Đánh giá số hạng nguồn phóng xạ phát thải từ nhà máy điện hạt nhân ninh thuận i và phân bố liều bức xạ trong điều kiện nhà máy hoạt động bình thường sử dụng bộ phần mềm nrcdose72

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KỸ THUẬT HẠT NHÂN VÀ VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG
------------***------------

MÃ VĂN QUANG

ĐÁNH GIÁ SỐ HẠNG NGUỒN PHÓNG XẠ PHÁT THẢI TỪ NHÀ
MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN NINH THUẬN I VÀ PHÂN BỐ LIỀU BỨC
XẠ TRONG ĐIỀU KIỆN NHÀ MÁY HOẠT ĐỘNG BÌNH THƯỜNG
SỬ DỤNG BỘ PHẦN MỀM NRCDOSE72

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - 2017


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KỸ THUẬT HẠT NHÂN VÀ VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG
------------***------------

MÃ VĂN QUANG

ĐÁNH GIÁ SỐ HẠNG NGUỒN PHÓNG XẠ PHÁT THẢI TỪ
NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN NINH THUẬN I VÀ PHÂN BỐ
LIỀU BỨC XẠ TRONG ĐIỀU KIỆN NHÀ MÁY HOẠT ĐỘNG
BÌNH THƯỜNG SỬ DỤNG BỘ PHẦN MỀM NRCDOSE72

Chuyên ngành: Kỹ thuật hạt nhân
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Tuấn Khải

Hà Nội - 2017
2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng, luận văn thạc sĩ khoa học “Đánh giá số hạng nguồn phóng
xạ phát thải từ nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận I và phân bố liều bức xạ trong
điều kiện nhà máy hoạt động bình thường sử dụng bộ phần mềm NRCDOSE72” là
cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.
Những số liệu được sử dụng trong luận văn là trung thực được chỉ rõ nguồn trích
dẫn. Kết quả nghiên cứu này chưa được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào
từ trước đến nay.
Tơi xin chịu mọi trách nhiệm về cơng trình nghiên cứu của riêng mình !

Học viên

Mã Văn Quang

3


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Tuấn Khải
– Cục trưởng Cục An toàn bức xạ và hạt nhân – Bộ KH&CN đã tận tình hướng dẫn,
định hướng và tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn này.
Tơi cũng xin cảm ơn các cán bộ trong Trung tâm An tồn bức xạ và Trung tâm
Quan trắc Phóng xạ và Đánh giá tác động Môi trường - Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt

nhân đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo trong Viện kỹ thuật hạt nhân và Vật
lý môi trường đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập tại đây.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã ln cổ vũ, giúp đỡ tơi để
hồn thành luận văn thạc sỹ này.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 02 tháng 9 năm 2017
Học viên

Mã Văn Quang

4


MỤC LỤC
DANH MỤC VIẾT TẮT................................................................................................. 7
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................ 8
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... 9
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 10
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA MƠ HÌNH PHÁT TÁN
PHĨNG XẠ TRONG MƠI TRƯỜNG KHÍ ................................................................. 13
1.1. Phương trình cơ bản để tính nồng độ chất ơ nhiễm trong khí quyển ..................... 13
1.2. Cơ sở lý thuyết của mơ hình Gauss ........................................................................14
1.2.1. Cơng thức cơ sở ............................................................................................14
1.2.2. Sự phát tán khí từ nguồn liên tục ..................................................................18
1.2.3. Các điều kiện khí tượng ................................................................................20
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ PHẦN MỀM NRCDOSE 72 ............................. 22
2.1. Phần mềm XOQDOQ .............................................................................................22
2.1.1. Cấu trúc và chức năng của phần mềm XOQDOQ........................................22
2.2.2. Số liệu đầu vào (Data Input) đối với phần mềm XOQDOQ ........................24

2.2. Phần mềm GASPAR2 ............................................................................................25
2.2.1. Cấu trúc và chức năng của phần mềm GASPAR 2 ......................................25
2.2.2. Số liệu đầu vào đối với phần mềm GASPAR2.............................................29
2.3. Phần mềm GALE ...................................................................................................30
2.3.1. Giới thiệu về GALE ......................................................................................30
2.3.2. Các tham số đầu vào của phần mềm GALE .................................................33
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ SỐ HẠNG NGUỒN PHÁT THẢI
PHÓNG XẠ TRONG HOẠT ĐỘNG CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN ............. 34
3.1. Các nguồn phóng xạ trong nhà máy điện hạt nhân ................................................34
3.2. Đặc trưng của lò phản ứng VVER-1000 đề xuất cho dự án ĐHN Ninh Thuận 1 ..36
5


3.3. Kết quả tính tốn số hạng nguồn phát thải sử dụng phần mềm GALE ..................38
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG INPUT CHO NRCDOSE 72 ............................................ 42
4.1. Số liệu khí tượng ....................................................................................................42
4.2. Số liệu địa hình .......................................................................................................49
4.3. Xây dựng bộ các số liệu phân bố dân cư ................................................................51
4.4. Số liệu về sản suất nơng nghiệp và chăn ni ........................................................53
4.5. Kết quả tính tốn phân bố liều đối với mơi trường khí ..........................................55
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 64

6


DANH MỤC VIẾT TẮT
ANS

American Nuclear Society

Hiệp hội hạt nhân Hoa Kỳ

BWR

Boiling Water Reactor

Lị phản ứng nước sơi

ECCS

Emergency Core Cooling Hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn
cấp
Systems

IAEA

International Atomic Energy Cơ quan Năng lượng nguyên tử
Agency

ICRP

quốc tế

International Commission on Ủy ban quốc tế về an tồn bức xạ
Radiological Protection

