地下核电站事故工况下扩散至大气环境的放射性气体活度计算方法与流程

本发明涉及地下核电站辐射安全领域，具体地指地下核电站事故工况下扩散至大气环境的放射性气体活度计算方法。

背景技术：

在核反应堆运行过程中，不可避免地有放射性物质的排出。其中气体放射性核素会随着气体的泄露被携带出反应堆厂房，并随着大气运动弥散到周围环境中。当核电站发生事故时，特别是在严重事故下，大量放射性气体将释放到大气中，对周围工作人员及公众安全造成巨大威胁。因此，核电站放射性气体的扩散行为评价是评估职业和公众所受辐射剂量的重要依据，为核电站选址、安全措施制定和大规模放射性释放概率(LRF)的评估提供了数据支持。

地下核电站将核反应堆等涉核部分置于地下洞室，若严重事故下安全壳的完整性遭到破坏，放射性气体会逸出安全壳并聚集于反应堆厂房洞室内。为防止放射性物质的大量释放，地下核电站设立了洞室密封隔离系统，包括通道密封隔离门、洞室防渗层、岩体屏蔽层等。若放射性气体不能被及时处理，会导致洞室内压力增大，可能致使气载放射物穿过密封隔离系统扩散至大气环境中。然而目前还没有地下核电站运行经验或相关模型评价密封隔离系统是否能够阻止放射性气体泄露，扩散至大气中放射性气体的种类、浓度和时长等重要参数也不得而知。且地下核电站放射性气体扩散方式和扩散路径繁多，计算过程涉及众多复杂模型，放射性气体扩散评价过程非常困难。因此急需建立完整、科学的模型方法评价地下核电站放射性气体的扩散行为，为地下核电站选址、应急计划制定提供支持数据。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，结合地下核电站的特点，提出地下核电站事故工况下扩散至大气环境的放射性气体活度计算方法，以定量评价地下核电站放射性气体由反应堆厂房洞室扩散至大气环境的扩散行为。

本发明的目的是通过如下措施来达到的：地下核电站事故工况下扩散至大气环境的放射性气体活度计算方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

1)通过调研现有文献资料，建立地下核电站放射性气体扩散数据库；

2)确定预评估地下核电站类型及运行工况，查阅资料获取逸出地下核电站安全壳的放射性核素的种类i、反应堆厂房洞室内每种放射性核素源浓度C_0,i、反应堆厂房洞室压力及温度，i为自然数；

3)确定放射性气体可能由反应堆厂房洞室扩散至大气环境的所有扩散路径j、每条路径中气载放射物的扩散过程，并基于浓度平均分布假设确定通过每条所述扩散路径的每种放射性气体浓度C_p,i,j，j为自然数；

4)依次计算每条路径中放射性气体在各个扩散环节中的扩散行为，并计算出气载放射物扩散至大气环境中的放射性核素种类i、每种放射性核素扩散到达大气中的浓度C_a,i。

优选地，所述步骤1)中地下核电站放射性气体扩散数据库的属性数据类型包括：地下核电站整体布置方案、地下核电站放射源参数、反应堆厂房洞室结构参数、外部通道密封类型参数、岩体屏障系统参数。数据库的建立为后续步骤计算过程提供了有效参数，也为放射性气体扩散模型的扩充提供了便利，提高了方法的通用性。

优选地，所述步骤3)中将气载放射物由反应堆厂房洞室至大气环境的扩散过程分解为并联路径进行分别计算。所述步骤3)中通过每条扩散路径的每种放射性气体浓度C_p,i,j计算如下：

