核事故下气载放射性核素的辐射风险预测研究

2020年，习近平总书记在联合国大会上宣布中国将在2030年碳达峰，2060年碳中和。这一宣言大大促进了清洁能源在我国的蓬勃发展。而核能相对于其他清洁能源，具有不受恶劣天气条件影响、发电稳定等特殊优势，将在中国的“3060”计划中发挥不可或缺的重要作用。然而，历史上发生的三次严重核事故时刻提醒着我们，必须建立有效的核事故后果评价和应急决策支持系统，才能有效应对可能发生的核事故，将后果降至最低。
在福岛核事故中，现有核事故后果评价和应急决策支持系统中存在的不足被暴露出来。在核电厂发生严重事故时，可能会导致核电厂区电力的缺失，这使得工况参数无法被应急人员知晓。这样的情形将导致现有应急模型中广泛使用的源项正演方法难以启用。因此，源项反演的方法受到了国内外核能领域研究人员的青睐，但反演算法除了要求本身的稳健性之外，还对监测数据的准确性以及扩散模型和剂量计算模型的精确度提出了较高的要求。而由于能适用于复杂地形和建筑区域的放射性核素精细扩散模型和快速剂量计算模型的缺失，导致了基于核事故监测数据的源项反演方法的精度存在不足。
因此，本项研究着眼于福岛核事故暴露出来的问题，建立“源项反演大气扩散辐射后果”模型组合，针对模型组合存在的预测不确定性，提出了精细建模方法、联合估计方法和通用型快速剂量计算方法，并通过数值模拟实验、风洞实验和真实场地实验的系统性验证，减少了模型偏差及其在计算链中的传递，消减了模型不匹配带来的后果评估偏差。本项研究的成果经过进一步的完善之后，可以应用到各类核设施的事故应急系统当中。

本课题组在核能事故源项的正演、反演和正反演耦合估计方法，放射性核素的迁移模式以及三维辐射场的快速计算方法
方面开展了深入的研究，提出了“源项偏差”联合矫正方法，有效降低了模式偏差的影响； 提出了针对单核素和多核素的耦合源项估计方法，降低了数据不确定性的干扰，能获得比单独正、反演更小的估计偏差，并提供了包含丰富长、短寿命放射性核素的福岛精细源项。本课题组还提出了SWIFTRIMPUFF模式和 “气象扩散”在线耦合模式，以及针对多核素、均匀/非均匀网格情况建立了基于卷积的快速剂量计算方法。其中“气象扩散”在线耦合模式经日本名古屋大学评测，对福岛核事故
后137Cs的迁移预测准确性居参评的13个国际模式之首。此外，课题组参与开发了国内多个核电站的核事故后果评价系统，所开发的源项反演平台已应用于国家核应急决策技术支持中心。
方晟

2021年10月

《核事故下气载放射性核素的辐射风险预测研究》阐明工况缺失与复杂环境条件下，辐射预测不确定性的产生机理、传递机制和模型不匹配现象，提出精细建模方法、联合估计方法和通用型剂量计算方法，并通过数值模拟实验、风洞实验和真实场地实验的系统性验证，减少模型偏差及其在计算链中的传递，消减模型不匹配带来的后果评估偏差，建立一套验证充分、稳健准确的放射性风险预测理论框架，提高核事故应急后果评价系统的评价效果，满足严重核事故与先进堆的核应急需求。 《核事故下气载放射性核素的辐射风险预测研究》可作为高校或科研机构核事故应急、核安全等相关领域学者和研究人员的参考书。

李新鹏，男，1993年5月出生，清华大学工学博士，现任华北电力大学讲师。主要研究领域为核事故后果评价，包括源项反演、放射性物质扩散和剂量计算。

第1章引言

1.1研究背景与研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1气载放射性核素扩散模型研究现状

1.2.2源项反演预测模型研究现状

1.2.3快速环境三维辐射剂量率场计算模型研究现状

1.2.4研究现状总结

1.3本书主要研究内容

第2章快速风场诊断和拉格朗日粒子耦合模型的验证
和参数优化

2.1引论

2.2基本原理

2.2.1MSS模型

2.2.2统计评估方法

2.3实验设置

2.3.1风洞实验

2.3.2MSS运行参数设置

2.3.3MSS敏感性分析参数设置

2.4结果与讨论

2.4.1模拟风场结果验证

2.4.2浓度分布结果验证

2.4.3敏感性分析

2.5小结

第3章同步源项预测和模型偏差校正的联合估计方法

3.1引论

3.2基本原理

3.2.1传统源项反演方法

3.2.2同步源项预测和模型偏差校正的联合估计方法

3.2.3风洞实验

3.2.4放射性核素扩散矩阵的计算

3.2.5验证算例设计

3.2.6敏感性分析

3.2.7可扩展性

3.2.8评估方法

3.3结果与讨论

3.3.1全测量验证

3.3.2独立验证

3.3.3测量站点位置的敏感性

3.3.4测量数量和质量的敏感性

3.3.5可扩展性

3.4小结

第4章基于FFT卷积的三维剂量率场快速计算方法

4.1引论

4.2精确快速三维剂量率场计算方法的理论基础

4.2.1标准三维积分剂量率计算方法

4.2.2卷积形式的三维剂量率计算方法

4.2.3卷积方法的快速计算

4.2.4面向受体的三维剂量率场计算方法

4.3实验设置和方法

4.3.1TC1和TC2： 空气和地面剂量转换因子
计算算例

4.3.2TC3： 高斯烟羽模拟算例

4.3.3TC4： 基于高度异质地形的场地模拟

4.3.4TC5： SCKCEN 41Ar场地实验

4.3.5计算参数

4.3.6统计评估方法与统计指标

4.4结果与讨论

4.4.1TC1和TC2： 空气和地面剂量转换因子计算
结果的比较

4.4.2TC3： 高斯烟羽模拟算例的结果

4.4.3TC4： 基于高度异质地形的场地模拟

4.4.4TC5： SCKCEN 41Ar场地实验

4.4.5基于FFT的卷积法的精确度

4.4.6基于FFT的卷积法的计算速度

4.5小结

第5章基于NFFT的非等距三维剂量率场快速计算方法

5.1引论

5.2非均匀网格的快速三维剂量率场计算方法

5.2.1三维积分法和其卷积形式

5.2.2正则化的卷积函数

5.2.3应用非均匀快速傅里叶变换的快速计算

5.2.4基于NFFT的快速计算方法的计算复杂度

5.3实验材料和方法

5.3.1TC1： 具有复杂地形的局地尺度扩散模拟算例

5.3.2TC2： 具有复杂建筑的街道尺度扩散模拟算例

5.3.3TC3： SCECEN 41Ar场地实验

5.3.4计算参数

5.3.5剂量计算的统计评估方法

5.4结果与讨论

5.4.1TC1： 具有复杂地形的局地尺度扩散模拟结果

5.4.2TC2： 具有复杂建筑的街道尺度扩散模拟结果

5.4.3TC3： 41Ar场地实验算例结果

5.4.4卷积法和NFFT法的对比

5.5小结

第6章结论与展望

6.1工作总结

6.2创新点

6.3展望

参考文献

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢

《核事故下气载放射性核素的辐射风险预测研究》建立了一套验证充分、稳健准确的放射性风险预测理论框架，有效提高了核事故应急后果评价效果。