Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu và ứng dụng chương trình Flexpart trong đánh giá phát tán phóng xạ tầm xa

Chia sẻ: Phạm Kim Long | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:155

Thêm vào BST

Báo xấu

85
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án kiểm chứng năng lực tính toán phát tán phóng xạ trong khí quyển thông qua tai nạn nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi. Ứng dụng của mô hình trong đánh giá khả năng ảnh hưởng của phóng xạ phát tán từ các nhà máy điện hạt nhân của Trung Quốc.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu và ứng dụng chương trình Flexpart trong đánh giá phát tán phóng xạ tầm xa

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM * ------------------ PHẠM KIM LONG * PHẠM KIM LONG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ CHƯƠNG TRÌNH FLEXPART TRONG ĐÁNH GIÁ PHÁT TÁN PHÓNG XẠ TẦM XA LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ * HÀ NỘI - 2019 HÀ NỘI - 2019
BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ------------------ PHẠM KIM LONG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH FLEXPART TRONG ĐÁNH GIÁ PHÁT TÁN PHÓNG XẠ TẦM XA LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Mã số: 9.44.01.06 Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. PHẠM DUY HIỂN 2. TS. NGUYỄN HÀO QUANG Hà Nội – 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu và ứng dụng chương trình FLEXPART trong đánh giá phát tán phóng xạ tầm xa” là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Phạm Duy Hiển và TS. Nguyễn Hào Quang. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Tôi xin cam đoan luận án được tiến hành nghiên cứu một cách nghiêm túc, số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan trên. Hà Nội, ngày 14 tháng 9 năm 2019 Tác giả luận án NCS. Phạm Kim Long
LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh tại Trung tâm Đào tạo hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đến nay tôi đã hoàn thành nội dung nghiên cứu và hoàn thiện luận án tiến sĩ để bảo vệ các cấp. Để hoàn thành được các nghiên cứu này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ và góp ý nhiệt tình từ Quý thầy cô, đồng nghiệp, gia đình và bạn bè. Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban Lãnh đạo, cán bộ và Quý thầy cô Trung tâm Đào tạo hạt nhân,Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành nghiên cứu. Đặc biệt các thầy cô đã tận tình dậy bảo cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu. Nhờ có sự chỉ dậy, hướng dẫn của thầy cô đã giúp tôi trưởng thành hơn rất nhiều. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Phạm Duy Hiển và TS. Nguyễn Hào Quang, hai người thầy kính mến đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu, đã có những chỉ bảo, định hướng, nhận xét và đánh giá quý báu, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, tạo điều kiện giúp tôi hoàn thiện đề tài nghiên cứu này. Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến các chú, các anh và các bạn đồng nghiệp công tác tại Trung tâm Quan trắc phóng xạ và Đánh giá tác động môi trường - Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, Viện Vật lý Địa cầu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong nghiên cứu. Tôi xin được gửi lời cảm ơn sự hỗ trợ kỹ thuật quý báu của Trung tâm Tính toán hiệu năng cao – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Trung tâm Vật lý Hạt nhân – Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt đến PGS. TS. Petra Seibert đã hỗ trợ tôi rất nhiều kiến thức chuyên môn trong thời gian nghiên cứu tại Viện Khí tượng, Trường Đại học Tài nguyên thiên nhiên và Khoa học cuộc sống, Vienna, Áo. Xin gửi lời cảm ơn Chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp quốc gia KC.05/16-20 đã hỗ trợ một phần kinh phí giúp tôi thực hiện nghiên cứu này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện các nghiên cứu, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của Quý thầy cô, đồng nghiệp và các bạn./. Hà Nội, ngày 14 tháng 9 năm 2019 Tác giả luận án NCS. Phạm Kim Long
