核燃料循環(huán)設(shè)施煙囪排放高度優(yōu)化研究

盛青，汪萍，滕柯延，林櫻，王一川，呂彩霞，張露

(1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；2.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心，北京 100012)

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核燃料循環(huán)設(shè)施煙囪排放高度優(yōu)化研究

盛青1，汪萍1，滕柯延1，林櫻2，王一川1，呂彩霞1，張露1

(1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；2.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心，北京 100012)

為進(jìn)一步優(yōu)化核設(shè)施氣載流出物煙囪排放高度，統(tǒng)籌考慮環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，采用CAIRDOS程序模擬預(yù)測7種排放高度情景下，某核設(shè)施氣載流出物所致廠址5 km范圍內(nèi)長期大氣彌散因子和所致公眾個(gè)人有效劑量的分布。研究結(jié)果表明，核燃料循環(huán)設(shè)施流出物對環(huán)境和公眾影響較大的放射性核素為U-234，長期彌散因子和所致公眾個(gè)人有效劑量最大值均出現(xiàn)在東南東(ESE)方位。10 m、30 m和60 m煙囪下所致公眾個(gè)人有效劑量的峰值分別為80 m煙囪的6.78倍、3.41倍和1.60倍，因此增加煙囪高度可有效減少公眾個(gè)人有效劑量。150 m和200 m煙囪下所致公眾個(gè)人有效劑量的峰值分別為80 m煙囪的39.32%和32.51%，因而過高的煙囪可進(jìn)一步減少公眾個(gè)人有效劑量，但劑量的減小幅度明顯小于煙囪高度的增加幅度。綜合考慮環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)效益，一般情況下，核設(shè)施優(yōu)先考慮的煙囪高度為80 m。

核燃料循環(huán)設(shè)施；CAIRDOS程序；煙囪高度；環(huán)境影響

核燃料循環(huán)設(shè)施運(yùn)行過程中的氣載流出物經(jīng)煙囪向環(huán)境釋放，通過大氣彌散對周邊環(huán)境和公眾產(chǎn)生一定影響[1-3]。從輻射環(huán)境影響角度分析，煙囪越高，氣載流出物的彌散程度就越大，其對公眾和環(huán)境的影響也就越小[4-5]，但考慮煙囪造價(jià)一般與高度的平方成正比[5]，過高的煙囪不僅會(huì)加重企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還會(huì)對周邊景觀環(huán)境造成負(fù)面影響[6-7]。當(dāng)前我國核設(shè)施煙囪高度缺乏明確的設(shè)計(jì)規(guī)范，大部分新建煙囪沒有經(jīng)過科學(xué)合理的優(yōu)化分析，部分核設(shè)施廠址煙囪林立，高矮不一，給核工業(yè)的清潔能源產(chǎn)業(yè)形象帶來不利影響。因此，在核設(shè)施設(shè)計(jì)建造過程中，如何科學(xué)合理地確定煙囪高度，統(tǒng)籌考慮環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益[8-9]，成為核設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響的關(guān)注重點(diǎn)。

1 材料與方法

本文采用CAIRDOS[10]程序?qū)δ澈嗽O(shè)施化工生產(chǎn)線氣載流出物的輻射影響進(jìn)行計(jì)算。該程序采用國家核安全局推薦的高斯直線煙羽模型[11]計(jì)算放射性核素在大氣中的彌散過程。在估算放射性核素對公眾造成的輻射劑量時(shí)，考慮了放射性核素空氣浸沒外照射、地表沉積外照射、空氣吸入內(nèi)照射和食入內(nèi)照射等途徑[12-13]。該程序廣泛應(yīng)用于我國核設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目正常運(yùn)行工況輻射環(huán)境影響的計(jì)算，可估算評價(jià)范圍內(nèi)年均大氣彌散因子、核素濃度及所致公眾的年有效劑量值。本文通過比較不同釋放高度(煙囪高度)所致廠址周邊主要放射性核素的濃度和公眾個(gè)人有效劑量的分布及變化情況，提出煙囪高度優(yōu)化選擇的建議。

