isc3模式及核电排放的模拟计算毕业设计论文(编辑修改稿)

isc3模式及核电排放的模拟计算毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

反应堆中可裂变材料 (核燃料 )进行裂变反应所释放的裂变能。 裂变反应指铀 23钚 23铀 233 等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出 中子和大量能量的过程。 反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。 若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。 实现链式反应是核能发电的前提。 核能应用作为缓和世界能源危机的一种经济有效的措施有许多的优点，其一核燃料具有许多优点，如体积小而能量大，核能比化学能大几百万倍； 1000 克铀释放的能量相当于 2400 吨标准煤释放的能量；一座 100 万南华大学核科学技术学院 20xx 届本科毕业论文 第 2 页，共 59 页 千瓦的大型烧煤电站，每年需原煤 300～ 400 万吨，运这些煤需要 2760 列火车，相当于每天 8 列火 车，还要运走 4000 万吨灰渣。 同功率的压水堆核电站，一年仅耗铀含量为 3％的低浓缩铀燃料 28 吨；每一磅铀的成本，约为 20 美元，换算成 1 千瓦发电经费是 0． 001 美元左右，这和目前的传统发电成本比较，便宜许多；而且，由于核燃料的运输量小，所以核电站就可建在最需要的工业区附近。 核电站的基本建设投资一般是同等火电站的一倍半到两倍，不过它的核燃料费用却要比煤便宜得多，运行维修费用也比火电站少，如果掌握了核聚变反应技术，使用海水作燃料，则更是取之不尽，用之方便。 其二是污染少。 火电站不断地向大气里排放二氧化硫和氧化氮等有害 物质，同时煤里的少量铀、钛和镭等放射性物质，也会随着烟尘飘落到火电站的周围，污染环境。 而核电站设置了层层屏障，基本上不排放污染环境的物质，就是放射性污染也比烧煤电站少得多。 核电站运行对环境的影响 核电站的迅速发展和放射性同位素的广泛应用，在给人类带来了巨大的利益，但也不可避免地伴有一定的危害，反射性物质释入环境的可能性，使人类面临环境被放射性物质污染的严峻局面。 核能的利用造成或可能造成的辐射照射对环境、生态及人类健康的潜在危害引起人们的关注。 与其他能源工业相比，核能工业最主要的区别就是它的裂 变产物带有放射性，对人、对环境产生巨大的危害。 核电站正常运行时的放射性核素来自于反应堆核燃料内的核裂变过程产生大量裂变产物，同时堆内结构材料、腐蚀产物以及反应堆冷却剂中杂质由于辐照而被活化也会产生大量的放射性核素。 这些放射性核素绝大部分通常被严密地密封在堆芯和反应堆冷却系统中，微量逸出的放射性核素经废物处理系统处理，所剩无几，残存的放射性核素或经烟囱排入大气环境，或与冷却水混合后排入水环境中。 释放到环境中的放射性核素将 对生物圈产生辐照，但是这种照射对于整个环境影响贡献还是很微小的。 南华大学核科学技术学院 20xx 届本科毕业论文 第 3 页，共 59 页 国内外常用的空气质 量模式介绍 虽然核电站运行对环境的影响很微小，但是我们也有必要建立严密的放射性气体的监测和防护措施，避免核事故的发生。 自 20 世纪 70 年代以来 , 其空气质量模式可分为三代 [2]:第 1代模式模拟系统主要考虑个别污染物 , 在估算下风向的环境浓度时 , 用的是物理输送算法 ,这些模式广泛地应用于一次污染物的影响预测和控制措施的优化 , 代表模式有 ISC3与 EKMA 模式等。 第 一 代空气质量模式 , 不论是点源模式 , 还是以点源模式为基础 , 通过积分方法得到的线源模式、面源模式、体源模式等 , 都具有如下 2个特点 :① 浓度计 算在水平方向和垂直方向上都采用高斯分布假定。 ② 湍流分类和扩散参数采用离散化的经验分类方法。 第 二 代模式则加入较为复杂的气象参数与反应机制 , 考虑了光化学反应机理 , 能够模拟臭氧 , SOx, NOx, 的化学过程和酸雨形成 , 此类模式广泛地应用于二次污染物的影响分析和控制措施的改善 , 代表模式有ADMS,AERMOD,CAMx,UAM 等。 