KTTV

Khí tượng thủy văn

NMĐHN

Nhà máy điện hạt nhân

NOAA

National

and Cơ quan quốc gia quản lý biển và

Oceanic

Atmospheric Administration
RCTS

khơng khí Hoa Kỳ

Reactor Coolant Treatment Hệ thống xử lý nước làm mát lò
Systems

phản ứng

PWR

Pressurized Water Reactor

Lò phản ứng nước áp lực

RCS

Reactor Cooling System

Hệ thống tải nhiệt vùng hoạt

SAR

Safety Assessment Report

Báo cáo phân tích an tồn

UNSCEAR

United

Nation

Scientific Ủy ban khoa học Liên Hiệp Quốc về

Committee on the Effects of những ảnh hưởng của bức xạ
Atomic Radiations
U.S NRC

United

States

nguyên tử
Nuclear Ủy ban pháp quy hạt nhân Hoa Kỳ

Regulatory Commission

7


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Biểu đồ luồng khói bằng các khối phụt tức thời và liên tục .......................... 15
Hình 1.2: Độ khuếch tán theo phương nằm ngang

phụ thuộc vào khoảng cách theo

chiều gió từ một nguồn điểm đối với các loại ổn định khí quyển khác nhau. ............... 17
Hình 1.3: Độ khuếch tán theo phương thẳng đứng
phụ thuộc vào khoảng cách theo
chiều gió từ một nguồn điểm đối với các loại ổn định khí quyển khác nhau. ............... 18
Hình 1.4: Mơ hình luồng khí Gauss đối với một nguồn điểm liên tục .......................... 19
Hình 2.1: Cấu trúc của phần mềm XOQDOQ ............................................................... 25
Hình 2.2: Cấu trúc của phần mềm GASPAR2 .............................................................. 30
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống bảo vệ theo chiều sâu ........................................................... 35
Hình 4.1: 16 hướng gió trong cơ sở số liệu của XOQDOQ .......................................... 42
Hình 4.2: Kết quả thu được từ phần mềm vẽ hoa gió WRPLOT View ........................ 43
Hình 4.3: Phân bố hoa gió dựa trên số liệu đo của trạm Phan Rang ............................. 44
Hình 4.4: Góc cao độ mặt trời ....................................................................................... 47
Hình 4.5: Góc lệch δ đối với các thời điểm trong năm ................................................. 47
Hình 4.6: Bản đồ địa hình với bán kính 50 dặm (80 km) .............................................. 50
Hình 4.7. Dữ liệu khí tượng trực tuyến NOAA ............................................................. 55
Hình 4.8. Kết quả X/Q trung bình hàng năm xung quanh nhà máy điện hạt nhân theo 10
khu vực .......................................................................................................................... 55
Hình 4.9: Phân bố các giá trị X/Q trong bán kinh 80 km từ nhà máy ........................... 57
Hình 4.10: Kết quả (D/Q) giá trị nồng độ rơi lắng tương đối xung quanh NMĐHN với
22 khoảng cách trong vòng 50 dặm xung quanh NMĐHN theo 16 hướng .................. 57

8


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các hệ số a, b,c, d trong cơng thức (1-11) .................................................... 16
Bảng 2.1: Tốc độ hít thở của các nhóm tuổi (m3/năm) ................................................. 28
Bảng 3.1: Các đặc trưng lò phản ứng AES 92 [6] ......................................................... 36
Bảng 3.2: Các tham số đầu vào của phần mềm GALE ................................................. 38
Bảng 3.3: Kết quả tính tốn số hạng nguồn đối với công nghệ VVER-1000 ............... 39
Bảng 4.1: Phân chia tốc độ gió [9] ................................................................................ 42
Bảng 4.2: Phương pháp Turner xác định giá trị PG ...................................................... 45
Bảng 4.3: Phân loại chỉ số bức xạ theo góc cao độ mặt trời ......................................... 45
Bảng 4.4: Các bước xác định chỉ số bức xạ ròng .......................................................... 46
Bảng 4.5: Kết quả đo và xử lý số liệu khí tượng tại trạm quan trắc Phan Rang trong thời
gian 5 năm (2009-2013) ................................................................................................ 48
Bảng 4.6: Ví dụ về số liệu địa hình trong vùng bán kính 1 dặm xung quanh vị trí xây
dựng NMĐHN Ninh Thuận 1........................................................................................ 51
Bảng 4.7: Số liệu dân số cấp huyện trong phạm vi 80km từ NMĐHN Ninh Thuận 1 . 52
Bảng 4.8: Phân bố dân số theo khu vực (người) ........................................................... 52
Bảng 4.9: Phân bố sản lượng nông nghiệp theo khu vực (kg/năm) .............................. 53
Bảng 4.10: Phân bố sản lượng thịt theo khu vực (kg/năm) ........................................... 54
Bảng 4.11: Kết quả liều dân chúng tổng cộng hàng năm trong bán kính 80 km .......... 58
Bảng 4.12: Liều dân số tổng cộng hàng năm gây bởi các hạt nhân phát thải ............... 59
Bảng 4.13: Liều hiệu dụng tổng cộng hàng năm đối với các cá nhân trong ................. 60
4 nhóm tuổi: Người lớn, thiếu niên, trẻ em và trẻ sơ sinh ............................................. 60

