基于部隊核事故后果分析的系統(tǒng)開發(fā)

袁偉，曲延濤，楊宏偉，左莉，陳顯波

（1.第二炮兵裝備研究院，北京 100085；2.中國原子能科學研究院，北京 102413）

基于部隊核事故后果分析的系統(tǒng)開發(fā)

袁偉1，曲延濤2，楊宏偉2，左莉1，陳顯波1

（1.第二炮兵裝備研究院，北京 100085；2.中國原子能科學研究院，北京 102413）

通過分析國內(nèi)核設施事故后果評價技術現(xiàn)狀及相關系統(tǒng)的功能特征，研究部隊核事故后果評價技術的發(fā)展情況，比較兩者在評價技術方法和功能模式上的異同點。在此基礎上，針對前期研制的一種適用于部隊核事故后果評價的軟件系統(tǒng)，在功能組成、開發(fā)應用和優(yōu)化升級等方面進行了探討，為部隊核武器事故后果評價技術發(fā)展提供了啟示。

核事故；后果評價；系統(tǒng)開發(fā)

當核設施發(fā)生嚴重的放射性物質泄漏事故時，有必要采取有針對性的行動措施減少或避免公眾可能受到的放射性照射。這些年來，國內(nèi)相關核工業(yè)單位在后果評價方面開展了一些有效的工作，取得了明顯的成效。同時，各個研究中心和科研機構也針對核設施運行狀況以及周邊環(huán)境條件，收集大量的資料信息獲得的實用數(shù)據(jù)能夠用于完善后果評價模型，也可對同類核事故應急處理提供處置行動建議，使人員和環(huán)境得到更好的保護。

軍隊武器雖然經(jīng)過長時間的發(fā)展，其安全性和可靠性得到了極大提升，但是仍無法完全避免事故的發(fā)生。一旦發(fā)生核事故，需要在較短時間內(nèi)進行事故后果評估，為后續(xù)應急處置行動提供決策建議。目前，國內(nèi)部隊核事故后果評價軟件系統(tǒng)的研究工作，還處于起步階段，許多基礎性的研究工作急需開展。本文主要針對前期研制的一種適用于部隊核事故后果評價的軟件系統(tǒng)，在功能組成、開發(fā)應用和優(yōu)化升級等方面進行了探討，為部隊核事故后果評價技術發(fā)展提供了一定的啟示。

1 民用核事故后果評價技術現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)研究的核事故后果評價系統(tǒng)可分為兩個階段。民用最早的核電站（大亞灣和秦山核電站）于20世紀80年代末研制的核事故后果評價軟件，可作為第一階段的典型代表。由于當時技術條件限制和科研水平薄弱，僅采取了比較簡單的分析方法，包括高斯煙羽大氣彌散模式和拉格朗日煙團模式。

其與現(xiàn)階段的分析水平相比已落后，并且與實際條件差別比較大［1］。

隨后，國內(nèi)逐漸出現(xiàn)了以地理信息系統(tǒng)為平臺的核事故后果評價分析系統(tǒng)，可作為第2階段的代表。這類系統(tǒng)結合核事故發(fā)生區(qū)域的實際地理環(huán)境條件，發(fā)展了不同風場的預報模式，大氣彌散主要采用三維蒙特卡羅粒子模式，劑量模塊包括有預期劑量、可防止劑量的計算等。系統(tǒng)分析結果貼近實際事故場景，計算誤差較小，已取代了早期評價系統(tǒng)。

2 部隊核事故后果評價特點

由于軍隊武器自身的特殊性，因此其發(fā)生核事故與民用核設施核事故相比，在后果評價方面具有以下顯著特點：

2.1 事故評價的源項核素特殊

核設施使用的核燃料鈾235的豐度僅占3%～5%，而軍隊武器中所使用的鈾材料，鈾235的豐度達90%以上。軍隊武器中還使用了極毒钚材料部件，钚是一種具有強放射性的物質，其致死劑量為0.6微克。另外，還含有滲透性很強的氚材料，對防護要求很高。

2.2 事故后果評價模式復雜

核電站、核設施主要發(fā)生放射性物質泄漏、堆芯熔化等事故，釋放源為穩(wěn)定源，可采用近似模型進行分析。而軍隊武器中含有大量的火工品和炸藥部件，一旦發(fā)生爆炸等事故，放射性物質隨著爆炸產(chǎn)物瞬間釋放出來，初始狀態(tài)物質擴散模型不易建立，放射性物質運動規(guī)律和軌跡難以模擬。

2.3 事故后果評估技術要求高

軍隊武器是集高、精、尖技術于一體的武器裝備，內(nèi)部結構精細，事故誘因多，事故機理復雜。一旦發(fā)生事故，對事故后果評估的全面性和準確性有很高的技術要求，需要建立準確的評估技術方法以指導后續(xù)應急處置行動。

