學(xué)流出物排放對(duì)環(huán)境、當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)和公眾的影響。此外,環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則《核電廠環(huán)境影響報(bào)告書的格式和內(nèi)容》(HJ 808—2016)也要求說(shuō)明核電廠正常運(yùn)行狀態(tài)下液態(tài)流出物排放源項(xiàng),給出受納水體中各子區(qū)的水體稀釋因子,計(jì)算各子區(qū)中核素的濃度;按照《濱海核電廠液態(tài)放射性流出物排放輻射影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(NB/T 20199—2013)的技術(shù)要求計(jì)算個(gè)人有效劑量和集體有效劑量。對(duì)于上述要求,通常采用數(shù)值模擬的方法分析液態(tài)流出物在受納水體內(nèi)的擴(kuò)散稀釋規(guī)律,確定受納水體對(duì)液態(tài)流出物的稀釋能力,獲取海水稀釋因子,計(jì)算受納水體中核素的濃度,為評(píng)價(jià)液態(tài)流出物計(jì)算提供依據(jù)。

        對(duì)核電廠液態(tài)流出物在受納水體中的稀釋擴(kuò)散問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)時(shí),通常需要包括環(huán)評(píng)需要的半徑80 km范圍水域,確定較大的數(shù)值計(jì)算域[1],在流場(chǎng)驗(yàn)證良好的前提下開(kāi)展液態(tài)流出物擴(kuò)散的數(shù)值模擬計(jì)算[2],同時(shí)還要對(duì)主要計(jì)算參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,明確參數(shù)選取對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響[3];蘇柯[4]計(jì)算了大亞灣核電站液態(tài)排放物中放射性核素在大亞灣海域內(nèi)隨潮流運(yùn)動(dòng)污染擴(kuò)散的規(guī)律。液態(tài)流出物對(duì)受納水域的影響是長(zhǎng)期累積的結(jié)果,通常需要3~4個(gè)月才能達(dá)到計(jì)算平衡。對(duì)于較長(zhǎng)半衰期的核素,核素衰變的總量較少,排放量幾乎全部由邊界流出,受納水域的余流影響濃度場(chǎng)和邊界流出量的分布。目前關(guān)于液態(tài)流出物計(jì)算的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程應(yīng)用中尚未考慮余流的影響。本文以某核電廠為例,通過(guò)改變水邊界的潮位基面達(dá)到改變計(jì)算域的余流的目的,分析余流變化對(duì)濃度場(chǎng)分布的影響機(jī)制。

        1 數(shù)學(xué)模型

        1.1 基本方程

        對(duì)于濱海等寬淺水域,通常采用深度平均的二維水流運(yùn)動(dòng)方程來(lái)描述其水流流場(chǎng),忽略各物理量沿水深方向的變化。即從不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)方程——N-S方程出發(fā),將各物理量其沿水深方向積分,從而求得深度平均的平面二維水流運(yùn)動(dòng)方程[5]。

        連續(xù)性方程:

        運(yùn)動(dòng)方程:

        濃度方程:

        1.2 定解條件

        液態(tài)流出物計(jì)算數(shù)值模型的邊界處理主要分為潮流控制邊界處理、排水口濃度排放邊界和開(kāi)邊界濃度處理三種。

        1.2.1流場(chǎng)定解條件

        (1) 邊界條件:開(kāi)邊界給定潮位過(guò)程,通過(guò)全球潮汐預(yù)報(bào)模型初步給出計(jì)算邊界的潮位變化過(guò)程,進(jìn)一步結(jié)合計(jì)算域內(nèi)有的測(cè)量潮位值驗(yàn)證,調(diào)整邊界的潮位使得計(jì)算的潮位、流速值和測(cè)量值一致。排水口由排水流量和排水口尺寸給出排水動(dòng)量;取水口按出流計(jì)算,根據(jù)取水流量給出流動(dòng)量。