根据浓度平均分布假设，通过各路径扩散的气载放射物比例为各路径入口截面积占反应堆厂房洞室内表面积的比例R_j，R_j按照下式进行计算：

则通过各个扩散路径的放射性气体浓度C_p,i,j：

C_p,i,j＝C_0,iR_j。

优选地，所述步骤4)的具体步骤包括：

41)将放射性气体由反应堆厂房洞室(2)扩散至大气环境的每种扩散路径上的不同的扩散环节按照串联关系处理；

42)根据各个路径的扩散过程，确定计算所需的相应扩散模型，并分别评价各扩散环节的扩散行为；

43)洞室通道弥散模型计算；

44)气密门泄露扩散模型计算；

45)岩体屏障系统扩散模型计算；

46)将所计算的各个路径的放射性活度相加，即得到每种放射性核素扩散到达大气中的总活度C_a,i。

优选地，所述步骤43)洞室通道弥散模型计算方法如下：

设定单位时间内放射性气体向单位面积地面的沉积通量W_i,j正比于j路径洞室通道中近地面处第i种放射性气体浓度：

W_i,j＝V_d,iC_b,i,j

其中，C_b,i,j表示放射性气体初始浓度，V_d,i表示第i种放射性物质的沉积速度，

则气载放射性物质通过洞室通道后的浓度：

C_t,i,j＝C_b,i,jV_jt_j-W_i,jS_j

其中，V_j表示j路径洞室通道总容积，S_j表示j路径通道路面面积，t_j表示通过该通道的时间。

优选地，所述步骤44)气密门泄露扩散模型计算方法如下：

单位时间通过双层气密门的放射性气体活度C_d,i,j通过下式进行计算：

C_d,i,j＝C_b,i,jU_d

其中，U表示双层气密门的泄露率。

优选地，所述步骤45)岩体屏障系统扩散模型计算方法如下：

利用球坐标径向串联扩散公式进行计算：

$C_{r,i,j}=\frac{C_{b,i,j}}{\frac{1/R_1-1/R_2}{2{\mathrm{\πD}}_{c,i,1}}+\frac{1/R_2-1/R_3}{2{\mathrm{\πD}}_{c,i,2}}+...+\frac{1/R_n-1/R_{n+1}}{2{\mathrm{\πD}}_{c,i,n}}+...}$

其中，C_r,i,j表示放射性气体通过岩体屏障系统扩散的活度，D_c,i,1,D_c,i,2,…，D_c,i,n分别表示气体放射性核素在各防护隔离层中的扩散系数，由数据库中岩体参数提供，R₁，R₂，…，R_n分别表示反应堆厂房洞室内壁、混凝土层外壁、…，第n层防护隔离层距反应堆厂房洞室(2)几何中心的平均距离，n为自然数。

优选地，所述步骤43)、44)、45)为模块化的放射性气体扩散模型，在应用中根据所需评价的地下核电站扩散路径实际形式任意组合并改变扩散环节顺序，并根据需要增减扩散模型。扩散路径模型串联化将各扩散模型进行模块化，在应用中可根据所需评价的地下核电站扩散路径实际形式任意组合并改变扩散环节顺序，也可根据实际需求增减模块，提高了方法的通用性。

本发明的有益效果如下：

1)相比于传统地面核电站，地下核电站将核反应堆等涉核部分置于地下洞室，增加了放射性物质实体屏障的同时，其放射源位置、安全屏障、布置方式、通道设置、密封结构也均发生了变化。因此，地下核电站气体放射性核素的扩散路径和方式与传统地面核电站有很大不同，传统的放射性气体扩散评价方法已经不再适用。本发明所述评价方法填补了地下核电站放射性气体扩散评价方法的空缺；

2)本发明所述地下核电站放射性气体扩散评价方法需要依据已有地下核电站类型建立数据库，包括核电站总体布置、通道布置、密封方式、山体岩体类型、岩体裂隙、岩体应力、岩体弥散系数等模型参数。对于新型地下核电站，本方法仅需通过将其上述模型数据扩充至地下核电数据库，便可实现此类型地下核电站的气体放射性核素扩散评估。本发明所述评价方法提高了地下核电放射性气体扩散评价的通用性。

3)地下核电站放射性气体扩散经历了地下外部通道、密封门、山体等多个屏蔽，扩散方式和扩散路径繁多，计算过程涉及众多复杂模型，放射性气体扩散评价过程非常困难。本发明所述方法涵盖了气体放射性核素从反应堆厂房至大气弥散的整个扩散过程，将气载放射物由反应堆厂房洞室至大气环境的扩散过程分解为不同的并联路径进行分别计算，建立了一套完整、科学的地下核电站放射性气体扩散评价体系，易于通过编程形成评价软件，便于用户的使用和二次开发。

4)地下核电站放射性气体扩散评价方法根据某种地下核电站类型，选取相应的放射性核素的扩散路径，获取扩散路径上的具体扩散模型。本发明将各扩散模型进行模块化，在应用中可根据所需评价的地下核电站扩散路径实际形式任意组合并改变扩散环节顺序，也可根据实际需求增减模块，提高了方法的通用性。