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. 3 DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................... 7 MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 10 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 14 1.1. Tổng quan về các nhà máy điện hạt nhân khu vực Đông Á ............................ 14 1.2. Tổng quan về đặc trưng khí tượng................................................................... 23 1.3. Tổng quan về mô hình phát tán phóng xạ ....................................................... 36 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ PHÁT TÁN PHÓNG XẠ TẦM XA SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH FLEXPART ......................................................... 44 2.1. Vận chuyển và phát tán hạt trong chương trình FLEXPART ......................... 44 2.2. Mô phỏng phát tán phóng xạ sử dụng chương trình FLEXPART .................. 50 2.3. Hệ thống tính toán hiệu năng cao .................................................................... 58 2.4. Số hạng nguồn cho bài toán mô phỏng phát tán phóng xạ .............................. 61 2.5. Dữ liệu khí tượng đầu vào ............................................................................... 64 2.6. Phân tích và xử lý số liệu mô phỏng đầu ra..................................................... 70 2.7. Các phương pháp đánh giá thống kê mô hình phát tán ................................... 77 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN .................................. 81 3.1. Vận chuyển của các nhân phóng xạ trong khí quyển từ Fukushima đến Đông Nam Á ..................................................................................................................... 81 3.1.1. Thiết kế mô phỏng phát tán phóng xạ từ Fukushima đến Tây Thái Bình Dương và Đông Nam Á .......................................................................................... 81 3.1.2. Vận chuyển khí quyển của các chất phóng xạ từ Fukushima đến TWP và SEA ......................................................................................................................... 84 3.1.3. So sánh nồng độ phóng xạ bề mặt giữa mô phỏng và quan trắc ................. 94 3.1.4. Những phát hiện mới của luận án ................................................................ 98 3.2. Ứng dụng FLEXPART trong đánh giá ảnh hưởng của phóng xạ phát tán từ NMĐHN Cảng Phòng Thành của Trung Quốc đến Việt Nam ............................... 99 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 107 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................................... 109 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ................................................................................................................ 110 1
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 111 PHỤ LỤC 1. Thông tin các nhà máy điện hạt nhân khu vực Đông Nam Á ........... 118 PHỤ LỤC 2. Mô tả mã nguồn sử dụng trong chương trình FLEXPART .............. 125 PHỤ LỤC 3. Cài đặt thư viện và chạy chương trình mô phỏng FLEXPART ........ 130 PHỤ LỤC 4. Thiết lập tùy chọn đầu vào cho FLEXPART .................................... 133 PHỤ LỤC 5. Dữ liệu quan trắc phóng xạ tại các trạm quan trắc trong khu vực Đông Á và Đông Nam Á .................................................................................................... 138 PHỤ LỤC 6. Đánh giá thống kê của 131I và 137Cs tại trạm Tokai-Mura ................. 148 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ACP1000 Chinese Advanced Pressurized Lò nước áp lực tiên tiến thế hệ III Water Reactor (Generation III) của Trung Quốc ACPR1000 Chinese Advanced Pressurized Lò nước áp lực tiên tiến thế hệ III Water Reactor (Generation III) của Trung Quốc BOKU University of Natural Resources Trường Đại học Tài nguyên thiên and Life Sciences, Vienna nhiên và Khoa học cuộc sống, Viên BWR Boiling Water Reactor Lò phản ứng nước sôi CEFR The China Experimental Fast Lò phản ứng nhanh thực nhiệm của Reactor Trung Quốc CFSR Climate Forecast System Mô hình hệ thống dự báo khí hậu tái Reanalysis model phân tích CFSv2 Climate Forecast System Version Mô hình hệ thống dự báo khí hậu 2 model phiên bản 2 CMC Canadian Meteorological Centre Trung tâm Khí tượng Canada CPR1000 Chinese Pressurized Water Lò nước áp lực thế hệ II+ của Trung Reactor (Generation II+) Quốc CTBTO Comprehensive Nuclear-Test-Ban Tổ chức Hiệp ước Cấm thử Hạt nhân Treaty Organization Toàn diện EAWM East Asian winter monsoon Gió mùa mùa đông Đông Á ECMWF European Centre for Medium- Trung tâm Dự báo thời tiết hạn vừa Range Weather Forecasts Châu Âu FBR Fast Breeder Reactor Lò tái sinh neutron nhanh FNPP Fukushima Daiichi Nuclear Power Nhà máy điện hạt nhân Fukushima Plant Daiichi FLEXPART FLEXible PARTicle dispersion Mô hình phát tán hạt FLEXPART model GCR Gas Cooled Reactor Lò phản ứng làm mát bằng khí GDAS Global Data Assimilation System Hệ thống đồng hóa dữ liệu toàn cầu GEM The Global Environmental Mô hình môi trường toàn cầu Multiscale Model GFS Global Forecast System Hệ thống dự báo khí tượng toàn cầu GMĐB Northeast Monsoon Gió mùa Đông Bắc GNU GPL GNU General Public License Giấy phép công cộng GNU HPR1000 Hualong One Advanced Lò nước áp lực tiên tiến Hualong-1 Pressurized Water Reactor thế hệ III của Trung Quốc 3
