Tài liệu 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 công trình nghiên cứu của riêng tôi. 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 công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào từ trước đến nay. Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về công trình nghiên cứu của riêng mình ! Học viên Mã Văn Quang 3 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng 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 tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn các cán bộ trong Trung tâm An toàn 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 tôi trong suốt quá trình học tập tại đây. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn cổ vũ, giúp đỡ tôi để hoàn 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 MÔ HÌNH PHÁT TÁN PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ ................................................................. 13 1.1. Phương trình cơ bản để tính nồng độ chất ô nhiễm trong khí quyển ..................... 13 1.2. Cơ sở lý thuyết của mô hình Gauss ........................................................................14 1.2.1. Công 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 toán 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 nông nghiệp và chăn nuôi ........................................................53 4.5. Kết quả tính toán phân bố liều đối với môi 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 Lò phản ứng nước sôi 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 toàn 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 không 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 toàn 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: Mô 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 công 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 toán 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 còn 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 quá trình phát tán trong không khí và lắng đọng trên mặt đất sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường và con người. Do đó, việc đánh giá quá trình vận chuyển và phát tán của phóng xạ trong khí quyển và tính toán 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 toán 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 toán. 2. Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu đặc điểm công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 làm thông số đầu vào cho phần mềm đánh giá số hạng nguồn; - Nghiên cứu các mô hình phát tán phóng xạ trong không 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 thông 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 toán phát tán phóng xạ trong không khí NRC Dose 72. 4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu Luận văn nghiên cứu tập trung trong phạm vi đối với lò 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 ngoài 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 toàn bức xạ của công nghệ lò 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 công nghệ lò 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 toán phát toán phóng xạ trong môi trường không khí trong điều kiện nhà máy điện hạt nhân vận hành bình thường; - Các tài liệu về phương pháp tính toán của bộ phần mềm NRC Dose 72. • Phương pháp tính toán: Sử dụng chương trình tính toán NRC Dose 72 để tính toán 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 mô hình phát tán phóng xạ trong môi 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 PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ 1.1. Phương trình cơ bản để tính nồng độ chất ô nhiễm trong khí quyển Khi mô tả quá trình khuếch tán chất ô nhiễm trong không khí bằng mô hình toán 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 quát, trị số trung bình của nồng độ ô nhiễm trong không khí phân bố theo thời gian và không gian được mô 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 ô nhiễm. •C : Nồng độ chất ô nhiễm trong không khí. •t : Thời gian. • : Hệ số tính đến sự liên kết của chất ô nhiễm với các phần tử khác của môi trường không khí. •  : Hệ số tính đến sự biến đổi chất ô nhiễm thành các chất khác do những quá trình phản ứng hoá học xảy ra trên đường lan truyền. Tuy nhiên phương trình (1-1) trên rất phức tạp và nó chỉ là một hình thức mô phỏng sự lan truyền ô nhiễm. Trên thực tế để giải phương trình này người ta phải tiến hành đơn giản hoá 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 toán lan truyền ô nhiễm một chiều với nguồn thải Q. Cùng với điều kiện biên x   thì C  0 (Nồng độ ô 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 toán 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 toán 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 mô hình Gauss 1.2.1. Công thức cơ sở Lượng chất ô nhiễm trong luồng khói có thể được xem như tổng hợp của vô 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 ô 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 toán lan truyền chất ô nhiễm ở đây là bài toán hai chiều và do đó ta chọn công 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 . Ngoài ra, cần lưu ý rằng bài toán hai chiều ở đây là u chiều y và z thay vì cho chiều x và y trong công thức (1-3). Khi đó công 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 công thức cơ sở của mô hình lan truyền chất ô nhiễm theo luật phân phối chuẩn Gauss hay còn gọi là “Mô 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 xuôi 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 toán và lập trình. D.O.Martin đã đưa ra công thức tính  y ,  z như sau: σy = ax 0.894 và σz = bx c + b (1-11) Trong đó x – là khoảng cách xuôi 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 công 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 1001000 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 1001000 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 1001000 -9.6 2.0 0.0 -13.0 -34.0 -48.6 -29.2 16 Với các cấp độ ổn định khí quyển: A : Không ổn định nhất. B : Không ổn định trung bình. C : Không 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 xoáy thường lớn đến mức sự khuếch tán phân tử không đóng vai trò gì. Vì vậy việc đánh giá sự phát tán trong khí quyển dựa vào các mô hình toán 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 dòng khí ở mức mặt đất từ một nguồn điểm, chẳng hạn từ lối ra của ống xả, là mô hình quỹ đạo tuyến tính, hay là mô hình luồng khí Gauss [13]. Mô hình Gauss đối với một nguồn điểm liên tục được thể hiện trên Hình 1.4. 18 Hình 1.4: Mô hình luồng khí Gauss đối với một nguồn điểm liên tục Theo mô 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. Mô 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 không 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 không 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 hoàn toàn 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 công thức (1-12), còn 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 công thức tính toán khuếch tán chất ô nhiễm từ nguồn điểm cao liên tục. Khi tính toán nồng độ ô nhiễm trên mặt đất thì z = 0 và công 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 toàn 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 không khí (lớp không khí trên mặt đất khoảng trăm mét) và độ cao của ống khói. Khó tiên đoán 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 không khí. Một mẫu không khí sẽ giản nở ra do áp suất khí quyển giảm. Nếu mẫu không khí này không thu hay tỏa nhiệt thì sự giản nở là đoạn nhiệt và nhiệt độ của mẫu không khí sẽ sụt xuống. Đối với không khí khô, sự làm lạnh đoạn nhiệt này gây nên sự giảm nhiệt độ 1oC qua 100m lên cao. Đối với không 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 không khí lạnh nhanh hơn môi trường khí quyển xung quanh, do đó nó đạm đặc hơn không khí xung quanh và có xu hướng chìm xuống. Mẫu không khí chìm xuống ấm hơn không khí xung quanh và loãng 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