附图说明

图1为采用阶地平埋总体布置形式和长廊形洞室群布置形式的地下核电站布置平面图；

图中：反应堆厂房1，反应堆厂房洞室2，泄压洞3，外部通道4，路径a：主蒸汽管道通道，路径b：泄压通道，路径c：轨道运输通道，路径d：人行通道，连接至一号安全厂房，路径e：人行通道，连接至二号安全厂房，路径f：人行通道，连接至燃料厂房，路径g：通过山体岩体扩散至大气环境。

图2是图1中路径a放射性气体扩散计算流程图。

图3是图1中路径b放射性气体扩散计算流程图。

图4是岩体屏障系统扩散模型示意图。图中：反应堆厂房1，反应堆厂房洞室2，洞室混凝土层3，防渗隔离层4，山体围岩5，反应堆厂房洞室内壁距反应堆厂房洞室几何中心的平均距离R₁，混凝土层外表面距反应堆厂房洞室几何中心的平均距离R₂，防渗隔离层外表面距反应堆厂房洞室几何中心的平均距离R₃，山体外表面距反应堆厂房洞室几何中心的平均距离R₄。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

本发明地下核电站事故工况下扩散至大气环境的放射性气体活度计算方法，涉及放射性气体逸出安全壳到达反应堆厂房1所在的反应堆厂房洞室2，在反应堆厂房洞室2中重新分布后，通过可能的扩散途径到达大气环境的过程。

本实施例以采用阶地平埋总体布置形式和长廊形洞室群布置形式的压水堆地下核电站为例，如图1所示，阐述放射性气体通过地下核电站密封隔离系统扩散的评价方法如下：

1)通过调研现有文献资料，建立地下核电站放射性气体扩散数据库；

根据现有地下核电站文献资料建立地下核电站放射性气体扩散数据库，数据库的属性数据类型包括：地下核电站整体布置方案、地下核电站放射源参数、反应堆厂房洞室结构参数、外部通道密封类型参数、岩体屏障系统参数。

11)地下核电站有多种整体布置方案，每种方案又包含多种洞室群布置形式。根据现有地下核电站资料，整理地下核电站整体布置及洞室群布置形式如表1所示，并建立地下核电站类型数据。

表1：地下核电站整体布置及洞室群布置形式

12)建立各布置类型地下核电站放射性气体扩散属性数据，其中涉及放射性气体扩散的属性分类包括地下核电站放射源参数、反应堆厂房洞室结构、外部通道密封类型、岩体参数。地下核电站放射性气体扩散属性数据如表2。

表2：地下核电站放射性气体扩散属性数据

2)确定预评估地下核电站类型及运行工况，查阅资料获取逸出地下核电站安全壳的放射性核素的种类i、反应堆厂房洞室内每种放射性核素源强度C_0,i(Bq/m³)、反应堆厂房洞室压力及温度，i为自然数。

21)确定所评价地下核电站类型为采用阶地平埋总体布置形式和长廊形洞室群布置形式的压水堆地下核电站，在数据库中获取此地下核电站反应堆厂房洞室为圆柱状洞体、半球状洞顶，跨度φ＝46m，高度h＝87m。

22)选择地下核电站运行工况或事故类型。假设此压水堆地下核电站发生冷却剂丧失事故(LOCA)，引起堆芯裸露，进而引发氢气爆炸，使得部分放射性核素逸出安全壳。逸出安全壳的放射性核素包括碘131、碘133、氪85、氙133等i种(i＝1，2，3……)，每种放射性核素源浓度C_0,i(Bq/m³)均为已知；

3)确定放射性气体可能由反应堆厂房洞室扩散至大气环境的所有扩散路径j、每条路径中气载放射物的扩散过程，并基于浓度平均分布假设确定通过每条所述扩散路径的每种放射性气体浓度C_p,i,j，j＝a,b,c…，a，b，c…分别与自然数1,2,3…一一对应。

31)在地下核电数据库中获取此压水堆地下核电站反应堆厂房洞室布置图，根据布置图确定放射性气体由反应堆厂房洞室扩散至大气环境的所有扩散路径j，j＝a,b,c…。本实施例中阶地平埋总体布置形式和长廊形洞室群布置形式的压水堆地下核电站布置形式如附图1所示，共有6条通道将反应堆厂房洞室相连至外部环境，分别是：a主蒸汽管道通道，连接至汽机厂房；b泄压通道，连接至泄压洞3；c轨道运输通道，连接至地表；d人行通道，连接至一号安全厂房；e人行通道，连接至二号安全厂房；f人行通道，连接至燃料厂房。其中，一号安全厂房、二号安全厂房和燃料厂房均通过外部通道4连接至地表。此外，其余放射性核素通过路径g山体岩体扩散至大气环境。

