核燃料循環設施煙囪排放高度優化研究

盛青，汪萍，滕柯延，林櫻，王一川，呂彩霞，張露

(1.環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082；2.環境保護部環境工程評估中心，北京 100012)

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核燃料循環設施煙囪排放高度優化研究

盛青1，汪萍1，滕柯延1，林櫻2，王一川1，呂彩霞1，張露1

(1.環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082；2.環境保護部環境工程評估中心，北京 100012)

為進一步優化核設施氣載流出物煙囪排放高度，統籌考慮環境和經濟效益，采用CAIRDOS程序模擬預測7種排放高度情景下，某核設施氣載流出物所致廠址5 km范圍內長期大氣彌散因子和所致公眾個人有效劑量的分布。研究結果表明，核燃料循環設施流出物對環境和公眾影響較大的放射性核素為U-234，長期彌散因子和所致公眾個人有效劑量最大值均出現在東南東(ESE)方位。10 m、30 m和60 m煙囪下所致公眾個人有效劑量的峰值分別為80 m煙囪的6.78倍、3.41倍和1.60倍，因此增加煙囪高度可有效減少公眾個人有效劑量。150 m和200 m煙囪下所致公眾個人有效劑量的峰值分別為80 m煙囪的39.32%和32.51%，因而過高的煙囪可進一步減少公眾個人有效劑量，但劑量的減小幅度明顯小于煙囪高度的增加幅度。綜合考慮環境影響和經濟效益，一般情況下，核設施優先考慮的煙囪高度為80 m。

核燃料循環設施；CAIRDOS程序；煙囪高度；環境影響

核燃料循環設施運行過程中的氣載流出物經煙囪向環境釋放，通過大氣彌散對周邊環境和公眾產生一定影響[1-3]。從輻射環境影響角度分析，煙囪越高，氣載流出物的彌散程度就越大，其對公眾和環境的影響也就越小[4-5]，但考慮煙囪造價一般與高度的平方成正比[5]，過高的煙囪不僅會加重企業的經濟負擔，還會對周邊景觀環境造成負面影響[6-7]。當前我國核設施煙囪高度缺乏明確的設計規范，大部分新建煙囪沒有經過科學合理的優化分析，部分核設施廠址煙囪林立，高矮不一，給核工業的清潔能源產業形象帶來不利影響。因此，在核設施設計建造過程中，如何科學合理地確定煙囪高度，統籌考慮環境和經濟效益[8-9]，成為核設施建設項目環境影響的關注重點。

1 材料與方法

本文采用CAIRDOS[10]程序對某核設施化工生產線氣載流出物的輻射影響進行計算。該程序采用國家核安全局推薦的高斯直線煙羽模型[11]計算放射性核素在大氣中的彌散過程。在估算放射性核素對公眾造成的輻射劑量時，考慮了放射性核素空氣浸沒外照射、地表沉積外照射、空氣吸入內照射和食入內照射等途徑[12-13]。該程序廣泛應用于我國核設施建設項目正常運行工況輻射環境影響的計算，可估算評價范圍內年均大氣彌散因子、核素濃度及所致公眾的年有效劑量值。本文通過比較不同釋放高度(煙囪高度)所致廠址周邊主要放射性核素的濃度和公眾個人有效劑量的分布及變化情況，提出煙囪高度優化選擇的建議。

1.1 項目概況

該核設施化工生產工程擬建一煙囪，用于該工程正常運行過程中氣載流出物(主要含富集度為5%的鈾氣溶膠)的排放，煙囪直徑3 m，廠址邊界為距煙囪300 m的圓形邊界。設計排放量為1.20×109Bq/a，主要釋放核素為U-234、U-235和U-238，排放量分別為1.06×109Bq/a、3.47×107Bq/a和1.02×108Bq/a。

1.2 氣象條件及預測方案

圖1為廠址所在地氣象站2011—2013年地面風玫瑰圖。廠址所在地氣象站2011—2013年連續3年觀測資料顯示，年平均風速為2 m/s，主導風向為西北西(WNW)至西北北(NNW)之間，風頻之和為43.7%，其中WNW風向為20.5%，年靜風頻率為9.1%。該地年均總降水量為951.6 mm，不同風向的年均降水量如圖2所示。

圖1 地面風頻分布特征Fig.1 Distribution characteristics of ground wind frequency

圖2 降雨分布特征Fig.2 Distribution characteristics of rainfall

本文將擬建煙囪高度設計為10 m、30 m、60 m、80 m、100 m、150 m和200 m，分別進行模擬計算，以獲得一個排放效果較好、影響較低的優化高度。

2 結果與分析

經計算，該工程對80 km范圍內東南東(ESE)方位的公眾輻射影響貢獻最大，主要核素為U-234，因此本文主要選取U-234核素ESE方位5 km范圍內的長期彌散因子及其所致公眾個人有效劑量值和個人有效劑量大于1 μSv/a的區域數量(不考慮人口分布的實際情況，該值可表征所致公眾集體有效劑量)進行比較，同時選取東北(NE)、西南(SW)和西北(NW)3個方位對比分析。并將煙囪高度按照低矮煙囪、高煙囪和特高煙囪分別進行比較，其中低矮煙指高度為10 m和30 m，高煙囪指高度為60 m、80 m和100 m，特高煙囪指高度為150 m和200 m。