9

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Các nguồn năng lượng hóa thạch dễ sử dụng nhất như: dầu mỏ, than đá, khí đốt…
ngày càng cạn kiệt. Trong khi các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng mặt trời,
gió, nước… chưa được phát triển mạnh do hiệu quả chưa cao, cách thức sử dụng cịn
khá phức tạp và chi phí đắt đỏ thì năng lượng hạt nhân được biết đến là nguồn năng
lượng sạch giải quyết được các vấn đề mà các nguồn năng lượng khác chưa đáp ứng
được. Năng lượng hạt nhân là chìa khóa quan trọng nhằm góp phần duy trì và thúc đẩy
sự phát triển kinh tế - xã hội bền vững tại mỗi quốc gia.
Năm 2009, Quốc hội nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam đã thông qua
chủ trương đầu tư Dự án điện hạt nhân Ninh Thuận với bốn tổ máy tại hai nhà máy điện
hạt nhân ở hai địa điểm khác nhau. Dự kiến, khi đi vào vận hành điện hạt nhân sẽ chiếm
20% tổng sản lượng điện của Việt Nam, một con số không nhỏ. Tuy nhiên, cuối năm
2016 do vấn đề điều kiện kinh tế và nguồn nhân lực chưa đáp ứng đủ điều kiện xây dựng
và vận hành nhà máy điện hạt nhân nên Quốc hội đồng ý dừng Dự án điện hạt nhân Ninh
Thuận. Để tái khởi động lại dự án này, việc chuẩn bị các điều kiện đảm bảo an toàn cho
nhà máy điện hạt nhân rất quan trọng và cần được xem xét đánh giá thấu đáo.
Khi đi vào hoạt động, NMĐHN sẽ phát thải các khí hiếm và nhân phóng xạ vào
khí quyển. Chất thải phóng xạ trong khí quyển trải qua các q trình phát tán trong
khơng khí và lắng đọng trên mặt đất sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường và con người. Do
đó, việc đánh giá q trình vận chuyển và phát tán của phóng xạ trong khí quyển và tính
tốn liều bức xạ đối với dân chúng là rất cần thiết, và là yêu cầu mang tính pháp quy đối
với một dự án điện hạt nhân. Đây là xuất xứ để luận văn đưa ra đề xuất đánh giá số hạng
nguồn và tính tốn phân bố liều bức xạ trong điều kiện hoạt động bình thường của nhà
máy điện hạt nhân Ninh Thuận I sử dụng bộ phần mềm NRCDose 72 do Cơ quan pháp
quy hạt nhân Hoa Kỳ cung cấp, có bản quyền để tính tốn.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu đặc điểm cơng nghệ lị phản ứng hạt nhân VVER-1000 làm thông số

đầu vào cho phần mềm đánh giá số hạng nguồn;
- Nghiên cứu các mơ hình phát tán phóng xạ trong khơng khí, các yếu tố đầu vào
của các phần mềm phát tán;
10


- Nghiên cứu, đánh giá các thông số đầu vào cho các phần mềm trong bộ phần mềm
NRC Dose 72;
- Phân tích, xử lý các thơng số về khí tượng: tốc độ gió, hướng gió, độ ổn định của
khí quyển và các yếu tố về địa hình…vv làm đầu vào cho phần mềm XOQDOQ,
GASPAR2.
- Phân tích, đánh giá số liệu đầu ra để so sánh với giá trị liều do cơ quan pháp quy
quy định cho dân chúng trong trường hợp nhà máy điện hạt nhân vận hành bình thường.
3. Đối tượng nghiên cứu
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 và bộ phần mềm tính tốn phát
tán phóng xạ trong khơng khí NRC Dose 72.
4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu tập trung trong phạm vi đối với lị phản ứng nước áp lực
(VVER), trong đó các vấn đề liên quan chủ yếu đến sự phát tán các đồng vị phóng xạ ra
ngồi khí quyển trong điều kiện vận hành bình thường của nhà máy điện hạt nhân.
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
Sử dụng bố phần mềm NRC Dose 72 đánh giá giá trị liều mà dân chúng nhận được
từ quá trình vận hành bình thường của nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận I với giá trị
liều quy định bởi Cơ quan pháp quy hạt nhân Việt Nam. Từ sự so sánh đánh giá để đưa
ra những khuyến cáo và những kết luận về tính an tồn bức xạ của cơng nghệ lị phản
ứng VVER–1000 đối với dự án điện hạt nhân Ninh Thuận 1.
6. Phương pháp nghiên cứu
• Phương pháp hồi cứu tài liệu: Nhằm thu thập tài liệu làm cơ sở lý luận cho nội
dung nghiên cứu. Tài liệu thu thập gồm có:
- Các tài liệu về sự phát triển của lĩnh vực điện hạt nhân trên thế giới, cũng như sự

cải tiến của các thế hệ lò phản ứng hạt nhân;
- Các quy định và tiêu chuẩn của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA),
Ủy ban pháp quy Hoa Kỳ (US.NRC), Cơ quan pháp quy Liên Bang Nga về việc đảm
bảo vận hành nhà máy điện hạt nhân;

11


- Các tài liệu về cơng nghệ lị phản ứng hạt nhân VVER của Liên Bang Nga bao
gồm VVER-1000, trong đó có đặc trưng thiết kế của nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận
I;
- Các tài liệu về tính tốn phát tốn phóng xạ trong mơi trường khơng khí trong
điều kiện nhà máy điện hạt nhân vận hành bình thường;
- Các tài liệu về phương pháp tính tốn của bộ phần mềm NRC Dose 72.
• Phương pháp tính tốn: Sử dụng chương trình tính tốn NRC Dose 72 để tính
tốn giá trị liều dân chúng nhận được trong điều kiện vận hành bình thường của nhà máy
điện hạt nhân. Phân tích, đánh giá kết quả thu được và so sánh với quy định của cơ quan
pháp quy Việt Nam.
7. Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm các phần sau:
- Phần mở đầu: Giới thiệu khái quát về đề tài, mục đích nghiên cứu, nhiệm vụ
nghiên cứu,…
- Phần kết quả nghiên cứu: Gồm 4 chương
 Chương 1: Nghiên cứu cơ sở khoa học của mơ hình phát tán phóng xạ trong mơi
trường khí.
 Chương 2: Tổng quan về gói phần mềm NRC Dose72
 Chương 3: Nghiên cứu cơ sở đánh giá số hạng nguồn phát thải phóng xạ trong
hoạt động của nhà máy điện hạt nhân.
 Chương 4: Xây dựng input cho phần mềm NCR Dose 72
- Tài liệu tham khảo.