第 二 代空气质量模式 , 其共同特点通常是 : ① 气象模块均基于常规气象资料 , 所必需的气象数据有 10 m高度上的风速 , m(或 2 m)高度上的温度以及云量等。 烟羽抬 升和扩散计算所需要的特征参数 ,如摩擦速度 u , Monin Obukhov 长度 L, 混合层厚度 z, 以及湍流参数 , 均可通过常规气象数据计算得到。 ② 新一代空气质量模式彻底抛弃了 Pasqill Gifford扩散参数体系。 因此 ,已没有必要再将大气边界层的稳定度分成 6 类或 7 类 , 而只要根据热通量的正负 ,将其分成不稳定和稳定 2类即可。 第 三 代空气质量模式是由美国国家环保局 ( EPA) 于 1998 年开发成功的 , 通称为 Models3。 为了将所有的大气问题均考虑到模式之中 , 提出了所谓的大气的概念 ( one atmosphere) , 模式将各种模拟分析复杂的大气物理、化学程序的模式系统化 , 可在一次模拟工作中 , 完成臭气、悬浮微粒 (PM)及沉降作用的模拟 , 有效的进行较为全面的空气质量环境影响评估及决策分析。 南华大学核科学技术学院 20xx 届本科毕业论文 第 4 页，共 59 页 2. 放射性污染物在大气中的行为和 ISC3 模式软件 放射性气溶胶的形成 固体或液体放射性物质微粒悬浮于气体 (通常是空气 )中形成的分散体系 为放射性气溶胶 [3]。 由核爆炸产生的放射性裂变产物被大气中的悬浮物吸附也可形成气溶胶。 大气的气溶胶主要包括微尘、有机碳化合物微粒和液态的雾。 放射性气溶胶 按微粒的聚集状态 ,有固态分散相和液态分散相 2 种。 按形成方式有分散性的 (在固体放射性物质的研磨、粉碎、过筛以及放射性溶液的鼓泡、蒸发和转移等过程中 ,放射性物质扩散到空气中呈悬浮态而形成 ) 和凝集性的 (放射性物质通过燃烧、升华和蒸汽凝结以及气体反应而形成 ) 2 种。 放射性气溶胶对吸入者的危害程度 ,不仅取决于气溶胶的毒性、浓度、吸入时间及其化学形式 ,而且与气溶胶的分散度有关 ,因为气溶胶的粒度直接决定被吸入粒子在呼吸道中的沉积 额。 有研究者 Hussein 等 [4]研究了 222Rn 在 25 种不同真实生活条件下对健康 危害的影响 ,由于放射性气溶胶的毒性较大且在空气中的停留时间较长 ,如不及时处理可造成更大范围的污染 ,对周围环境的影响难以控制和预测。 无论是那一种途径形成的放射性气溶胶 ， 在大气中随气流而迁移，或在高空成为雨、雪的凝聚核心，或通过溶解和化学反应与水滴结合，降落到地面。 沉降于地面的放射性物质又可通过水的蒸发、风的作用而重新进入大气，形成放射性气溶胶 [5]。 放射性污染物在大气中的输运和扩散 作用于大气的各种水平力造成大气水平运动而形成风，对污染物在大气中的输运、扩散具有十分重要的影响。 只要大气水平方向上 存在着气压差异，就有水平气压梯度力作用于空气质点上，使之沿该力的方向由高压区向低压区作加速运动，直至有其他力与之平衡为止，其大小与水平气压梯度成正比。 因此，水平气压梯度力是导致空气水平运动的原动力。 地球的转动使之与大气之间产生相对运动而造成旋转效应，由此而产生的地南华大学核科学技术学院 20xx 届本科毕业论文 第 5 页，共 59 页 球偏转力使大气的水平运动偏离气压梯度的方向，其大小与水平风速、地球自转角速度及地球纬度等因素有关。 地球偏转力始终伴随着空气的运动而存在，风一旦停止，该力即随之消失，它与气压梯度力的共同作用决定了实际风向，但并不改变风速大小，其自身方向始终与实际风 向相垂直。 所以边界层大气中污染物随平流风向向下风向运移。 在底层大气中，空气的运动表现为连接不断的阵风起伏，其速度与方向随时间都在变化，呈现极端不规则的湍流运动。 大气湍流是导致烟羽扩散的主要原因，其扩散速率比分子扩散大 105～ 106倍 .[6] 大气湍流的形成和发展取决于两个因素，由机械或动力因素形成的为机械湍流，如近地空气与静止地面的相对运动导致地面风的切变而形成的湍流，空气流经地面障碍物时风向、风速的突然改变而形成的局地湍流；热力湍流则主要是因地面受热不均匀或大气的不稳定气温层结构造成的。 大气湍流可视为 是由无数个尺度大小不同的湍涡（漩涡）构成的，每一个湍涡都有不同的运动速度和方向，大湍涡中往往又包含许多大小不同的小湍涡，烟羽的扩散正是在这些湍涡的运动过程中完成的。 