1.1 項(xiàng)目概況

該核設(shè)施化工生產(chǎn)工程擬建一煙囪，用于該工程正常運(yùn)行過程中氣載流出物(主要含富集度為5%的鈾氣溶膠)的排放，煙囪直徑3 m，廠址邊界為距煙囪300 m的圓形邊界。設(shè)計(jì)排放量為1.20×109Bq/a，主要釋放核素為U-234、U-235和U-238，排放量分別為1.06×109Bq/a、3.47×107Bq/a和1.02×108Bq/a。

1.2 氣象條件及預(yù)測方案

圖1為廠址所在地氣象站2011—2013年地面風(fēng)玫瑰圖。廠址所在地氣象站2011—2013年連續(xù)3年觀測資料顯示，年平均風(fēng)速為2 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅蔽?WNW)至西北北(NNW)之間，風(fēng)頻之和為43.7%，其中WNW風(fēng)向?yàn)?0.5%，年靜風(fēng)頻率為9.1%。該地年均總降水量為951.6 mm，不同風(fēng)向的年均降水量如圖2所示。

圖1 地面風(fēng)頻分布特征Fig.1 Distribution characteristics of ground wind frequency

圖2 降雨分布特征Fig.2 Distribution characteristics of rainfall

本文將擬建煙囪高度設(shè)計(jì)為10 m、30 m、60 m、80 m、100 m、150 m和200 m，分別進(jìn)行模擬計(jì)算，以獲得一個(gè)排放效果較好、影響較低的優(yōu)化高度。

2 結(jié)果與分析

經(jīng)計(jì)算，該工程對80 km范圍內(nèi)東南東(ESE)方位的公眾輻射影響貢獻(xiàn)最大，主要核素為U-234，因此本文主要選取U-234核素ESE方位5 km范圍內(nèi)的長期彌散因子及其所致公眾個(gè)人有效劑量值和個(gè)人有效劑量大于1 μSv/a的區(qū)域數(shù)量(不考慮人口分布的實(shí)際情況，該值可表征所致公眾集體有效劑量)進(jìn)行比較，同時(shí)選取東北(NE)、西南(SW)和西北(NW)3個(gè)方位對比分析。并將煙囪高度按照低矮煙囪、高煙囪和特高煙囪分別進(jìn)行比較，其中低矮煙指高度為10 m和30 m，高煙囪指高度為60 m、80 m和100 m，特高煙囪指高度為150 m和200 m。

2.1 低矮煙囪與高煙囪

10 m、30 m、60 m和80 m煙囪高度下，ESE、NE、SW和NW方位的U-234長期彌散因子分布如圖3所示，各方位的公眾個(gè)人有效劑量分布如圖4所示，ESE方位各距離處的U-234核素所致公眾個(gè)人有效劑量值如表1所示。

圖3 10～80 m煙囪高度下的U-234長期彌散因子分布Fig.3 Long term dispersion factor distribution of U-234 at the stack height of 10-80 m

圖4 不同煙囪高度下的公眾個(gè)人有效劑量分布Fig.4 Public personal effective dose at different stack heights

煙囪高度/m不同距離處的公眾個(gè)人有效劑量/(μSv/a)0.3km0.5km1km1.5km2km3km4km5km102.19×101.54×106.333.452.181.511.118.71×10-1301.10×1019.894.652.591.651.158.50×10-16.71×10-1603.435.163.382.031.349.46×10-17.07×10-15.68×10-1801.833.232.761.771.208.60×10-16.54×10-15.26×10-1

由圖3可以看出，各方位U-234長期彌散因子分布基本呈現(xiàn)近大遠(yuǎn)小的趨勢。0～3 km范圍內(nèi)，U-234濃度值變化為10 m >30 m >60 m >80 m，3 km外基本趨于一致。從峰值來看，10 m煙囪高度長期彌散因子峰值為7.29×10-6s/m3，位于廠址邊界0.3 km處；30 m煙囪高度峰值為3.48×10-6s/m3，位于廠址邊界0.3 km處；60 m煙囪高度峰值為1.59×10-6s/m3，位于廠址邊界0.5 km處；80 m煙囪高度峰值9.14×10-7s/m3，位于廠址邊界0.5 km處。高煙囪將導(dǎo)致地面核素濃度峰值由廠址邊界外延到0.5 km處。10 m煙囪所致地面濃度峰值約為60 m煙囪的5倍，約為80 m煙囪的8倍，表明相較于低矮煙囪，高煙囪可以有效降低核素地面峰值濃度。

