基于变分数据同化的核事故源项反演模型研究

发布时间：2020-07-04 05:26

【摘要】：核事故释放源项,是应急准备、应急响应、核事故定级和事故评价的基础。核事故源项反演,是一种利用事故期间辐射环境监测数据,估计事故释放源项的方法,在福岛核事故后得到广泛重视。变分核事故源项反演模型(VAR模型)基于变分数据同化,可有效平衡利用所研究时空范围内的全部监测数据,对释放源项的估计结果为全局最优,具有广泛应用前景。然而,该模型受大气扩散模型误差的影响较大,其源项估计结果的准确性有待进一步提高。本研究基于缩小扩散模型误差与减小扩散模型误差对源项反演质量的影响两条研究思路,对VAR模型进行探索与改进。基于第一条思路,本研究以我国核事故后果评价中的放射性物质大气扩散模型RIMPUFF为基础,引入CALMET与SWIFT气象模型,结合核电站主控室可居留性评价大气弥散因子计算程序(ARCON96)中的扩散参数修正模型,建立了适用于复杂地形与近场建筑区的CALMET/SWIFT-RIMPUFF大气扩散模型。三门核电厂址风洞实验数据验证证明,该模型在核电厂址附近应急监测范围内具有良好的模拟质量。基于第二条思路,本研究提出并建立了含扩散模型误差估计的变分源项反演模型(DME-VAR模型)和结合截断总体最小二乘的变分源项反演模型(TTLS-VAR模型),分别适用于核电厂周边固定监测站连续监测数据与全部监测数据。DME-VAR模型将各个监测点处的扩散模型误差与释放源项一同估计,部分消除了扩散模型误差对反演结果的影响。风洞实验数据验证证明,该模型对释放源项估计结果的准确性较VAR模型有明显提高;通过分析监测点处扩散模型误差分布情况,凸显并去除误差估计准确性差的监测点,经二次反演,可进一步改善源项反演的质量。TTLS-VAR模型尝试引入截断总体最小二乘法,对扩散模型算子与监测向量进行数学上的修正,同时平滑反演问题不适定对释放源项估计结果造成的震荡。风洞实验数据验证证明,其源项估计结果准确性可能高于VAR模型。本研究基于大中尺度上的空气浓度监测数据,使用VAR模型与TTLS-VAR模型,对福岛核事故~(137)Cs释放源项进行反演。结果显示,~(137)Cs释放总量与IAEA公布结果相近。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL73
【图文】：

大气扩散模型

图 3.1 CALMET/SWIFT-RIMPUFF 大气扩散模型的计算流程图3.2.2 CALMET风场诊断模型CALMET[127,128]是 EPA 推荐的加利福利亚烟团模型（CALPUFF）所搭配的气象模型。除质量守恒风场诊断模块外，CALMET 中还包括了 3 个针对复杂地形的流场处理模块，分别处理地形的运动学效应、坡风与阻碍效应。其中，地形的运动学效应是通过在随地风场上叠加一个垂直风速来表现的。该垂直风速由地形与一些气象参数决定[129]。坡风则是通过一种基于射流参数化的经验方法估计的[130]。阻碍效应与每个网格的局地弗劳德数相关[131]，但该模块只对风向进行调整。Cox 等曾用 Dipole Pride 26 场地实验数据对CALMET 在中尺度上风场计算的有效性进行验证[132]。在这之后，CALMET还被用在芝加哥地区典型湖风研究[133]与香港大屿山地区潜在风能研究[134]等案例中。在 CALMET 中，坐标系统为随地坐标，每个时间步上的风场计算可以分为两个主要步骤。第一步的目标是生成网格风场，包括 3 个子步骤，分别

示意图,大气边界层风洞,设备,示意图

与环境风速的比值与核电厂实际情况相等，来满足扩散相似条件。由核电机组烟气出口速度 10.2 m/s，可以计算得到风洞中示踪气体排气速率为 0.811m/s。边界条件相似包括气流总体边界与固壁边界等边界条件的相似性。在本实验中，使流动为湍流，固壁边界上满足式(3-34)，实现雷诺数自准，来满足边界条件相等。* 02.5 z (3-34)其中，* 为表面摩擦速度，0z 为表面粗糙长度，为空气运动粘性系数。3.3.1.2 基本设备与方法该实验是在中国辐射防护研究院的大气边界层风洞中进行的。该风洞全长 36 m，实验段长宽高分别为 17 m、1.5 m 和 1 m，实验风速允许范围为 0.2~9m/s。实验中的风速剖面与湍流分布由实验段入口处的速度车实现。图 3.2为该风洞的设备示意图。

【参考文献】