HTGR High Temperature Gas-Cooled Lò phản ứng khí nhiệt độ cao Reactor HWLWR Heavy Water Light Water Reactor Lò phản ứng nước nhẹ HYSPLIT The Hybrid Single Particle Mô hình quỹ đạo tích hợp của Lagrangian Integrated Trajectory NOAA Model IAEA International Atomic Energy Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc Agency tế ITCZ Inter Tropical Convergence Zone Dải hội tụ nhiệt đới JMA The Japan Meteorological Agency Cơ quan Khí tượng Nhật Bản JPDR Japan Power Demonstration Nhà máy điện hạt nhân JPDR của Reactor Nhật Bản IMS International Monitoring System Hệ thống quan trắc quốc tế INES The International Nuclear and Thang đo đánh giá mức độ sự cố hạt Radiological Event Scale nhân và phóng xạ LPDM Lagrangian Particle Dispersion Mô hình phát tán hạt Lagrangian Model MESO JMA’s mesoscale analyses Mô hình khí tượng của JMA MLDP0 Modèle Lagrangien de Dispersion Mô hình phát tán hạt Lagrangian của de Particules d’ordre 0 CMC NAIM North Australia – Indonesia Monsoon Gió mùa Bắc Australia và Indonesia NAME The Met Office's Numerical Mô hình phát tán khí quyển của Atmospheric-dispersion Modelling UKMET Environment NASA National Aeronautics and Space Cơ quan Hàng không và vũ trụ Hoa Administration Kỳ NCAR National Center for Atmospheric Trung tâm Nghiên cứu khí quyển Research Hoa Kỳ NCEP National Centers for Trung tâm Dự báo môi trường Hoa Environmental Prediction Kỳ NCL NCAR Command Language Ngôn ngữ lệnh NCL của NCAR NEA Northeast Asia Đông Bắc Á NILU Norwegian Institute for Air Viện nghiên cứu không khí Na Uy Research NMĐHN Nuclear Power Plant Nhà máy điện hạt nhân NOAA The U.S. National Oceanic and Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại Atmospheric Administration dương Hoa Kỳ NPP Nuclear Power Plant Nhà máy điện hạt nhân 4
NPR Nuclear Power Reactor Lò phản ứng điện hạt nhân PHWR Pressurized Heavy Water Reactor Lò phản ứng nước nặng áp lực PWR Pressurized Water Reactor Lò phản ứng nước áp lực RATM JMA's Regional Atmospheric Mô hình vận chuyển khí quyển khu Transport Model vực của JMA SEA Southeast Asia Đông Nam Á SEAM Southeast Asia Monsoon Gió mùa Đông Nam Á TWP Tropical Western Pacific Nhiệt đới Tây Thái Bình Dương UKMET The Met Office UK Cơ quan Dự báo thời tiết Anh UNSCEAR The United Nations Scientific Ủy ban Khoa học Liên Hiệp Quốc về Committee on The Effects of Ảnh hưởng Bức xạ Nguyên tử Atomic Radiation VINATOM Vietnam Atomic Energy Institute Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam WGRIB A program to manipulate, inventory Chương trình giải mã các tệp tin and decode GRIB files GRIB của NCEP WNPM Western of North Pacific Monsoon Gió mùa Tây Bắc Thái Bình Dương WMO World Meteorological Cơ quan Khí tượng thế giới Organization WRF The Weather Research and Mô hình nghiên cứu và dự báo thời Forecasting Model tiết ZAMG The Austrian Zentralanstalt für Viện Khí tượng và Địa chất trung Meteorologie und Geodynamik ương Áo 5
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Thông tin sản lượng điện hạt nhân khu vực Đông Á ........................... 15 Bảng 1.2. Các NMĐHN gần biên giới đất liền Việt Nam (phạm vi 1000 km) .... 17 Bảng 1.3. NMĐHN Fukushima Daiichi của Nhật Bản ......................................... 20 Bảng 1.4. Đặc trưng một số chương trình tính toán mô phỏng phát tán trong khí quyển ..................................................................................................................... 38 Bảng 1.5. Quá trình phát triển của chương trình mô phỏng FLEXPART ............ 42 Bảng 2.1. Hệ số hiệu chỉnh theo lượng mưa. Lượng mưa tính theo mm/h .......... 47 Bảng 2.2. Thông số các hệ thống tính toán hiệu năng cao................................... 60 Bảng 2.3. Hiệu năng tính toán trên siêu máy tính PARAM-HUST...................... 60 Bảng 2.4. Lượng phát thải ước tính trong thực tế của các nhân phóng xạ từ các tai nạn đã xảy ra theo các cấp độ thang INES ............................................................ 