在不同气象条件下，核电站放射性核素的近场扩散

《Journal of Environmental Radioactivity》：Near-field dispersion of radioactive nuclides from nuclear power plants under different meteorological conditions

　　

刘新宇|谢东|李正明|王晨华

中国南方大学资源环境与安全工程学院，衡阳，中国

摘要

核电站（NPP）释放的放射性核素的扩散受气象条件的影响很大，导致近场浓度分布存在显著变化。因此，系统研究不同气象条件下的放射性核素扩散对于核电站的环境安全评估至关重要。本研究使用计算流体动力学（CFD）模型研究了风向、风速和大气稳定性对放射性核素扩散的影响，该模型通过在中国某核电站进行的现场示踪实验得到了验证。结果表明，风向决定了主要烟羽路径，并通过改变周围建筑物对下游流动的阻碍程度显著影响污染物积累。风速控制着烟羽上升和扩散效率：强风抑制了垂直烟羽的发展并增强了湍流混合，从而缩短了水平传输距离并增加了呼吸层浓度。大气稳定性进一步通过浮力驱动的分层作用调节扩散。在东南风（SE）速度为2 m s^?1的情况下，稳定分层下的呼吸层浓度大约是不稳定分层下的4.65倍。本研究提供了关于气象条件对放射性核素扩散影响的定量见解，并为评估核电站周围的辐射风险和制定排放管理策略提供了初步参考。

引言

作为一种清洁能源，核能为缓解全球气候变化带来了显著的好处（Akorede等人，2012；Howarth，2019；Karakosta等人，2013）。然而，核设施的运行不可避免地会向大气中释放一些放射性核素。这些释放主要通过两种途径发生：连续排放和间歇排放。与连续排放不同，间歇排放通常是按计划进行的，或在特定运行条件下发生，并且高度依赖于当时的气象条件（Pirouzmand等人，2015）。因此，间歇排放的放射性核素的扩散模式和近场浓度分布在不同气象情景下可能会有很大差异，从而对周围环境产生不同程度的辐射影响（Lebel等人，2022；Liu等人，2011）。因此，系统研究不同气象条件下放射性核素的近场传输和扩散对于最小化潜在的环境影响至关重要。

目前，有三种主要方法用于研究放射性核素的大气扩散：现场实验、风洞测试和数值模拟。现场实验能够在真实的大气条件下捕捉扩散特性，因此被广泛用于验证数值模型（Carroll和Dixon，2002；Davidson等人，1995；Liu等人，2024）。风洞测试具有高度可控性，通常适用于研究单一影响因素下的扩散；然而，由于实验设备的限制，往往难以考察多个因素之间的相互作用（Blocken等人，2008；Cui等人，2016a；Mo和Liu，2018）。与风洞和现场实验相比，数值模拟具有成本较低以及较高的时间和空间分辨率等优点（Leel?ssy等人，2018；Lin等人，2025；Tan等人，2018），使其非常适合分析多种气象和环境条件下的污染物扩散（Dong等人，2024；Liu等人，2023）。

过去，许多放射性核素扩散的模拟基于高斯模型和拉格朗日模型，因为这些方法不需要显式求解流场，计算成本较低（Cao等人，2020；Leel?ssy等人，2011）。然而，在具有密集建筑布局的核电站等几何结构复杂的区域，这些模型的预测性能受到限制，因为它们无法解析单个建筑物引起的详细流场畸变（de Sampaio等人，2008）。与高斯模型和拉格朗日模型相比，CFD模型能够更好地表示复杂几何形状周围的流动结构，从而减少了近场区域的结构模型不确定性。通过显式求解建筑物和局部湍流的影响，CFD提供了更符合物理现实的预测结果，并在捕捉空间变异性和减少与简化扩散假设相关的不确定性方面具有明显优势。因此，CFD已成为预测建筑物周围气流和污染物扩散的重要工具（Cui等人，2016b；Steffens等人，2013；Tominaga和Stathopoulos，2013）。例如，Dai等人（2018）系统评估了湍流模型、网格分辨率和其他数值参数对建筑物阵列内污染物扩散的影响。Lin等人（2021）使用RANS和LES模拟了建筑物尾流中高浮力废气的近场扩散。CFD也应用于放射性核素扩散问题。Jia等人（2023）使用CFD评估了放射性核素从线性源（如高速公路）向下游城市区域的传输，考虑了城市形态和植被等因素。Huang等人（2022a）使用参数化CFD模型研究了城市几何形状（如街道纵横比）对城市区域内放射性核素通风和扩散模式的影响。然而，这些研究在应用于核电站近场扩散时存在两个关键限制。首先，它们要么考虑的是理想化的建筑几何形状，要么聚焦于与实际核电站布局不同的城市街道峡谷。其次，更重要的是，很少同时研究多个气象因素的综合影响。因此，对这些因素如何相互作用以影响烟羽上升、传输距离和核电站附近地面浓度仍缺乏定量理解。

为了解决这些不足，本研究做出了以下贡献。首先，使用高分辨率卫星图像构建了中国一个运行中核电站的全尺寸CFD模型，捕捉了实际的建筑几何形状和烟囱配置。其次，该模型通过现场SF₆示踪实验数据进行了验证，提供了模型性能的定量评估。第三，在不同风向、风速和大气稳定性条件下进行了系统的参数研究，能够量化这些因素对烟羽扩散的交互作用。这些发现提高了对复杂气象条件下大气传输过程的理解，并为核电站的辐射影响缓解提供了初步参考。

节选内容

现场实验

本研究以中国沿海东南部的一个核电站为研究对象，进行了数值模拟和现场示踪实验。在该电站内，有一个100米高的气象塔——同时也是示踪剂释放地点——配备了现场仪器，用于在10米、30米、50米、70米和100米的高度测量关键大气参数，包括风速、风向和温度。

部署了八个测量点（A1–A4和B1–B4）

CFD模型验证

图3比较了所有采样点处的模拟风速、风向和空气温度。图中的红色误差条表示模型的平均相对误差。在图3(a)和(b)中，黑色误差条表示由于室外风场的非稳定性导致的瞬时风速和风向波动范围，而黑色方块表示时间平均的实验值。模拟的风速和

讨论

本研究使用CFD模型系统研究了风向、风速和大气稳定性条件对放射性核素扩散的影响，该模型通过在中国某核电站进行的现场示踪实验得到了验证。

现场实验设计严谨，但仍受到运行限制、安全规定以及风向和降水等气象变化的制约。这些因素限制了示踪剂浓度数据

结论

本研究结合现场实验和数值模拟，研究了不同气象条件对核电站烟囱释放的放射性核素扩散特性的影响。主要结论总结如下：

• (1)
  模拟结果与测量结果的一致性表明，Realizable k–ε模型和采用的数值方案适用于模拟气流和大气扩散

CRediT作者贡献声明

刘新宇：撰写——初稿、可视化、软件开发。谢东：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金申请。李正明：撰写——审稿与编辑、方法论、正式分析。王晨华：撰写——审稿与编辑、监督、数据整理。

资助

国家自然科学基金（资助编号：12275122）和
湖南省研究生科学研究创新项目（资助编号：CX20200938）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢实验室的研究生和所有现场工作人员参与并协助实验。我们还要感谢福清核电站提供实验所需的设备和历史气象数据。