應(yīng)急決策支持系統(tǒng)中核事故后果評(píng)價(jià)程序的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

劉 蘊(yùn)，張立國(guó)，李 紅，曲靜原，童節(jié)娟

（清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院 先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

在核電廠發(fā)生事故導(dǎo)致放射性物質(zhì)釋放的情況下，應(yīng)急指揮中心需依靠應(yīng)急決策支持系統(tǒng)快速確定應(yīng)急防護(hù)措施的決策，以避免或盡量減小公眾的受照劑量。應(yīng)急決策支持系統(tǒng)主要分為兩部分：堆芯損傷評(píng)價(jià)與源項(xiàng)計(jì)算依據(jù)事故工況數(shù)據(jù)，對(duì)堆芯損傷進(jìn)行定性與定量分析，得到放射性釋放源項(xiàng)的預(yù)測(cè)；事故后果評(píng)價(jià)依據(jù)釋放源項(xiàng)的時(shí)間序列，對(duì)核電廠周邊輻射劑量的時(shí)空分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合干預(yù)／行動(dòng)水平給出合適的防護(hù)行動(dòng)建議。由于事故情況下，公眾受照劑量時(shí)空分布和防護(hù)行動(dòng)與氣象條件、地形、居民分布等因素相關(guān)且計(jì)算復(fù)雜，故需設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)專門的事故后果評(píng)價(jià)應(yīng)用程序進(jìn)行計(jì)算。

早在1973年，美國(guó)就開(kāi)始了核事故后果評(píng)價(jià)的研發(fā)計(jì)劃。其后，切爾諾貝利核事故的發(fā)生對(duì)核事故后果評(píng)價(jià)的研究與程序開(kāi)發(fā)起到了不可忽視的推動(dòng)作用［1-2］。目前，國(guó)際上最具影響力的應(yīng)急決策支持系統(tǒng)包括美國(guó)的“大氣釋放咨詢能力”ARAC、歐共體的歐洲核應(yīng)急決策支持系統(tǒng)RODOS與日本的SPEEDI／WSPEEDI，其中均包含核事故后實(shí)時(shí)的事故后果評(píng)價(jià)程序。

在我國(guó)，核應(yīng)急決策支持系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)被作為國(guó)家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，引進(jìn)RODOS作為開(kāi)發(fā)技術(shù)平臺(tái)，于2002年開(kāi)發(fā)成功，稱為RODOS-C［3］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，直至目前，基于RODOS-C的核事故后果評(píng)價(jià)系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)了多次改進(jìn)，被應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心與大亞灣、紅沿河等多個(gè)運(yùn)行及在建核電站。

為了適應(yīng)目前主流的計(jì)算機(jī)硬件架構(gòu)與軟件開(kāi)發(fā)規(guī)則，本工作對(duì)我國(guó)核應(yīng)急決策支持系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與改進(jìn)。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與改進(jìn)

事故后果評(píng)價(jià)程序的總體功能為：依靠氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)的釋放源項(xiàng)時(shí)間序列，通過(guò)大氣擴(kuò)散模型，分析估計(jì)未來(lái)一定時(shí)間段內(nèi)核電廠周圍的放射性物質(zhì)地面濃度場(chǎng)與劑量場(chǎng)，計(jì)算放射性核素所致的內(nèi)、外照射劑量，提出隱蔽、撤離、避遷、永久再定居、碘防護(hù)、食品和飲用水控制等防護(hù)行動(dòng)建議。上述功能的實(shí)現(xiàn)，由多個(gè)專項(xiàng)功能模塊共同完成，包括風(fēng)場(chǎng)計(jì)算、大氣擴(kuò)散和劑量、防護(hù)行動(dòng)決策、食品行動(dòng)決策與操作干預(yù)水平修訂。

1.1 風(fēng)場(chǎng)計(jì)算模塊

風(fēng)場(chǎng)計(jì)算模塊的功能是：由省氣象監(jiān)測(cè)站獲取并處理得到的遠(yuǎn)場(chǎng)／近場(chǎng)氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，得到網(wǎng)格更精細(xì)的診斷風(fēng)場(chǎng)，以供大氣擴(kuò)散與劑量模塊使用。其中，風(fēng)場(chǎng)診斷應(yīng)用質(zhì)量守恒風(fēng)場(chǎng)模型（MCF），大氣穩(wěn)定度的計(jì)算與地面粗糙度相關(guān)。風(fēng)場(chǎng)計(jì)算模塊主要包括氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理與風(fēng)場(chǎng)調(diào)整兩個(gè)子模塊。其中，氣象預(yù)處理子模塊計(jì)算各氣象數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)釋放點(diǎn)的位置、各時(shí)間點(diǎn)大氣穩(wěn)定度與風(fēng)速廓線指數(shù)；風(fēng)場(chǎng)調(diào)整子模塊則主要進(jìn)行診斷風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算。