        (2) 初始條件:采用靜流條件起算,通過(guò)多個(gè)周期循環(huán)計(jì)算,流場(chǎng)穩(wěn)定后與起算條件不敏感。

        1.2.2濃度場(chǎng)定解條件

        (1) 邊界條件:取水口的濃度由計(jì)算給出;排水口的濃度按連續(xù)歸一排放,并考慮取水濃度的回歸疊加。陸地邊界按絕熱邊界進(jìn)行計(jì)算。

        (2) 初始條件:初始濃度場(chǎng)為0。

        1.2.3濃度場(chǎng)開(kāi)邊界處理

        (1) 開(kāi)邊界處理:不做限制,由濃度場(chǎng)方程計(jì)算。

        (2) 邊界回歸處理:假設(shè)流出邊界的核素按50%從原來(lái)位置流入,落潮時(shí),分別記錄邊界各節(jié)點(diǎn)的濃度值;漲潮時(shí),按照類似堆棧處理后進(jìn)先出的原則,給定邊界節(jié)點(diǎn)的濃度值[1]。

        1.3 數(shù)值方法

        本文采用能適應(yīng)天然不規(guī)則邊界的非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對(duì)模擬水域進(jìn)行剖分,網(wǎng)格設(shè)計(jì)靈活且可隨意控制網(wǎng)格疏密,并可根據(jù)不同地形情況、水流條件和工程布置要求設(shè)置網(wǎng)格的疏密程度,能很好地?cái)M合岸線和水流歸槽現(xiàn)象[6]。

        數(shù)值計(jì)算方法采用分步雜交法,將計(jì)算的每一時(shí)間步長(zhǎng)分成兩步進(jìn)行。前半步采用特征線法,主要考慮對(duì)流效應(yīng);后半步采用集中質(zhì)量的有限元法,主要考慮擴(kuò)散效應(yīng)。首先計(jì)算該水域的流速場(chǎng),并驗(yàn)證其正確性,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行液態(tài)流出物排放濃度場(chǎng)的模擬計(jì)算。

        2 實(shí)例計(jì)算及結(jié)果分析

        2.1 計(jì)算條件

        2.1.1工程概況

        以某沿海廠址為例,擬建2臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組。核電廠采用直流冷卻方式,液態(tài)流出物按連續(xù)排放計(jì)算,濃度歸一化處理。以60Co為例,半衰期5.272 a。

        2.1.2計(jì)算范圍

        綜合考慮廠址附近的潮流特點(diǎn),結(jié)合可收集的潮流資料,平面二維數(shù)模模擬范圍選取順岸約247 km,離岸約130 km的水域,計(jì)算水域面積約33 700 km2,計(jì)算域水邊界距核電廠的距離大于80 km。

        計(jì)算網(wǎng)格大小由取、排水工程處向外逐步增大,即從10 m到4 000 m,對(duì)應(yīng)網(wǎng)格數(shù)44 845個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)約23 200個(gè)。

        2.1.3模型驗(yàn)證

        以全潮水文測(cè)驗(yàn)中的潮位和潮流測(cè)量資料驗(yàn)證模型,計(jì)算結(jié)果表明潮位變化過(guò)程和高低潮位及相位、各流速測(cè)驗(yàn)點(diǎn)的流速和流向與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本趨于一致,漲、落潮流態(tài)與潮流觀測(cè)報(bào)告中的敘述一致(見(jiàn)圖1~3),潮位站點(diǎn)W1和流速測(cè)量站點(diǎn)(N01~N10)見(jiàn)圖4。其中,圖1為工程附近潮位站(W1)大潮期間的潮位驗(yàn)證結(jié)果,圖2和圖3分別為工程附近流速測(cè)點(diǎn)的流速流向變化過(guò)程的驗(yàn)證結(jié)果(以N2和N8測(cè)點(diǎn)為例)。綜上所述,計(jì)算流場(chǎng)能反映整個(gè)水域流場(chǎng)的主要特征,計(jì)算結(jié)果偏差滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)潮流模擬精度的要求,能夠作為液態(tài)流出物排放計(jì)算的流場(chǎng)基礎(chǔ)。在流場(chǎng)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,對(duì)工程附近水域計(jì)算潮流的余流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。為了便于比較,圖4給出了工程區(qū)域N01~N10測(cè)點(diǎn)的余流的大小和方向,余流計(jì)數(shù)值和測(cè)量值吻合良好,工程區(qū)余流方向?yàn)闁|北→西南。