對于公眾個(gè)人有效劑量，由表1、圖4中可以看出：①針對公眾最大個(gè)人有效劑量值，10 m煙囪高度下為21.9 μSv/a，約為30 m高度11 μSv/a的2倍、60 m煙囪高度5.16 μSv/a的4.2倍、80 m煙囪高度3.23 μSv/a的6.78倍。②10 m煙囪高度下，5 km范圍內(nèi)公眾個(gè)人有效劑量大于1 μSv/a的區(qū)域共52個(gè)，約占全部區(qū)域數(shù)量的32.5%；30 m煙囪高度下共45個(gè)，約占全部區(qū)域數(shù)量的28.1%；60 m煙囪高度下共29個(gè)，約占全部區(qū)域數(shù)量的18.1%；80 m煙囪高度下共17個(gè)，約占全部區(qū)域的10.63%。80 m高度下高值區(qū)個(gè)數(shù)約為10 m高度的32.69%，30 m高度的37.78%，表明相較于低矮煙囪，高煙囪可有效減少公眾個(gè)人有效劑量的高值區(qū)域。

2.2 高煙囪與特高煙囪

在80m、100 m、150 m和200 m煙囪高度下，ESE、NE、SW和NW方位U-234核素的長期彌散因子分布如圖5所示，各方位的公眾個(gè)人有效劑量如圖6所示，ESE方位各距離處的U-234核素所致公眾個(gè)人有效劑量如表2所示。

圖5 80～200 m煙囪高度下的U-234長期彌散因子分布Fig.5 Long term dispersion factor distribution of U-234 at the stack height of 80-200 m

圖6 80～200 m煙囪高度下的公眾個(gè)人有效劑量分布Fig.6 Public personal effective dose at the stack height of 80-200 m

煙囪高度/m不同距離處的公眾個(gè)人有效劑量/(μSv/a)0.3km0.5km1km1.5km2km3km4km5km801.833.232.761.771.208.60×10-16.54×10-15.26×10-11001.302.022.231.551.087.90×10-16.11×10-14.93×10-11501.088.60×10-11.271.108.46×10-16.51×10-15.12×10-14.14×10-12001.056.71×10-17.28×10-17.67×10-16.58×10-15.38×10-14.40×10-13.67×10-1

由圖5可以看出，100 m和150 m煙囪高度下的U-234核素長期彌散因子峰值位于1 km處，200 m煙囪高度下的長期彌散因子峰值又外延至1.5 km。U-234核素長期彌散因子的分布趨勢為80 m>100 m>150 m>200 m。100 m、150 m和200 m煙囪高度下長期彌散因子峰值為6.72×10-7s/m3、3.36×10-7s/m3和1.96×10-7s/m3，分別為80 m煙囪高度峰值的73.52%、36.76%和21.44%。

關(guān)于公眾個(gè)人有效劑量，由表2、圖6可以看出：①100 m煙囪高度下的公眾最大個(gè)人有效劑量值為2.23 μSv/a，150 m煙囪高度下為1.27 μSv/a，200 m煙囪高度下為1.05 μSv/a，分別為80 m煙囪高度的69.04%、39.32%和32.51%，說明過高的煙囪對于降低公眾個(gè)人有效劑量并不明顯。②100 m煙囪高度下，5 km范圍內(nèi)公眾個(gè)人有效劑量大于1 μSv/a的區(qū)域(高值區(qū))共12個(gè)，約占全部區(qū)域的7.5%；150 m高度下共6個(gè)，約占全部區(qū)域的3.75%；200 m高度下共2個(gè)，約占全部區(qū)域的1.25%。

綜合上述分析可知，隨著煙囪高度的增加，公眾最大個(gè)人有效劑量在逐漸減小。但與此同時(shí)，煙囪高度由10 m到80 m增加了70 m，公眾最大個(gè)人有效劑量由21.9 μSv下降到1.83 μSv，下降了近11倍；而從80 m到200 m增加了120 m，公眾最大個(gè)人有效劑量僅由1.83 μSv降到1.05 μSv，僅下降了74.28%，降幅明顯趨緩。因此，建設(shè)過高的煙囪并不能顯著降低公眾個(gè)人有效劑量。