32)确定通过每条扩散路径的每种放射性气体浓度C_p,i,j。按照放射性物质均匀分布的假设，放射性物质通过各个路径扩散的比例等于该路径入口截面所占反应堆厂房洞室2内表面的比例。在地下核电数据库中获取上述步骤中6条通道尺寸规格：a主蒸汽管道通道10m×10m(B×H，B表示宽度，H表示高度)；b泄压通道3m×3m(B×H)；c轨道运输通道10m×10m(B×H)；d、e、f人行通道7m×7m(B×H)。根据浓度平均分布假设，通过各路径扩散的气载放射物比例为各路径入口截面积占反应堆厂房洞室内表面积的比例，R_j按照下式进行计算(j＝a,b,……)：

例如，通过路径a扩散的放射性气体的比例为：

$R_a=\frac{0.25{{\mathrm{\πB}}_a}^2+0.5B_a{H}_a}{\mathrm{\π}\mathrm{\φ}h+0.5{\mathrm{\π\φ}}^2}$

其中，B表示通道宽度，H表示通道高度，φ表示反应堆厂房洞室2的跨度，h表示反应堆厂房洞室2的高度。

通过各个扩散路径的放射性气体浓度C_p,i,j(Bq/m³)的计算方法为：

C_p,i,j＝C_0,iR_j

33)分析各扩散路径的扩散过程，选取相应的扩散模型，调用数据库中的模型参数。

确定气体放射性核素在各扩散路径上的扩散行为评价模型，并从地下核电数据库中选取相应的模型参数。对于a、c、d、e、f路径，以a路径为例，放射性气体从反应堆厂房洞室弥散至主蒸汽管道通道内，经过反应堆厂房洞室2密封隔离系统后，泄露的气体放射性核素沿着主蒸汽管道通道到达汽轮机厂房，进而扩散至大气环境。在此扩散过程中，涉及到的相关参数包括：主蒸汽管道通道长度、放射性气体沿通道的传播速度、反应堆厂房洞室密封隔离系统的通过率及泄露速率等。对于b路径，放射性气体从反应堆厂房洞室2弥散至泄压通道，经过反应堆厂房洞室2密封隔离系统后，泄露的气体放射性核素到达泄压洞3，再通过山体岩体扩散至大气环境。在此扩散过程中，涉及到的相关参数包括：泄压通道长度、放射性气体沿通道的传播速度、反应堆厂房洞室2密封隔离系统的密封效率、山体厚度、扩散速度、扩散压差、岩体扩散效率等。对于g路径，放射性气体直接通过山体岩体扩散至大气环境。在此扩散过程中，涉及到的相关参数包括：山体厚度、扩散速度、扩散压差、岩体扩散效率等。

4)依次计算每条路径中放射性气体在各个扩散环节中的扩散行为，并计算出气载放射物扩散至大气环境中的放射性核素种类i、每种放射性核素扩散到达大气中的浓度C_a,i；

41)将放射性气体由反应堆厂房洞室2扩散至大气环境的每种扩散路径上的不同的扩散环节按照串联关系处理。

42)根据各个路径的扩散过程，确定计算所需的相应扩散模型，并分别评价各扩散环节的扩散行为。

如附图2所示流程图，通过路径a、c、d、e、f扩散的气载放射物，其扩散过程包括洞室通道弥散、双层气密门泄露扩散和入口气密门泄露扩散。

如附图3所示流程图，通过路径b扩散的气载放射物，其扩散过程包括洞室通道弥散、双层气密门泄露扩散和岩体屏障系统扩散。

通过路径g扩散的气载放射物仅通过岩体屏障系统扩散。

43)洞室通道弥散模型计算过程如下(假设此弥散过程初始放射性气体浓度为C_b,i,j(Bq/m³))：

以双层气密门为分界将洞室通道分为内通道和外通道两部分。由于内、外通道中放射性物质浓度有很大差异，因此两段通道中的放射性气体弥散过程进行分别处理计算。

由于反应堆厂房洞室密封隔离系统中的双层气密门保持常关状态，可以认为洞室通道处于静风状态，风速值取0.5m/s。风速值为放射性物质沉积速度的取值提供参考。

洞室通道弥散模型主要考虑由于重力沉降造成的放射性气体表面沉积的损耗。为了评估表面沉积的影响，引入源耗减模型，假定单位时间内放射性气体向单位面积地面的沉积通量W_i,j(Bq/m²·s)正比于j路径洞室通道中近地面处第i种放射性气体浓度C_b,i,j(Bq/m³)：