3 系統(tǒng)主要功能

3.1 系統(tǒng)介紹

多年來結合部隊開展的核事故后果評價研究工作，在“十二五”初期通過與中國原子能科學研究院合作，開發(fā)研制了一套適用于軍隊武器事故后果評價軟件系統(tǒng)，適用于軍隊武器作戰(zhàn)使用過程中發(fā)生核事故的機理及模擬技術研究，能夠對主要核事故類型的影響因素及產(chǎn)生的影響進行預測，為軍隊武器使用安全研究提供基礎技術支持（圖1）。

該軟件系統(tǒng)主要用途包括：能夠提供主要事故（地面和近地面化爆、核材料泄露、火災等事故模式）計算模塊及接入接口；能夠提供各種典型源項輸入模塊接口；能夠根據(jù)氣象站的觀測數(shù)據(jù)進行風場預報計算，給出預報溫度場、湍能、風場和壓強的具體分布；能夠根據(jù)預報的風場和氣流特點，分析給出核事故條件下氣溶膠的運動過程、煙羽濃度梯度分布；可對應急處置人員輻照評估和公眾劑量后果評價；能夠在數(shù)據(jù)地圖上同步展現(xiàn)二維的計算結果；能夠在數(shù)據(jù)地圖上同步展現(xiàn)三維空間氣溶膠擴散沉降情況；報告、報表生成管理功能。

3.2 模塊組成

該系統(tǒng)主要包括源項數(shù)據(jù)模塊、地理信息模塊、氣象診斷模塊、氣象預報模塊、污染物擴散模塊、后果評價模塊、對策優(yōu)化模塊和實時圖形展示模塊等部分。模塊之間的相互串聯(lián)以Net Framework微軟官方版本為平臺，以VC作為開發(fā)程序語言，以SQL Server作為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（圖2）。

3.3 模塊功能

3.3.1源項數(shù)據(jù)模塊

針對軍隊武器不同的事故情景模式（爆炸、火燒、放射性泄漏等），開發(fā)不同的源項數(shù)據(jù)，這是整個系統(tǒng)評價的核心。爆炸源項描述地面或高空爆炸事故產(chǎn)生的瞬時高溫放射性物質，主要數(shù)據(jù)包括爆炸當量、爆炸相對地面高度、釋放核素分類、放射性核素釋放量等；火燒源項描述火災事故產(chǎn)生的連續(xù)高溫放射性物質，主要數(shù)據(jù)包括燃燒物質種類，燃燒量、燃燒時間、釋放核素分類、放射性核素釋放量等；放射性泄漏源項主要包括放射性核素釋放高度、釋放功率、釋放速率、釋放核素分類、釋放量、事故時間等［2］（圖3）。

3.3.2地理信息模塊

基于事故發(fā)生區(qū)域的ArcGIS9.0地理信息（包括人口分布、特殊單位、公鐵路分布、高程參數(shù)）的數(shù)據(jù)管理平臺，既能夠方便儲存、修改、更新和查詢數(shù)據(jù)，也能夠定制應急有關的技術數(shù)據(jù)，并且為輔助決策以及應急評估提供有力的數(shù)據(jù)服務（圖4）。

3.3.3氣象診斷模塊

無論是定性分析放射性氣溶膠的運動情況，還是氣溶膠分布模式定量分析，都需要掌握當?shù)禺敃r的氣象數(shù)據(jù)。在地面粗糙度較高情況下，邊界層周圍的風場的時空變化很大。風場診斷結果的準確性，取決于實際測量風場的精度、密度以及代表性。在中尺度風場問題分析中，由于實際條件所限，在一個模擬范圍內(nèi)不易獲得數(shù)個風速輪廓的測量數(shù)據(jù)，一般利用地面風的觀測數(shù)據(jù)向上推演，以代替風速輪廓線［3］。本系統(tǒng)的風場診斷模塊可以處理100 km×100 km范圍，高2 000m的區(qū)域風場診斷問題，計算精度取決于計算區(qū)域的氣象觀測站點的密度和高質量的氣象觀測數(shù)據(jù)（圖5）。

3.3.4氣象預報模塊

核事故應急響應、評價分析中涉及的預報風場，一般是中等尺度的氣象模擬。中尺度可定義為水平尺度比天氣尺度小，但比單個積云尺度要大的尺度。水平尺度從幾公里到幾百公里，時間尺度約為1到12 h，垂直尺度則從幾十米到整個對流層。本系統(tǒng)采用非靜力、完成可壓動力學模型和交錯網(wǎng)格技術，根據(jù)氣象特征、初始風場、邊界條件預報24 h內(nèi)的三維風場演變情況［4］。預報風場模塊采用風場診斷模塊的結果作為初始風場，氣象特征需要用戶進行選擇和輸入，計算區(qū)域要小于風場診斷的區(qū)域，默認為80 km× 80 km。

3.3.5污染物擴散模塊

采用粒子隨機游走模式來模擬放射性污染物在大氣中的擴散，該模式可以模擬復雜形狀源項在復雜地形情況下的擴散問題，適用面廣，計算精度高，并可以跟蹤污染物的遷移軌跡，能夠為三維動態(tài)展示提供數(shù)據(jù)。系統(tǒng)還通過不同精度計算網(wǎng)格的給出，反映污染物的不同濃度，包括近地面煙云的即時濃度、近地面煙云的積累濃度、地面沉積濃度和地面濕沉積濃度等（圖6）。