3 結(jié)論

(1)核燃料循環(huán)設(shè)施煙囪的高度對廠址近區(qū)(3 km范圍內(nèi))的影響較為明顯，煙囪越高，氣載流出物在環(huán)境中越能得到足夠的稀釋彌散，其所致公眾個(gè)人有效劑量的峰值濃度和高值區(qū)域也越少，對環(huán)境和公眾的影響也就越小。公眾個(gè)人有效劑量高值區(qū)域的減少可有效減少廠址周邊公眾集體有效劑量水平。

(2)相比于80 m煙囪高度，10 m煙囪下，其所致公眾個(gè)人有效劑量的最大值和高值區(qū)分別為80 m煙囪的6.78倍和3.1倍；30 m煙囪和60 m煙囪下所致公眾個(gè)人有效劑量的最大值和高值區(qū)分別為80 m煙囪的3.41倍、2.65倍和1.60倍、1.71倍。高煙囪可有效減少公眾個(gè)人有效劑量峰值和公眾集體有效劑量水平。

(3)150 m和200 m煙囪下所致公眾個(gè)人有效劑量的最大值為80 m煙囪的39.32%和32.51%。煙囪高度由10 m到80 m增加了70 m，公眾最大個(gè)人有效劑量下降了近11倍；而從80 m到200 m增加了120 m，公眾最大個(gè)人有效劑量僅下降了74.28%。因而過高的煙囪可進(jìn)一步減少公眾個(gè)人有效劑量，但劑量的減小幅度明顯小于煙囪高度的增加幅度，并會(huì)將峰值區(qū)域向外擴(kuò)展，增加對距離廠址較遠(yuǎn)公眾的輻射影響，而且其建造成本也會(huì)成倍增加，并對周邊的景觀環(huán)境會(huì)帶來不利影響。因而對于本工程，建議煙囪建設(shè)高度設(shè)定為80 m，可使環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益相協(xié)調(diào)。

(4)由于本次計(jì)算假設(shè)人口平均分布，與大部分核設(shè)施廠址周圍近區(qū)人口較為稀少、遠(yuǎn)區(qū)人口較為稠密的實(shí)際情況不一致，因此在項(xiàng)目的具體實(shí)施過程中，項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的排放源項(xiàng)和廠址氣象條件及周邊人口分布情況對煙囪的排放高度進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化論證。

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Study of Optimal Stack Height in Nuclear Fuel Cycle Facilities

SHENG Qing1, WANG Ping1, TENG Ke-yan1, LIN Ying2, WANG Yi-chuan1, LYU Cai-xia1, ZHANG Lu1

(1.Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082, China; 2.Appraisal Center for Environment & Engineering, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100021, China)

In order to further optimize the stack height in nuclear facilities by considering environmental and economic benefits as a whole, the CAIRDOS program is used to study the distribution of long term atmospheric dispersion factor and public personal effective dose within 5 km range of the facility under simulation scenarios of seven different emission altitudes in nuclear fuel cycle facilities. The results showed that the radionuclide U-234 has greater public effect among the effluents of nuclear fuel cycle facilities, and the greatest values of both long term atmospheric dispersion factor and public personal effective dose were found in ESE orientation. Peak values of public personal effective dose at the stack height of 10 m, 30 m and 60 m were 6.78, 3.41 and 1.60 times of that at the stack height of 80 m respectively, which suggested that the high stack can effectively reduce the public personal effective dose. However, peak values of public personal effective dose at the stack height of 150 m and 200 m were 39.32% and 32.51%of that at the stack height of 80 m respectively. Thus, high chimney can further reduce the public personal effective dose, but the decreased amplitude of dose is less than the growth of the stack height. Considering the environmental impact and economic benefits, the optimal stack height of nuclear facilities is 80 m.

nuclear fuel cycle facilities; CAIRDOS program; stack height; environmental impact

2016-08-25

本文由“受放射性污染土壤的評價(jià)與污染治理方法研究”(社會(huì)公益研究專項(xiàng)計(jì)劃)資助

盛青(1987—)，男，江蘇宿遷人，工程師，碩士，研究方向?yàn)檩椛浞雷o(hù)與環(huán)境影響評價(jià)，E-mail：shengqing0228@163.com

王一川(1984—)，女，河北灤縣人，工程師，碩士，研究方向?yàn)檩椛浞雷o(hù)與環(huán)境影響評價(jià)，E-mail：wangyichuan@chinansc.cn

10.14068/j.ceia.2017.04.014

X701

A

2095-6444(2017)04-0060-06