- Phụ lục.

12


CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA MÔ HÌNH PHÁT TÁN
PHĨNG XẠ TRONG MƠI TRƯỜNG KHÍ
1.1.

Phương trình cơ bản để tính nồng độ chất ơ nhiễm trong khí quyển
Khi mơ tả q trình khuếch tán chất ơ nhiễm trong khơng khí bằng mơ hình tốn

học thì mức độ ô nhiễm không khí thường được đặc trưng bằng trị số nồng độ chất ô
nhiễm phân bố trong không gian và biến đổi theo thời gian. Trong trường hợp tổng qt,
trị số trung bình của nồng độ ơ nhiễm trong khơng khí phân bố theo thời gian và khơng
gian được mơ tả từ phương trình chuyển tải vật chất và biến đổi hoá học đầy đủ như sau
[10]:
∂C
∂C
∂C
∂C
+ u +v + w
=
∂t
∂x
∂y
∂z
∂
∂x

(k x

∂C
∂x

)+

∂
∂y

(k y

∂C

∂

∂y

∂z

)+

(k z

∂C

∂C

∂z

∂z

) + αC − αβC + wc

(1-1)

Trong đó:
• kx, ky, kz

: Các thành phần của hệ số khuếch tán rối theo các trục Ox, Oy, Oz.

• x, y, z

: Các thành phần toạ độ theo trục Ox, Oy, Oz.

• u,v,w

: Các thành phần vận tốc gió theo trục Ox, Oy, Oz.

• wc

: Vận tốc lắng đọng của các chất ơ nhiễm.

•C

: Nồng độ chất ơ nhiễm trong khơng khí.

•t

: Thời gian.

•

: Hệ số tính đến sự liên kết của chất ô nhiễm với các phần tử khác

của mơi trường khơng khí.
• 

: Hệ số tính đến sự biến đổi chất ô nhiễm thành các chất khác do

những q trình phản ứng hố học xảy ra trên đường lan truyền.
Tuy nhiên phương trình (1-1) trên rất phức tạp và nó chỉ là một hình thức mơ
phỏng sự lan truyền ô nhiễm. Trên thực tế để giải phương trình này người ta phải tiến
hành đơn giản hố trên cơ sở thừa nhận một số điều kiện gần đúng bằng cách đưa ra các
giả thuyết phù hợp với điều kiện cụ thể sau:
o

Nếu hướng gió trùng với trục Ox thì thành phần tốc độ gió chiếu lên trục

Oy sẽ bằng 0, có nghĩa là v = 0.
13


o

Tốc độ gió thẳng đứng thường nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ gió nên có

thể bỏ qua, có nghĩa là w = 0. Trong nhiều trường hợp, nếu xét bụi nhẹ thì Wc = 0 (trong
trường hợp bụi nặng thì lúc đó ta sẽ cho Wc 0).
o

Nếu bỏ qua hiện tượng chuyển pha (biến đổi hoá học) của chất ô nhiễm

cũng như không xét đến chất ô nhiễm được bổ sung trong quá trình khuếch tán thì
    0 . Như vậy sau các giả thiết và chấp nhận một số điều kiện gần đúng thì phương

trình ban đầu được viết dưới dạng là:
∂C
∂t

+u

∂C
∂x

=

∂
∂y

(k y

∂C

∂

∂y

∂z

)+

(k z

∂C
∂z

)

(1-2)

Đây là nghiệm của bài tốn lan truyền ơ nhiễm một chiều với nguồn thải Q. Cùng
với điều kiện biên x   thì C  0 (Nồng độ ơ nhiễm tại một điểm càng giảm khi điểm
càng tiến xa khỏi chân nguồn thải). Giải phương trình trên ta thu được kết quả sau:
Đối với bài tốn hai chiều ta có phương trình:
C(x, y, t) =

Q
4(πt)(kx ky )1/2

e

1 x2 y2
+
]
4t kx ky

− [

(1-3)

Đối với bài tốn 3 chiều ta có:
C(x, y, z, t) =

Q
8(πt)3/2 (kx ky 𝑘𝑧 )1/2

e

1 x2 y2 z2
+ +
]
4t kx ky kz

− [

(1-4)

Trong đó: Q là lượng phát thải chất ô nhiễm tại nguồn điểm tức thời.
1.2. Cơ sở lý thuyết của mơ hình Gauss
1.2.1. Cơng thức cơ sở
Lượng chất ơ nhiễm trong luồng khói có thể được xem như tổng hợp của vơ số
khói phụt tức thời, những khói phụt đó được gió mang đi và dần dần nở rộng khí ra xa
ống khói giống như một ổ bánh mì được cắt ra thành nhiều lát mỏng và xếp chồng kề
mép lên nhau (Hình 1.1).
Lượng chất ơ nhiễm trong từng lát mỏng trong luồng khói có thể được xem như
nhau, tức là bỏ qua sự trao đổi chất từ lát này sang lát nọ kề bên nhau trên trục x. Từ
cách lập luận đó, bài tốn lan truyền chất ơ nhiễm ở đây là bài tốn hai chiều và do đó
ta chọn cơng thức (1-3) để áp dụng cho trường hợp này:

14


a)

c)
u

d)

b)

Hình 1.1: Biểu đồ luồng khói bằng các khối phụt tức thời và liên tục
Nếu ta thiết lập sự cân bằng vật chất trong từng “lát” khói có bề dày 1m theo
chiều x và các chiều y, z là vô cực khi các lát khói chuyển động cùng với vận tốc gió u
thì thời gian để từng lát đi qua khỏi ống khói là 1m/u và do đó lượng chất ô nhiễm chứa
1

trong “lát” khói sẽ là Q = Mx . Ngồi ra, cần lưu ý rằng bài tốn hai chiều ở đây là
u

chiều y và z thay vì cho chiều x và y trong cơng thức (1-3).
Khi đó cơng thức (1-3) sẽ trở thành :
C=

M
4πut(ky kz )1/2

e

1 y2 z2
+
]
4t ky kz

− [

(1-5)

Đặt :
k y = 0.5σ2y

u

k 𝑧 = 0.5σ2z

u

t=

(1-6)

x

(1-7)

x

x

(1-8)

u

Trong đó:  y và  z được gọi là hệ số khuếch tán theo phương ngang và phương
đứng, có thứ nguyên là độ dài bằng m.
Do phát thải từ một nguồn liên tục nên lượng phát thải chất ô nhiễm M(g/s) là
không đổi theo thời gian
Thay (1-6), (1-7), (1-8) vào (1-5) ta được:
y2

C=

𝑦2

z2

−[ 2 + 2 ]
M
𝜎𝑦 𝜎𝑧
e
4πu𝜎𝑦 𝜎𝑧

=

15

2

−( 2 ) −( 𝑧 )

M
𝑒 2𝜎𝑦 𝑒 2𝜎2𝑧
4πu𝜎𝑦𝜎𝑧

(1-9)


Đây là cơng thức cơ sở của mơ hình lan truyền chất ô nhiễm theo luật phân phối
chuẩn Gauss hay cịn gọi là “Mơ hình Gauss” cơ sở.
Từ biểu thức (1-6) và (1-7) ta có:

σy = (

2ky x 1
u

)2

σz = (

và

2kz x 1
u

)2

(1-10)

Như vậy  y và  z phụ thuộc vào khoảng cách x, độ rối của khí quyển và vận

tốc gió. Pasquill và Gifford đã thực nghiệm và thiết lập được mối quan hệ của các hệ số

 y ,  z phụ thuộc vào khoảng cách x xi theo chiều gió ứng với các mức độ ổn định
của khí quyển khác nhau A, B, C, D, E, F và G. Mối quan hệ trên đuợc cho dưới dạng
biểu đồ. Tuy nhiên để thuận tiện khi tính tốn và lập trình. D.O.Martin đã đưa ra cơng
thức tính  y ,  z như sau:
σy = ax 0.894

và

σz = bx c + b

(1-11)

Trong đó x – là khoảng cách xi theo chiều gió kể từ nguồn, tính bằng km. Các hệ số
a, b, c, d cho ở Bảng 1.1 [13]. Các giá trị σy, σz được thể hiện trên Hình 1.2 và Hình 1.3.
Bảng 1.1: Các hệ số a, b,c, d trong cơng thức (1-11)
Độ ổn định khí quyển

Khoảng cách (m)

a

b

c

d

A

B

C

D

E

F

G

mọi x

0.3658

0.2751

0.2089

0.1471

0.1046

0.0722

0.048

x<100

0.192

0.156

0.116

0.079

0.063

0.053

0.032

100
0.00066

0.0382

0.113

0.222

0.211

0.086

0.052

x>1000

0.00024

0.055

0.113

1.26

6.73

18.05

10.83

x<100

0.936

0.922

0.905

0.881

0.871

0.814

0.814

100
1.941

1.149

0.911

0.725

0.678

0.74

0.74

x>1000

2.094

1.098

0.911

0.516

0.305

0.18

0.18

x<100

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0

100
9.27

3.3

0.0

-1.7

-1.3

-0.35

-0.21

x>1000

-9.6

2.0

0.0

-13.0

-34.0

-48.6

-29.2

16


Với các cấp độ ổn định khí quyển:
A : Khơng ổn định nhất.

B : Khơng ổn định trung bình.

C : Khơng ổn định loại yếu

D : Trung bình

E : Ổn định yếu

F : Ổn định trung bình

G: Độ ổn định cao

Hình 1.2: Độ khuếch tán theo phương nằm ngang

phụ thuộc vào khoảng cách theo

chiều gió từ một nguồn điểm đối với các loại ổn định khí quyển khác nhau.