        圖1 大潮期間潮位驗(yàn)證結(jié)果(W1站點(diǎn))

        圖2 大潮期間流速流向變化過(guò)程線(N2測(cè)點(diǎn))

        圖3 大潮期間流速流向變化過(guò)程線(N8測(cè)點(diǎn))

        圖4 工程附近水域余流對(duì)比圖

        2.2 計(jì)算工況及余流變化

        在水動(dòng)力場(chǎng)模擬驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,通過(guò)改變計(jì)算域東北水邊界潮位基面的方法,改變計(jì)算水域的余流,對(duì)液態(tài)流出物排放進(jìn)行計(jì)算,分析余流變化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。計(jì)算條件包括初始潮位基面(工況0)和計(jì)算域東北水邊界的基準(zhǔn)潮位+1 cm(工況1)、+2 cm(工況2)、+3 cm(工況3)、+5 cm(工況4),分別進(jìn)行各工況流場(chǎng)計(jì)算,各工況工程區(qū)附近的余流變化情況見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),增加?xùn)|北側(cè)水邊界的潮位基面,可以達(dá)到增加余流的效果?;鶞?zhǔn)水位提高1 cm,工程附近水域的余流增加約0.02 cm/s,離岸較遠(yuǎn)水域的余流增加約0.06 cm/s。

        表1 各工況余流變化情況

        2.3 余流對(duì)濃度場(chǎng)影響分析

        針對(duì)不同余流的各工況進(jìn)行半月潮液態(tài)流出物濃度場(chǎng)的計(jì)算,圖5給出了典型工況濃度場(chǎng)分布圖。液態(tài)流出物濃度主要隨沿主潮流的方向分布,計(jì)算并統(tǒng)計(jì)了環(huán)評(píng)192子區(qū)的平均濃度,以在液態(tài)流出物分布的主要方向NE方向上10~20 km、40~50 km距離和SW方向上10~20 km、40~50 km距離子區(qū)內(nèi)的平均濃度分析余流的變化對(duì)濃度分布的影響(圖6)。表2和圖7分別給出了各工況下上述子區(qū)的平均相對(duì)濃度以及相對(duì)工況0的變化率。

        表2 各工況余流對(duì)相對(duì)濃度的影響

        圖6 大潮期相對(duì)濃度變化過(guò)程線

        圖7 子區(qū)濃度變化率

        核電廠排出的液態(tài)流出物在水域中隨潮流的漲落遷移和擴(kuò)散,需要3~4個(gè)月才能逐步累積達(dá)到平衡。較小的流速變化對(duì)長(zhǎng)期的濃度累積影響明顯,工程附近水域的余流增加約0.02 cm/s,相對(duì)濃度變化大約5%以上,因此在預(yù)測(cè)液態(tài)流出物在受納水域中的濃度分布時(shí),應(yīng)考慮余流的影響。

        具體工程應(yīng)用中,在分析造成余流的主要因素的基礎(chǔ)上,對(duì)余流影響進(jìn)行敏感性分析計(jì)算,分析余流變化對(duì)濃度場(chǎng)分布的影響,尤其是重點(diǎn)關(guān)注的評(píng)價(jià)敏感點(diǎn)的濃度變化,如濃度變化使得評(píng)價(jià)結(jié)果不可忽略,計(jì)算中應(yīng)重點(diǎn)分析由于余流對(duì)計(jì)算結(jié)果引起的變化。

        3 結(jié)論

        本文結(jié)合工程實(shí)例,通過(guò)改變計(jì)算水邊界潮位的基準(zhǔn)潮位改變計(jì)算域的余流,分析比較不同余流對(duì)濃度場(chǎng)分布的影響。分析結(jié)果表明:核電廠液態(tài)流出物的濃度在受納水域內(nèi)逐步累積,需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡,余流的變化對(duì)濃度場(chǎng)分布的影響較為顯著,今后在進(jìn)行平面二維數(shù)值計(jì)算時(shí)建議考慮余流的影響。

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