2.1 低矮煙囪與高煙囪

10 m、30 m、60 m和80 m煙囪高度下，ESE、NE、SW和NW方位的U-234長期彌散因子分布如圖3所示，各方位的公眾個人有效劑量分布如圖4所示，ESE方位各距離處的U-234核素所致公眾個人有效劑量值如表1所示。

圖3 10～80 m煙囪高度下的U-234長期彌散因子分布Fig.3 Long term dispersion factor distribution of U-234 at the stack height of 10-80 m

圖4 不同煙囪高度下的公眾個人有效劑量分布Fig.4 Public personal effective dose at different stack heights

煙囪高度/m不同距離處的公眾個人有效劑量/(μSv/a)0.3km0.5km1km1.5km2km3km4km5km102.19×101.54×106.333.452.181.511.118.71×10-1301.10×1019.894.652.591.651.158.50×10-16.71×10-1603.435.163.382.031.349.46×10-17.07×10-15.68×10-1801.833.232.761.771.208.60×10-16.54×10-15.26×10-1

由圖3可以看出，各方位U-234長期彌散因子分布基本呈現近大遠小的趨勢。0～3 km范圍內，U-234濃度值變化為10 m >30 m >60 m >80 m，3 km外基本趨于一致。從峰值來看，10 m煙囪高度長期彌散因子峰值為7.29×10-6s/m3，位于廠址邊界0.3 km處；30 m煙囪高度峰值為3.48×10-6s/m3，位于廠址邊界0.3 km處；60 m煙囪高度峰值為1.59×10-6s/m3，位于廠址邊界0.5 km處；80 m煙囪高度峰值9.14×10-7s/m3，位于廠址邊界0.5 km處。高煙囪將導致地面核素濃度峰值由廠址邊界外延到0.5 km處。10 m煙囪所致地面濃度峰值約為60 m煙囪的5倍，約為80 m煙囪的8倍，表明相較于低矮煙囪，高煙囪可以有效降低核素地面峰值濃度。

對于公眾個人有效劑量，由表1、圖4中可以看出：①針對公眾最大個人有效劑量值，10 m煙囪高度下為21.9 μSv/a，約為30 m高度11 μSv/a的2倍、60 m煙囪高度5.16 μSv/a的4.2倍、80 m煙囪高度3.23 μSv/a的6.78倍。②10 m煙囪高度下，5 km范圍內公眾個人有效劑量大于1 μSv/a的區域共52個，約占全部區域數量的32.5%；30 m煙囪高度下共45個，約占全部區域數量的28.1%；60 m煙囪高度下共29個，約占全部區域數量的18.1%；80 m煙囪高度下共17個，約占全部區域的10.63%。80 m高度下高值區個數約為10 m高度的32.69%，30 m高度的37.78%，表明相較于低矮煙囪，高煙囪可有效減少公眾個人有效劑量的高值區域。

2.2 高煙囪與特高煙囪

在80m、100 m、150 m和200 m煙囪高度下，ESE、NE、SW和NW方位U-234核素的長期彌散因子分布如圖5所示，各方位的公眾個人有效劑量如圖6所示，ESE方位各距離處的U-234核素所致公眾個人有效劑量如表2所示。

圖5 80～200 m煙囪高度下的U-234長期彌散因子分布Fig.5 Long term dispersion factor distribution of U-234 at the stack height of 80-200 m

圖6 80～200 m煙囪高度下的公眾個人有效劑量分布Fig.6 Public personal effective dose at the stack height of 80-200 m

煙囪高度/m不同距離處的公眾個人有效劑量/(μSv/a)0.3km0.5km1km1.5km2km3km4km5km801.833.232.761.771.208.60×10-16.54×10-15.26×10-11001.302.022.231.551.087.90×10-16.11×10-14.93×10-11501.088.60×10-11.271.108.46×10-16.51×10-15.12×10-14.14×10-12001.056.71×10-17.28×10-17.67×10-16.58×10-15.38×10-14.40×10-13.67×10-1

由圖5可以看出，100 m和150 m煙囪高度下的U-234核素長期彌散因子峰值位于1 km處，200 m煙囪高度下的長期彌散因子峰值又外延至1.5 km。U-234核素長期彌散因子的分布趨勢為80 m>100 m>150 m>200 m。100 m、150 m和200 m煙囪高度下長期彌散因子峰值為6.72×10-7s/m3、3.36×10-7s/m3和1.96×10-7s/m3，分別為80 m煙囪高度峰值的73.52%、36.76%和21.44%。