17


Hình 1.3: Độ khuếch tán theo phương thẳng đứng

phụ thuộc vào khoảng cách theo

chiều gió từ một nguồn điểm đối với các loại ổn định khí quyển khác nhau.
1.2.2. Sự phát tán khí từ nguồn liên tục
Mặc dù ta thường nói về sự khuếch tán khí quyển, song trên thực tế sự phát tán khí
trong khí quyển liên hệ rất ít với sự khuếch tán khí. Các hiệu ứng dòng xốy thường lớn
đến mức sự khuếch tán phân tử khơng đóng vai trị gì. Vì vậy việc đánh giá sự phát tán
trong khí quyển dựa vào các mơ hình tốn học về trạng thái khí tượng của khí quyển

hơn là lý thuyết khuếch tán cổ điển. Một trong các mô hình thường sử dụng để đánh giá
nồng độ dịng khí ở mức mặt đất từ một nguồn điểm, chẳng hạn từ lối ra của ống xả, là
mơ hình quỹ đạo tuyến tính, hay là mơ hình luồng khí Gauss [13]. Mơ hình Gauss đối
với một nguồn điểm liên tục được thể hiện trên Hình 1.4.
18


Hình 1.4: Mơ hình luồng khí Gauss đối với một nguồn điểm liên tục
Theo mơ hình này, chất thải được giả thuyết là phân bố chuẩn xung quanh trục tâm
của luồng khí và cũng giả thuyết rằng sự ổn định khí quyển và tốc độ gió xác định các
tính chất phát tán của chất thải theo chiều gió. Mơ hình này được miêu tả bởi phương
trình Pasquill - Gifford. Khi chuyển về hệ trục x, y, z mà gốc O trùng với chân ống khói
trên mặt đất thì y khơng thay đổi nhưng z phải được thay thế bằng z - H hoặc H – z.
𝑦2

C=

− 2
M
2𝜎𝑦
𝑒
2πu𝜎𝑦𝜎𝑧

(z −H)2
2𝜎2
𝑧

−

𝑒

(1-12)

Ngoài ra tuỳ thuộc theo độ xa x khi luồng khói nở rộng và chạm mặt đất thì mặt
đất cản trở khơng cho luồng tiếp tục phát triển, ngược lại chiều hướng khuếch tán sẽ bị
mặt đất phản xạ ngược trở lên như thể có một nguồn ảo hồn tồn đối xứng qua mặt đất
và mặt đất được xem như tấm gương phản chiếu. Để kể đến ảnh hưởng của mặt đất phản
xạ khuếch tán, nồng độ tại các điểm bất kỳ A, B được giả thiết như do hai nguồn giống
hệt nhau gây ra, trong đó có một nguồn thực và một nguồn ảo hoàn toàn đối xứng với
nhau qua mặt đất. Nồng độ tại điểm xem xét (A hoặc B) do nguồn thực gây ra được tính
bằng cơng thức (1-12), cịn do nguồn ảo gây ra được tính bằng biểu thức:

19


C=

M
2πuσy σz

e

−

y2
2σ2
y

e

(z + H)2
2σ2
z

−

(1-13)

Nồng độ tổng cộng tính từ (1-12), (1-13) sẽ là:
y2

C=

− 2
2σ

M
e
2πuσy σz

y

{e

(z−H)2
2σ2
z

−

(z+H)2
2σ2
z

−

+ e

}

(1-14)

Đây chính là cơng thức tính tốn khuếch tán chất ơ nhiễm từ nguồn điểm cao liên
tục. Khi tính tốn nồng độ ơ nhiễm trên mặt đất thì z = 0 và cơng thức (1-14) trở thành:
y2

C=

− 2
M
2σy
e
πuσy σz

(H)2
2σ2
z

−

e

(1-15)

1.2.3. Các điều kiện khí tượng
Khi chất thải được xả ra từ ống khói người ta coi rằng chúng được dịch chuyển
theo chiều gió và đồng thời cũng khuếch tán theo phương ngang và phương thẳng đứng.
Hai hậu quả chính của sự phán tán trong khí quyển này là chất bẩn pha loãng và chúng
rơi trở lại vào vùng khí thở ở mặt đất. Điều quan tâm khi đánh giá mức độ an tồn khí
thải vào khí quyển là quan hệ giữa tốc độ thải và nồng độ phóng xạ ở mức mặt đất (chất
rơi lắng). Sự phân bố hoạt độ phóng xạ ở mức mặt đất phụ thuộc vào nhiều nhân tố, bao
gồm sự ổn định của khí quyển, tốc độ gió, loại địa hình, tính chất của lớp biên khơng
khí (lớp khơng khí trên mặt đất khoảng trăm mét) và độ cao của ống khói. Khó tiên đốn
chính xác bản đồ phân bố ở mức mặt đất mặc dù có thể đánh giá bằng cách tính với một
hệ các phương trình khuếch tán khí quyển [2].
Sự ổn định của khí quyển phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ của khơng khí. Một
mẫu khơng khí sẽ giản nở ra do áp suất khí quyển giảm. Nếu mẫu khơng khí này khơng
thu hay tỏa nhiệt thì sự giản nở là đoạn nhiệt và nhiệt độ của mẫu khơng khí sẽ sụt xuống.
Đối với khơng khí khơ, sự làm lạnh đoạn nhiệt này gây nên sự giảm nhiệt độ 1oC qua
100m lên cao. Đối với khơng khí có độ ẩm trung bình, tốc độ giảm là 0.65oC trên 100m.
Nếu chênh lệch nhiệt độ của khí quyển nhỏ hơn chênh lệch do đoạn nhiệt nhưng vẫn
còn giá trị âm thì ta có tốc độ giảm ổn định. Trong trường hợp này mẫu khơng khí lạnh
nhanh hơn mơi trường khí quyển xung quanh, do đó nó đạm đặc hơn khơng khí xung
quanh và có xu hướng chìm xuống. Mẫu khơng khí chìm xuống ấm hơn khơng khí xung
quanh và lỗng hơn do đó có xu hướng bay lên. Vì vậy tốc độ giảm ổn định có xu hướng
hạn chế kích thước của luồng khí theo phương thẳng đứng và vì vậy giảm hiệu ứng pha
20


lỗng của khí quyển. Nếu tốc độ giảm là dương có nghĩa là nhiệt độ khơng khí tăng khi