当湍涡尺度比烟羽小得多时，烟羽在向下风向输运的过程中，小湍涡对其边缘的扰动作用使之与四周空气混合并缓慢膨胀，浓度逐渐降低，烟羽基本上以直线形状向下风向流动；当湍涡尺度比烟羽大得多时，烟羽基本上被湍涡夹带而整体转移，本身膨胀不大，烟羽呈长蛇形曲线运动；湍涡尺度与烟羽想当时，烟羽被湍涡拉开撕裂而强烈变形，其扩散最为迅速、有效。 ISC3 模式与 TAQM 模式的比较 ISC3 模式 ISC3(Industrial Source Complex 3)模式是美国环保局开发的一个为环境管理提供支持的复合工业源空气质量扩散模式 , 是基于统计理论的正态烟流模式 ,使用的公式为目前广泛应用的稳态封闭型高斯扩散方程。 ISC3 模式的模拟范围小于 50 km, 模拟物质为一次污染物 , 模式采用逐时的气象观测数据 , 来确定气象条件对烟流抬升 、 传输和扩散的影响。 南华大学核科学技术学院 20xx 届本科毕业论文 第 6 页，共 59 页 模式可处理各种烟气抬升和扩散过程 , 如 : 静风条件、风廓线指数、城 /乡扩散、烟囱顶端尾流、城市建筑对点 源排放的尾流效应、污染物转化、沉积和沉降等。 可同时 /分别对点源、面源、线源、体源、开放源等多种污染源进行模拟 , 还可以根据需要对排放源进行分组 , 以便对各源的贡献进行定量分析。 可选择多套规则和 /或不规则极坐标、直角坐标下受点网格或离散受点进行计算 , 网格距和模拟范围可变。 可输出多种污染物浓度以及颗粒物的沉积和干、湿沉降量等计算结果。 污染物可选取 SO2, TSP, PM10, NOx和 CO 等种类。 可选择逐小时、数小时、日、月及年等多种平均模拟时段。 ISC3 模式在国内外的城市尺度上的空气质量管理工作 中得到广泛的应用。 TAQM 模式（ Taiwan Air Quality Model） 台湾空气品质模式（ TAQM）是指行政院环境保护署委托国力台湾大学环境工程学研究所郑福田教授引进发展之区域性空气品质模式。 TAQM系统可分为 3个阶段说明：前处理阶段、 TAQM模拟阶段、以及后处理阶段。 在前处理阶段， TAQM模拟所必需之气象资料、排放资料、以及光解作用相关资料，皆于此阶段产生。 欲成功地完成 TAQM模拟，下列五种输入资料缺一不可： （ 1）气象资料 （ 2）光解作用资料 （ 3）排放资料 （ 4）化学资料 （ 5）使用者操作参数 第 1至 4种输入资料皆由前处理程式产生，第 5种资料是控制 TAQM模拟的各项参数，此部分则由使用者自行设定。 ISC3 模式与 TAQM 模式的比较 ISC3模式可以选取小时、日、月及年的时段为气象资料， TAQM必须读取大量的气象资料，可见， ISC3模式比较灵活多变。 ISC3模式可以处理各种烟气抬升和扩散过程 , 如 : 静风条件、风廓线指数、城南华大学核科学技术学院 20xx 届本科毕业论文 第 7 页，共 59 页 /乡扩散、烟囱顶端尾流、城市建筑对点源排放的尾流效应、污染物转化、沉积和沉降等。 比较 TAQM使用范围更广。 ISC3模式输入文件格式简便快捷， 输出文件易于分析说明。 通过比较选择 ISC3模式比较适合核电站排放的模拟计算。 ISC3 模式各条件下的处理方法 点源 小时浓 度 之估算式 高斯烟 流 公式 2e x p 0 . 52s y zQ K V DXyyu   （ 21） 一般之 V 表示如下 22e x p 0 . 5 e x p 0 . 5rrVzzh e h eZZ                            （ 22） Q：污染物之排放速 率 （ g/s） K：单位转换系数（ 例 1106 可将 Q 之排放单位 g/s，计 算成 μg/m3 浓 度 单位） D：消减项（ decay term） y：水平方向之扩散系数，单位为 m z ：垂直方向之扩散系数，单位为 m us：排放高 度 之风速（ m/s） V：垂直项 (vertical term) 注：垂直项与排放污染源高程、受体点高程、烟 流 上升、混 合层高 度 、重 力沉 降 与干沉 降 （微 粒 模拟时）等因素有关。 x 与 y 之计算方法 程式内依方向，可自动定义污染源与受体点间之 x、 y 值（污 染源与受体点之坐标 必须先定义），另外污染源与受体点之 坐标 亦可用极 坐标 表示，程式会自动南华大学核科学技术学院 20xx 届本科毕业论文 第 8 页，共 59 页 转成垂直之 xy 坐标。 us 求取 ps ref sre。