關于公眾個人有效劑量，由表2、圖6可以看出：①100 m煙囪高度下的公眾最大個人有效劑量值為2.23 μSv/a，150 m煙囪高度下為1.27 μSv/a，200 m煙囪高度下為1.05 μSv/a，分別為80 m煙囪高度的69.04%、39.32%和32.51%，說明過高的煙囪對于降低公眾個人有效劑量并不明顯。②100 m煙囪高度下，5 km范圍內公眾個人有效劑量大于1 μSv/a的區域(高值區)共12個，約占全部區域的7.5%；150 m高度下共6個，約占全部區域的3.75%；200 m高度下共2個，約占全部區域的1.25%。

綜合上述分析可知，隨著煙囪高度的增加，公眾最大個人有效劑量在逐漸減小。但與此同時，煙囪高度由10 m到80 m增加了70 m，公眾最大個人有效劑量由21.9 μSv下降到1.83 μSv，下降了近11倍；而從80 m到200 m增加了120 m，公眾最大個人有效劑量僅由1.83 μSv降到1.05 μSv，僅下降了74.28%，降幅明顯趨緩。因此，建設過高的煙囪并不能顯著降低公眾個人有效劑量。

3 結論

(1)核燃料循環設施煙囪的高度對廠址近區(3 km范圍內)的影響較為明顯，煙囪越高，氣載流出物在環境中越能得到足夠的稀釋彌散，其所致公眾個人有效劑量的峰值濃度和高值區域也越少，對環境和公眾的影響也就越小。公眾個人有效劑量高值區域的減少可有效減少廠址周邊公眾集體有效劑量水平。

(2)相比于80 m煙囪高度，10 m煙囪下，其所致公眾個人有效劑量的最大值和高值區分別為80 m煙囪的6.78倍和3.1倍；30 m煙囪和60 m煙囪下所致公眾個人有效劑量的最大值和高值區分別為80 m煙囪的3.41倍、2.65倍和1.60倍、1.71倍。高煙囪可有效減少公眾個人有效劑量峰值和公眾集體有效劑量水平。

(3)150 m和200 m煙囪下所致公眾個人有效劑量的最大值為80 m煙囪的39.32%和32.51%。煙囪高度由10 m到80 m增加了70 m，公眾最大個人有效劑量下降了近11倍；而從80 m到200 m增加了120 m，公眾最大個人有效劑量僅下降了74.28%。因而過高的煙囪可進一步減少公眾個人有效劑量，但劑量的減小幅度明顯小于煙囪高度的增加幅度，并會將峰值區域向外擴展，增加對距離廠址較遠公眾的輻射影響，而且其建造成本也會成倍增加，并對周邊的景觀環境會帶來不利影響。因而對于本工程，建議煙囪建設高度設定為80 m，可使環境效益與經濟效益相協調。

(4)由于本次計算假設人口平均分布，與大部分核設施廠址周圍近區人口較為稀少、遠區人口較為稠密的實際情況不一致，因此在項目的具體實施過程中，項目設計時應結合項目的排放源項和廠址氣象條件及周邊人口分布情況對煙囪的排放高度進行進一步的優化論證。

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Study of Optimal Stack Height in Nuclear Fuel Cycle Facilities

SHENG Qing1, WANG Ping1, TENG Ke-yan1, LIN Ying2, WANG Yi-chuan1, LYU Cai-xia1, ZHANG Lu1

(1.Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082, China; 2.Appraisal Center for Environment & Engineering, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100021, China)

In order to further optimize the stack height in nuclear facilities by considering environmental and economic benefits as a whole, the CAIRDOS program is used to study the distribution of long term atmospheric dispersion factor and public personal effective dose within 5 km range of the facility under simulation scenarios of seven different emission altitudes in nuclear fuel cycle facilities. The results showed that the radionuclide U-234 has greater public effect among the effluents of nuclear fuel cycle facilities, and the greatest values of both long term atmospheric dispersion factor and public personal effective dose were found in ESE orientation. Peak values of public personal effective dose at the stack height of 10 m, 30 m and 60 m were 6.78, 3.41 and 1.60 times of that at the stack height of 80 m respectively, which suggested that the high stack can effectively reduce the public personal effective dose. However, peak values of public personal effective dose at the stack height of 150 m and 200 m were 39.32% and 32.51%of that at the stack height of 80 m respectively. Thus, high chimney can further reduce the public personal effective dose, but the decreased amplitude of dose is less than the growth of the stack height. Considering the environmental impact and economic benefits, the optimal stack height of nuclear facilities is 80 m.

nuclear fuel cycle facilities; CAIRDOS program; stack height; environmental impact

2016-08-25

本文由“受放射性污染土壤的評價與污染治理方法研究”(社會公益研究專項計劃)資助

盛青(1987—)，男，江蘇宿遷人，工程師，碩士，研究方向為輻射防護與環境影響評價，E-mail：shengqing0228@163.com

王一川(1984—)，女，河北灤縣人，工程師，碩士，研究方向為輻射防護與環境影響評價，E-mail：wangyichuan@chinansc.cn

10.14068/j.ceia.2017.04.014

X701

A

2095-6444(2017)04-0060-06