tăng độ cao, thì đều kiện siêu ổn định được gọi là sự nghịch nhiệt (bởi vì biến thiên nhiệt
độ bị đảo lộn). Dịng khí thải từ ống xả trở thành đậm đặc hơn mơi trường xung quanh
khi nó bị lạnh đoạn nhiệt và chìm xuống. Hiệu ứng tổng thể của sự nghịch nhiệt là bẫy
luồng khí từ ống xả và khơng cho nó bay lên cao.
Tốc độ giảm siêu đoạn nhiệt, với nó tốc độ giảm nhiệt độ khi tăng độ cao lớn hơn
1/100 m, tạo nên điều kiện khơng khí ổn định giúp làm tăng sự phát tán theo chiều cao
của dịng khí thải từ ống xả. Với các điều kiện tốc độ giảm khơng ổn định đó, một mẫu
khí đang bay lên sẽ không bị lạnh đủ nhanh do sự giản nở đoạn nhiệt của nó và vì vậy
nó vẫn cịn ấm hơn và ít đậm đặc hơn mơi trường khí xung quanh và tiếp tục bay lên.
Cũng với lý do đó, một mẫu khí đang rơi xuống sẽ tiếp tục rơi xuống.

21


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ PHẦN MỀM NRCDOSE 72
NRCDose72 là gói phần mềm được phát triển bởi Cơ quan Pháp quy hạt nhân
Hoa Kỳ với mục đích đánh giá an toàn bức xạ đối với dân chúng trong cấp phép cho
việc cải tạo, mở rộng và xây dựng mới NMĐHN trong điều kiện vận hành NMĐHN
bình thường. NRCDose72 bao gồm 4 phần mềm XOQDOQ, GASPAR2, LADTAP2 và
GALE [7].
2.1. Phần mềm XOQDOQ
2.1.1. Cấu trúc và chức năng của phần mềm XOQDOQ
Phần mềm XOQDOQ được sử dụng bởi Cơ quan pháp quy hạt nhân Hoa Kỳ để
thẩm định đánh giá tác động của khí tượng tới việc phát thải các nhân phóng xạ thường
xuyên hoặc trong kế hoạch tại các nhà máy điện hạt nhân. Chương trình khơng nhằm
mục đích đánh giá tác động của khí tượng tới hậu quả của việc rị rỉ chất phóng xạ trong
trường hợp sự cố. Chương trình thực hiện trong kiểu bó các thơng số đầu vào có các lựa
chọn khác nhau cho người sử dụng.
Nồng độ tương đối X/Q và mật độ rơi lắng tương đối D/Q được tính cho 22
khoảng cách riêng cách địa điểm nhà máy tới 80 km. Từ các giá trị này X/Q và D/Q cho

10 đoạn khoảng cách được tính. Cả hai giá trị X/Q và D/Q được tính cho những điểm
quan tâm được nhập vào bởi người sử dụng. Chương trình tính dựa trên mơ hình luồng
khí Gauss với quỹ đạo thẳng. Người sử dụng có thể lựa chọn để tính đến hiệu ứng nồng
độ trong luồng khí bị suy giảm do rơi lắng khô và phân rã phóng xạ. Nồng độ ở bề mặt
đất có thể được biến đổi để tính đến hiệu ứng tuần hồn hay tù đọng. Chương trình tính
chiều cao luồng khí hiệu dụng dựa trên chiều cao phát thải vật lý, độ nâng của luồng khí
và độ cao địa hình. Chương trình dựa trên lý thuyết cho rằng chất phóng xạ phát thải
vào khí quyển sẽ phân bố theo hình Gauss xung quanh đường trục của luồng khí. Để
tiên đốn nồng độ trong khoảng thời gian dài hơn, phân bố Gauss được coi là phân bố
đều bên trong hình quạt của hướng gió. Quỹ đạo được xem là đường thẳng giữa điểm
phát thải và điểm tiếp nhận. Để đánh giá phát thải thường xuyên từ nhà máy điện hạt
nhân, chủ yếu chương trình được thiết kế để tính nồng độ tương đối trung bình năm X/Q
và mật độ rơi lắng tương đối D/Q trung bình năm tại các vị trí ấn định bởi người sử dụng
và ở các khoảng cách theo bán kính chuẩn khác nhau. Chương trình có các lựa chọn sau
[12]:
1. Kiểu phát thải có thể là:
22


a. Ln có một độ cao nhất định;
b. Ln ở bề mặt đất;
c. Kiểu hỗn hợp mà nó chủ yếu được sử dụng trong phân tích các điểm thải ở
trên độ cao gần các cơng trình xây dựng.
2. Luồng khí thải đối với kiểu thải có độ cao có thể có độ nâng do xung lượng
và/hoặc độ nổi do nhiệt độ.
3. Thải ở bề mặt đất có thể bị ảnh hưởng bởi phát tán bổ sung do gần góc khuất
của các tịa nhà.
4. Tốc độ gió đo được ở một độ cao có thể được ngoại suy tới các độ cao khác
để đánh giá điểm phát thải.
5. Các tham số của luồng khí thải (σy, σz) có thể được mơ tả bằng