3.3.6后果評價模塊

核事故后果評價的根本目的是評價核事故后產(chǎn)生的大量放射性污染物對人的影響，在輻射防護中采用當量劑量這個物理量來評價不同輻射對人體不同組織器官的影響，對不同組織器官的當量劑量進行加權平均就得到有效當量劑量。評價事故后放射性物質通過不同途徑對人的有效劑量是事故后果評價的重要任務。本系統(tǒng)根據(jù)污染物的擴散濃度，沉積濃度，計算不同途徑的有效劑量，包括空氣浸沒外照射劑量率（各組織器官的劑量）、地面沉積外照射劑量率（干沉積和濕沉積后各組織器官的劑量）、吸入內(nèi)照射劑量（各組織器官的劑量）和食入內(nèi)照射劑量（各組織器官的劑量）（圖7）。

3.3.7對策優(yōu)化模塊

該模塊的實現(xiàn)主要分3步完成：第1步主要為生成對策，對策的生成將結合后果評價的計算結果和地理基礎信息來完成，生成每個網(wǎng)格可能的行動方案；第2步是在考慮各種相關因素的條件下，用各種不同的優(yōu)化評估方法對可能的對策進行優(yōu)化評估和排序，得到盡可能優(yōu)的決策方案；第3步對各種優(yōu)化后的決策方案做進一步的代價分析、對比和排序，以供決策者參考。

3.3.8實時圖形展示模塊

該模塊能夠實現(xiàn)對空間相關數(shù)據(jù)的表現(xiàn)。二維渲染圖包括地面沉積濃度、近地表時間積分濃度、空氣浸沒劑量率、地面沉積劑量率和吸入劑量的計算結果，渲染圖將用不同顏色標注計算結果的大小，并用等值線給出不同結果的分布區(qū)域。三維擴散效果圖采用三維模擬對風場和放射性污染物擴散軌跡進行展示，風場將在ArcGIS地圖的網(wǎng)格點上用帶箭頭的線段表示，線段的長度表示風的大小，箭頭指向風的方向，污染物的擴散軌跡將用帶顏色的小球模擬污染物粒子的運動［5-6］。

4 結論

運用計算機軟件平臺及有關程序語言，筆者開發(fā)完成了適用于部隊使用的核事故后果仿真分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡便且功能實用，充分發(fā)揮了ArcGIS9.0軟件在地理空間數(shù)據(jù)管理和分析方面的優(yōu)勢，易于部隊核應急專業(yè)人員學習掌握，為開展核事故的物理模型、發(fā)生模式和影響因素分析，以及大空間尺度事故模擬技術的研究提供技術支持。在“十二五”初期該套軟件已通過驗收，下階段的主要工作將重點圍繞軍隊武器不同核事故場景條件下的源項數(shù)據(jù)（如放射性核素釋放高度、釋放功率、釋放速率、釋放核素分類和釋放量等）以及積累局部地區(qū)氣象數(shù)據(jù)，開展進一步深入研究和探討。

［1］王醒宇，康凌.核事故后果評價方法及其新發(fā)展［M］.北京：原子能出版社，2003.

［2］胡二邦.大氣環(huán)境研究若干領域的動態(tài)與進展［J］.輻射防護通訊，2001，21（6）:13-21.

［3］曲靜原，曹建主.RODOS4.0與RODOS的未來發(fā)展［J］.輻射防護，2002，22（4）:2-8.

［4］田鋼，王醒宇.廣東省核電站核事故場外后果預測評價系統(tǒng)［J］.輻射防護，2001，21（4）:17-21.

［5］李紅，徐火根，陳立航，等.核設施正常工況下氣載放射性排出物環(huán)境影響評價軟件的設計與開發(fā)［J］.核動力工程，2003，21（4）:209-212.

［6］樊申.秦山核電廠全廠斷電事故研究和廠外后果分析［D］.北京：中國原子能科學研究院，2005.

The system development of consequence analysis for arm y nuclear accident

YUANWei，QU Yan-tao，YANG Hong-wei，ZUO Li，CHEN Xian-bo

（1.The Secondary Artillery Equipment Academy，Beijing 100085，China；
2.China Atomic Energy Institute，Beijing 102413，China）

Through the analysis of the assessment technique and the function characteristics of related system，domestic nuclear facilities accident consequence，assessment technique for army nuclear accident consequence was studied and the difference between the two evaluation methods were also compared.On this basis，the function，the application and the optimization of a software system that was developed for army was discussed.All of these will provide suggestion for the nuclear weapon accident consequence assessment.

nuclear accident；consequence assessment；system development

P631.1+2

A

1672-0636（2014）02-0120-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2014.02.010

2013-04-19；

2013-04-27

袁偉（1983—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：輻射防護。

E-mail:wjg.0031@163.com