經(jīng)過(guò)這一版本的修改，風(fēng)場(chǎng)計(jì)算模塊的輸入為經(jīng)過(guò)前期處理的遠(yuǎn)場(chǎng)／近場(chǎng)氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)網(wǎng)格而非氣象站原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，輸出規(guī)格一般可為60km×60km，網(wǎng)格間距0.25km，或160km×160km，網(wǎng)格間距1km，同時(shí)也給出均勻風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

1.2 大氣擴(kuò)散和劑量模塊

大氣擴(kuò)散和劑量模塊采用RODOS 中的RIMPUFF 大 氣 擴(kuò) 散 模 型［4-6］。RIMPUFF 由丹麥Ris?國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，其利用拉格朗日中尺度大氣彌散煙團(tuán)模型計(jì)算氣載物質(zhì)彌散產(chǎn)生的濃度和劑量。該模型的優(yōu)點(diǎn)在于可應(yīng)用于不平坦地形，且可很好地處理非均勻不穩(wěn)定氣象條件。該模型通過(guò)順序釋放的一系列煙團(tuán)來(lái)模擬連續(xù)釋放，在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)中，依據(jù)局地氣象參數(shù)分析各煙團(tuán)的平流傳輸、擴(kuò)散和沉積，并計(jì)算由煙團(tuán)和沉積核素各自引起的γ 輻射劑量，之后根據(jù)時(shí)間積分濃度的增量和由初始數(shù)據(jù)的時(shí)間差分歸一的劑量率來(lái)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的瞬時(shí)濃度和劑量。

大氣擴(kuò)散和劑量以每個(gè)煙團(tuán)中氣載放射性物質(zhì)的量為輸入，可實(shí)時(shí)計(jì)算釋放到大氣中的放射性煙云造成的近地面空氣中核素的瞬時(shí)濃度與時(shí)間積分濃度，地面干、濕沉積濃度，煙云與地面的γ輻射劑量與劑量率，以及煙羽途徑、地面外照射途徑與吸入途徑對(duì)器官的潛在劑量。

大氣擴(kuò)散和劑量模塊中考慮了與穩(wěn)定度相關(guān)的擴(kuò)散參數(shù)、煙羽抬升、逆溫層和地面反射以及干／濕（源）耗減等方面的計(jì)算。在復(fù)雜地形條件下，它采用煙團(tuán)分裂方案來(lái)處理煙羽的分叉問(wèn)題。

大氣擴(kuò)散和劑量模塊中的網(wǎng)格數(shù)、輸出時(shí)間間隔與同時(shí)計(jì)算核素?cái)?shù)目均完成了相應(yīng)的擴(kuò)展，提高了其適用范圍。目前，大氣擴(kuò)散和劑量模塊可適應(yīng)241×241的計(jì)算網(wǎng)格，完整輸出數(shù)據(jù)集的輸出時(shí)間間隔最短為600s，另外可選擇輸出30s間隔的煙云γ劑量率，待計(jì)算核素的最大數(shù)目則由15個(gè)擴(kuò)展至64個(gè)。同時(shí)，優(yōu)化了煙云γ劑量率計(jì)算中對(duì)出界煙團(tuán)的處理，提高了計(jì)算的準(zhǔn)確度。

1.3 防護(hù)行動(dòng)決策模塊

RODOS中早期應(yīng)急干預(yù)模塊EMERSIM的主要任務(wù)是確定需采取早期應(yīng)急行動(dòng)的區(qū)域，模擬這些行動(dòng)并計(jì)算在采取措施和不采取措施情況下的個(gè)人劑量。防護(hù)行動(dòng)決策模塊參考EMERSIM 的計(jì)算方法，根據(jù)大氣擴(kuò)散和劑量模塊所提供的輸出時(shí)間間隔內(nèi)各器官受煙云照射、地面外照射和吸入劑量，連同人口分布、居留因子和屏蔽因子數(shù)據(jù)，計(jì)算3種途徑下，未來(lái)一段時(shí)間后各器官的剩余、潛在與預(yù)期劑量，估算在可供選擇的防護(hù)行動(dòng)下可防止劑量與代價(jià)（包括影響區(qū)域大小和人數(shù)等）。此處，居留因子為正常生活的居留因子，屏蔽因子為實(shí)施隱蔽時(shí)的屏蔽因子。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，考慮各種防護(hù)行動(dòng)的劑量干預(yù)水平，給出推薦的防護(hù)行動(dòng)組合，為應(yīng)急決策過(guò)程提供必要的支持信息。