W_i,j＝V_d,iC_b,i,j

其中，V_d,i(m/s)表示第i种放射性物质的沉积速度，与洞室内地表风速、放射性气体理化性质等因素有关，可通过查阅相关文献选取参考值。

放射性气体通过洞室通道后的活度C_t,i,j(Bq/s)为：

C_t,i,j＝C_b,i,jV_jt_j-W_i,jS_j

其中，V_j(m³)表示j路径洞室通道总容积，S_j(m²)表示j路径通道路面面积，t_j(s)表示通过该通道的时间。

44)气密门泄露扩散模型计算如下(假设此弥散过程初始放射性气体活度为C_h,i,j(Bq))：

反应堆厂房洞室2密封隔离系统中的气密门对气体放射性核素有很强的隔离阻碍效果，放射性气体在通过气密门后，其浓度会大幅降低。单位时间通过双层气密门的放射性气体活度C_d,i,j(Bq/s)通过下式进行计算：

C_d,i,j＝C_b,i,jU_d

其中，U(％/s^-1)表示双层气密门的泄露率。

45)岩体屏障系统扩散模型计算如下(假设此弥散过程初始放射性气体浓度为C_b,i,j(Bq/m³))：

如附图4所示，放射性气体通过岩体屏障系统的扩散需要依次通过洞室混凝土层、防渗隔离层及山体围岩等多层防护隔离设施，可利用球坐标径向串联扩散公式计算其放射性活度：

$C_{r,i,j}=\frac{C_{b,i,j}}{\frac{1/R_1-1/R_2}{2{\mathrm{\πD}}_{c,i,1}}+\frac{1/R_2-1/R_3}{2{\mathrm{\πD}}_{c,i,2}}+...+\frac{1/R_n-1/R_{n+1}}{2{\mathrm{\πD}}_{c,i,n}}+...}$

其中，C_r,i,j(Bq/s)表示放射性气体通过岩体屏障系统扩散的活度，D_c,i,1,D_c,i,2,…，D_c,i,n(m²/s)分别表示气体放射性核素在洞室混凝土层、防渗隔离层等防护隔离层中的扩散系数，可查阅资料获得，R₁，R₂，…，R_n(m)分别表示反应堆厂房洞室内壁、混凝土层外壁、…，第n层内壁距反应堆厂房洞室几何中心的平均距离。例如本实施例中放射性气体通过洞室混凝土层、防渗隔离层及山体围岩三层防护隔离层，其计算公式如下：

$C_{r,i,j}=\frac{C_{b,i,j}}{\frac{1/R_1-1/R_2}{2{\mathrm{\πD}}_{c,i,1}}+\frac{1/R_2-1/R_3}{2{\mathrm{\πD}}_{c,i,2}}+\frac{1/R_3-1/R_4}{2{\mathrm{\πD}}_{c,i,3}}}$

其中，C_r,i,j(Bq/s)表示放射性气体通过岩体屏障系统扩散的活度，D_c,i,1,D_c,i,2,D_c,i,3(m²/s)分别表示气体放射性核素在洞室混凝土层、防渗隔离层及围岩中的扩散系数，可查阅资料获得，R₁(m)表示反应堆厂房洞室内壁距反应堆厂房洞室几何中心的平均距离，R₂(m)表示混凝土层外表面距反应堆厂房洞室几何中心的平均距离，R₃(m)表示防渗隔离层外表面距反应堆厂房洞室几何中心的平均距离，R₄(m)表示山体外表面距反应堆厂房洞室几何中心的平均距离。

46)步骤42)中确定了放射性气体通过各个路径扩散至大气环境过程中的每个扩散模型，步骤43)、44)、45)详细阐述了洞室通道弥散、双层气密门泄露扩散和岩体屏障系统扩散三种模型的计算方法。在实际计算过程中，仅需根据实际情况判断所评价模型中放射性气体扩散途径中包含哪几种扩散模型，并将各扩散模型串联计算，将上一个模型的计算结果浓度作为初始浓度，直至计算到最后一个扩散模型，即得到了放射性气体通过此路径扩散至大气环境中的放射性活度。

47)将所计算的各个路径的放射性活度相加，即得到每种放射性核素扩散到达大气中的总活度C_a,i。

其它未详细说明的部分均为现有技术。本发明并不严格地局限于上述实施例。