a. Các đường cong Pasquill – Gifford
b. Các đường cong Markee đối với các địa điểm thích hợp
6. Đối với thải có độ cao, địa hình có thể được nhập vào để tính chiều cao luồng
khí hiệu dụng.
7. Luồng khí có thể chịu phân rã phóng xạ theo các chu kỳ bán hủy khác nhau.
8. Luồng khí có thể được suy giảm do rơi lắng khô.
9. X/Q và D/Q có thể được biến đổi bởi các giá trị chuẩn hoặc các giá trị được
nhập vào để tính đến hiệu ứng tuần hồn và tù đọng khí.
10. Các số liệu tần số liên hợp có thể được nhập vào như là tần số xảy ra bằng
phần trăm hoặc bằng tần số xảy ra tổng cộng. Các số liệu khí tượng được nhập
vào chương trình như một bảng tần số liên hợp mà nó là bảng của phần xảy
ra một tổ hợp nhất định của lớp tốc độ gió, hướng gió và độ ổn định của khí
quyển. Hướng gió được phân thành 16 hướng theo chiều kim đồng hồ từ
hướng N đến hướng NNW. Tốc độ gió được nhóm thành các lớp. Chương
trình cho phép xử lý tới 14 lớp tốc độ gió. Độ ổn định của khí quyển được
nhóm thành 7 nhóm từ A-G.
11. X/Q và D/Q có thể được tính cho các khoảng cách được xác định trước tại
các điểm quan tâm cụ thể.
Theo đó giá trị nồng độ tương đối X/Q và mật độ rơi lắng tương đối D/Q được
xác định bởi công thức sau:
-

Nồng độ tương đối X/Q:

23


X
Q

(x, K) =

2.032
x

. RF(x, K) ∑N,7
i,j

DEPLij (x, K) DECi (x) fij (K)
h2e
.
exp
−0.5(
)
2
Ui (x)σzj (x)
σZj(x)

(2-1)

Trong đó:
X(x, K) = Nồng độ trung bình của chất phóng xạ phát ra ở khoảng cách x theo
hướng gió K (s/m3).
x = Khoảng cách theo hướng gió (mét), i = Lớp tốc độ gió thứ i, j = độ ổn định
khí quyển thứ j, k = hướng gió thứ k.

zj = Hệ số khuếch tán của độ ổn định j ở khoảng cách x.
RF(x,K) = Hệ số hiệu chỉnh cho sự tuần hoàn và ứ đọng ở khoảng cách xi gió
x và hướng gió thứ k.
he = Độ cao hiệu dụng của đám mây, Ui = Giá trị trung bình của lớp tốc độ gió

thứ i.
fij = Xác suất xảy ra đồng thời lớp tốc độ gió thứ i, độ ổn định thứ j, hướng gió k.
DECi (x) = Hệ số giảm do sự suy giảm ở khoảng cách x trong lớp tốc độ gió thứ
i, độ ổn định thứ j và lớp hướng gió thứ k.
-

Mật độ rơi lắng tương đối D/Q:
D
Q

(x, K) =

7
RF(x,K) ∑N
ij Dij fij (K)

(2π/16)x

(2-2)

Trong đó:
D/Q (x, K) = Rơi lắng tương đối trung bình trên một đơn vị diện tích ở khoảng
cách xi gió x và hướng gió K (m-2)
Dij = Tốc độ rơi lắng tương đối cho lớp tốc độ gió thứ i và độ ổn định thứ j,
fij (K) = Xác suất xảy ra đồng thời của lớp tốc độ gió thứ i, lớp ổn định thứ j, và
hướng gió thứ K.
RF(x,K) = Hệ số hiệu chỉnh cho sự tuần hồn và ứ đọng khơng khí ở khoảng cách
x và hướng gió thứ K.
2.2.2. Số liệu đầu vào (Data Input) đối với phần mềm XOQDOQ
Như đã trình bày ở trên, cơ sở số liệu đầu vào của XOQDOQ bao gồm:

- Số liệu khí tượng: Tần số liên hợp của tốc độ gió, hướng gió và độ ổn định của
khí quyển;

24


- Số liệu địa hình: Bao gồm các số liệu về địa hình (đồi núi, thung lũng, các tồ
nhà cao…) ở các khoảng cách khác nhau (tối đa 80 km) xung quanh nhà máy điện hạt
nhân.

Hình 2.1: Cấu trúc của phần mềm XOQDOQ
Hai kết quả tính tốn của phần mềm XOQDOQ là các giá trị X/Q và D/Q sẽ được
sử dụng như số liệu đầu vào của GASPAR2 trong đánh giá an toàn bức xạ và liều dân
chúng.
2.2.

Phần mềm GASPAR2

2.2.1. Cấu trúc và chức năng của phần mềm GASPAR 2
GASPAR2 là phần mềm trong gói NRCDose72, được Cơ quan pháp quy hạt nhân
Hoa Kỳ (USNRC) sử dụng trong đánh giá liều bức xạ đối với các cá nhân và các nhóm
dân cư bị nhiễm xạ theo các con đường hít thở, ăn uống và chiếu xạ bên ngoài do việc
thải các nhân phóng xạ vào mơi trường khơng khí từ MNĐHN trong điều kiện hoạt động
bình thường. Các mơ hình chiếu xạ tới con người được thực hiện trong GASPAR2 bao
gồm [8]:
- Chiếu xạ ngoài từ các đám mây bị nhiễm xạ: Hai giá trị liều được tính tốn đối với
chiếu xạ ngoài từ các đám mây bị nhiễm xạ: Liều chiếu xạ từ khơng khí (do bức xạ bêta
và gamma) và liều chiếu xạ đối với các mô, cơ quan. Các giá trị này được mô tả như
sau:
Liều chiếu xạ từ khơng khí. Các giá trị liều khơng khí beta và gamma được tính tốn

đối với đám mây phóng xạ đồng nhất bán vô hạn bằng cách sử dụng các phương trình
sau:
γ,β
γ,β
Dα = ∑i Cai Dαi

Trong đó:
25

(2-3)