經(jīng)改進(jìn)，防護(hù)行動(dòng)決策模塊可適應(yīng)大氣擴(kuò)散和劑量模塊的計(jì)算網(wǎng)格。同時(shí)，在模塊中加入了對(duì)避遷與永久再定居這兩種防護(hù)行動(dòng)，使原來(lái)的3種防護(hù)行動(dòng)組合（隱蔽、撤離、碘防護(hù)）擴(kuò)展為5種。此外，為了對(duì)防護(hù)行動(dòng)決策進(jìn)行補(bǔ)充，事故后果評(píng)價(jià)程序中還加入了食品行動(dòng)決策模塊與操作干預(yù)水平修訂模塊。

1.4 食品行動(dòng)決策模塊

食品行動(dòng)決策模塊的主要功能是通過(guò)計(jì)算食品與飲用水中的放射性污染水平，考慮食品通用行動(dòng)水平，給出食品與飲用水防護(hù)行動(dòng)建議。其中，食品與飲用水中的放射性污染水平計(jì)算模型選自IAEA 安全叢書第57號(hào)，以大氣擴(kuò)散和劑量模輸出的放射性核素地面沉積濃度為輸入，且需使用食品作物的放射性核素的截獲因子、易位因子與轉(zhuǎn)移系數(shù)等。

計(jì)算一般食品作物中放射性核素轉(zhuǎn)移時(shí)，考慮葉面沉積的核素轉(zhuǎn)移與根類吸收兩個(gè)途徑；計(jì)算飲用水污染水平時(shí)，考慮事故時(shí)放射性物質(zhì)經(jīng)干濕沉降到水庫(kù)整個(gè)控制流域面積上，并最終在水庫(kù)內(nèi)均勻混合；計(jì)算放射性在牛奶中的轉(zhuǎn)移時(shí)，考慮事故時(shí)奶牛只食入新鮮飼料和飲用被放射性核素污染的水，不考慮干飼料的食入。其中，不同核素組的污染水平為每組各核素的污染水平之和。食品的通用行動(dòng)水平依照GB 18871—2002附錄E中表E2所列［7］。

1.5 操作干預(yù)水平修訂模塊

操作干預(yù)水平修訂模塊的主要功能是對(duì)不同事故下的操作干預(yù)水平進(jìn)行修正。修正方法來(lái)源于IAEA TECDOC 953［8］。OIL1和OIL2計(jì)算所需的數(shù)據(jù)包括：7天內(nèi)可避免有效劑量、煙云外照射預(yù)期劑量（有效）、地面外照射7天預(yù)期劑量（有效）、吸入7天預(yù)期劑量（有效）、可避免甲狀腺劑量與吸入50 年預(yù)期劑量（甲狀腺）。這些數(shù)據(jù)均由防護(hù)行動(dòng)決策模塊運(yùn)行得到。OIL1和OIL2的計(jì)算如下：

其中：OIL1為撤離操作干預(yù)水平；GILe為國(guó)標(biāo)規(guī)定的撤離干預(yù)水平，默認(rèn)為50mSv；R1為有效劑量率對(duì)環(huán)境劑量率的比值；Te為煙云外照射時(shí)間；OIL2為碘防護(hù)操作干預(yù)水平；GILthy為國(guó)標(biāo)規(guī)定的碘防護(hù)干預(yù)水平，默認(rèn)為100 mSv；R2為甲狀腺劑量率對(duì)環(huán)境劑量率的比值。

2 系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了符合應(yīng)急支持決策系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的B／S框架結(jié)構(gòu)，事故后果評(píng)價(jià)程序的總體邏輯設(shè)計(jì)同樣使用B／S架構(gòu)。如圖1所示邏輯結(jié)構(gòu)圖，事故后果評(píng)價(jià)程序中，瀏覽器主要包括操作網(wǎng)頁(yè)，服務(wù)器則包括負(fù)責(zé)運(yùn)算的業(yè)務(wù)層與運(yùn)算相關(guān)的數(shù)據(jù)層。其中，業(yè)務(wù)層中進(jìn)行模型計(jì)算與接口控制，數(shù)據(jù)層對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)與固定數(shù)據(jù)文件進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，另外數(shù)據(jù)庫(kù)還需為其他模塊提供數(shù)據(jù)支持。

改進(jìn)后，業(yè)務(wù)層中風(fēng)場(chǎng)計(jì)算、大氣擴(kuò)散和劑量、防護(hù)行動(dòng)決策、食品行動(dòng)決策與操作干預(yù)水平修訂這5個(gè)模塊逐一連接，形成一個(gè)完整的評(píng)價(jià)模式鏈。在一次運(yùn)算中，瀏覽器先將案例控制參數(shù)存入數(shù)據(jù)層并發(fā)送計(jì)算命令，之后業(yè)務(wù)層直接在服務(wù)器上開(kāi)始計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中逐一由數(shù)據(jù)層獲取源項(xiàng)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并讀取數(shù)據(jù)文件，計(jì)算結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。需說(shuō)明的是，輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)只包含應(yīng)急決策支持所需的數(shù)據(jù)，而各模塊間的數(shù)據(jù)傳遞均在內(nèi)存中實(shí)現(xiàn)，省略了大量文件讀寫，顯著提高了運(yùn)行效率。

使用B／S架構(gòu)還可顯著改善程序運(yùn)行限制與維護(hù)代價(jià)?；跒g覽器的設(shè)計(jì)使任意有權(quán)訪問(wèn)程序相關(guān)操作網(wǎng)頁(yè)的人員或設(shè)備均可啟動(dòng)計(jì)算或修改參數(shù)，其訪問(wèn)權(quán)限只受人員角色與網(wǎng)絡(luò)限制，與具體設(shè)備無(wú)關(guān)。數(shù)據(jù)庫(kù)中以二進(jìn)制的形式只保存最終需輸出的計(jì)算結(jié)果，節(jié)約了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。由于業(yè)務(wù)層與數(shù)據(jù)庫(kù)只需安裝在服務(wù)器上，程序與數(shù)據(jù)維護(hù)無(wú)需涉及網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備，降低了維護(hù)代價(jià)。

圖1 邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Logical structure diagram

3 程序接口設(shè)計(jì)

在經(jīng)過(guò)改進(jìn)的接口設(shè)計(jì)中，輸入接口由app.config數(shù)據(jù)庫(kù)配置文件統(tǒng)一管理。應(yīng)用程序的配置文件是標(biāo)準(zhǔn)的XML 文件，可按需更改。開(kāi)發(fā)人員可使用配置文件來(lái)更改設(shè)置，而不必重新編譯應(yīng)用程序。該配置方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)接口參數(shù)的統(tǒng)一管理，擺脫了傳統(tǒng)的文本配置方式。

此外，網(wǎng)格數(shù)、輸出時(shí)間間隔、計(jì)算核素?cái)?shù)目等參數(shù)均作為程序計(jì)算的控制參數(shù)，可在主函數(shù)中進(jìn)行配置，傳入計(jì)算模塊。對(duì)于整個(gè)事故后果評(píng)價(jià)程序，只要這些參數(shù)的輸入值在算法使用范圍內(nèi)，均可計(jì)算輸出對(duì)應(yīng)的正確結(jié)果。控制參數(shù)取值范圍列于表1。

表1 控制參數(shù)取值范圍Table 1 Ranges of control parameters

4 結(jié)論

為了適應(yīng)目前主流的計(jì)算機(jī)配置與軟件設(shè)計(jì)思想，開(kāi)發(fā)了新版應(yīng)急決策支持系統(tǒng)并進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。其中，在對(duì)事故后果評(píng)價(jià)程序的重新開(kāi)發(fā)中，對(duì)功能、邏輯結(jié)構(gòu)與接口設(shè)計(jì)均進(jìn)行了改進(jìn)。功能方面，在原來(lái)的基礎(chǔ)上添加了避遷、永久再定居以及食品及飲用水行動(dòng)決策，并可對(duì)操作干預(yù)水平進(jìn)行修訂。邏輯結(jié)構(gòu)方面，采用了瀏覽器／服務(wù)器框架結(jié)構(gòu)，顯著改善了程序運(yùn)行限制與維護(hù)代價(jià)，同時(shí)改進(jìn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，省略了大量文件讀寫，節(jié)約了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，顯著提高了運(yùn)行效率。接口設(shè)計(jì)方面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接口參數(shù)的統(tǒng)一管理，并對(duì)程序計(jì)算的控制參數(shù)進(jìn)行了擴(kuò)展，擴(kuò)大了程序的應(yīng)用范圍。

新版應(yīng)急決策支持系統(tǒng)將為我國(guó)核電廠事故應(yīng)急提供更加完善的定量技術(shù)支持，在降低公眾受照劑量、實(shí)現(xiàn)輻射防護(hù)最優(yōu)化方面有積極意義。

［1］ 曹建主，曲靜原.核事故后果的計(jì)算機(jī)評(píng)價(jià)模式現(xiàn)狀與新動(dòng)向［J］.輻射防護(hù)通訊，2000，20（4）：76-82.CAO Jianzhu，QU Jingyuan.Current status and tendency on the consequence assessment for nuclear accidents［J］.Radiation Protection Bulletin，2000，20（4）：76-82（in Chinese）.

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