63 Bảng 2.5. Các mô hình khí tượng cho mô hình phát tán trong khí quyển ............ 64 Bảng 2.6. Các thông số khí tượng đầu vào mô hình CFSv2 NCEP ..................... 66 Bảng 2.7. Các tùy chọn xử lý số liệu đầu ra FLEXPART trong Quicklook......... 72 Bảng 2.8. Tốc độ hít thở theo nhóm tuổi .............................................................. 74 Bảng 2.9. Hệ số chuyển đổi liều chiếu trong do hít thở cho 131I và 137Cs ............. 74 Bảng 2.10. Hệ số chuyển đổi liều chiều ngoài cho 131I và 137Cs [63, 64] ............. 75 Bảng 3.1. Thời gian đến của phóng xạ và các đỉnh tại các trạm quan trắc........... 89 Bảng 3.2. Đánh giá thống kê giữa nồng độ phóng xạ mô phỏng và quan trắc tại mô phỏng I với kích thước hạt nhỏ (dp = 0.4 µm) ................................................ 96 Bảng 3.3. Đánh giá thống kê giữa nồng độ phóng xạ mô phỏng và quan trắc tại mô phỏng II với kích thước hạt lớn (dp = 0.6 µm) ................................................ 96 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Bản đồ các nhà máy điện hạt nhân khu vực Đông Á ............................ 14 Hình 1.2. Số lượng tổ máy kết nối lưới điện theo năm khu vực Đông Á ............. 15 Hình 1.3. Tỷ lệ công nghệ các lò phản ứng hạt nhân trong khu vực Đông Á ...... 16 Hình 1.4. Tuổi của các kiểu lò phản ứng đang hoạt động ở Đông Á.................... 16 Hình 1.5. Ảnh vệ tinh toàn cảnh NMĐHN Cảng Phòng Thành ........................... 17 Hình 1.6. Hệ thống làm mát chủ động (vạch đỏ) và bị động (vạch lục) của HPR1000. IRWST là bể chứa nước tiếp nhiên liệu trong ngăn chứa ................... 18 Hình 1.7. Tai nạn nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi .............................. 19 Hình 1.8. Phác thảo mặt cắt của lò phản ứng BWR Mark I điển hình được sử dụng trong các tổ máy 1 đến 5 của NMĐHN Fukushima Daiichi ........................ 20 Hình 1.9. Phân bố mảnh vỡ phân hạch của 233U, 235U và 239Pu ............................ 21 Hình 1.10. Sản phẩm 131I và 137Cs từ phân hạch hạt nhân của 235U và sơ đồ phân rã β- của 131I và 137Cs thành hạt nhân bền 131Xe và 137Ba..................................... 22 Hình 1.11. Biểu đồ so sánh mật độ không khí, áp suất, tốc độ âm thanh và nhiệt độ theo các tầng khí quyển [23] ............................................................................ 24 Hình 1.12. Hoàn lưu khí quyển lý tưởng hóa trên Trái Đất [24] .......................... 26 Hình 1.13. Dòng xiết cận nhiệt đới (Subtropical Jet Stream) và dòng xiết cực (Polar Jet Stream) [24] .......................................................................................... 28 Hình 1.14. Trung tâm hoạt động của hệ thống xoáy thuận nghịch vào mùa đông (a) và mùa hè (b) [24] ............................................................................................ 29 Hình 1.15. Đặc trưng của xoáy thuận (L) và xoáy nghịch (H) [24] ..................... 30 Hình 1.16. Đặc trưng của biên lạnh (Cold Front) [24] ......................................... 31 Hình 1.17. Ảnh vệ tinh một cơn bão ngoài khơi tiến vào đất liền Việt Nam ....... 33 Hình 1.18. Gió đất – biển thời điểm ban ngày và ban đêm .................................. 34 Hình 1.19. Gió núi – thung lũng thời điểm ban ngày và ban đêm ........................ 35 Hình 1.20. Mô tả một chùm phát tán Gaussian (Nguồn: Wikipedia) ................... 36 Hình 1.21. So sánh hai mô hình toán học Eulerian và Lagrangian....................... 37 Hình 1.22. Các tổ chức tham gia tính toán phát tán phóng xạ do tai nạn Fukushima theo WMO report (2013).................................................................... 40 Hình 2.1. Sơ đồ thiết lập mô phỏng trong chương trình FLEXPART .................. 50 Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc gọi chương trình trong FLEXPART ............................. 54 Hình 2.3. Hệ thống siêu máy tính PARAM-HUST .............................................. 59 7
Hình 2.4. Phát thải của 131I và 137Cs trong thời gian xảy ra sự cố hạt nhân Fukushima Daiichi số hạng nguồn Terada (2012) và Katata (2015) .................... 62 Hình 2.5. Các cấp sự cố và tai nạn hạt nhân theo thang đo INES của IAEA ....... 63 Hình 2.6. Mô hình khí tượng đầu vào cho chương trình FLEXPART ................. 65 Hình 2.7. Truy cập kho dữ liệu khí tượng CFSv2 NCEP ..................................... 67 Hình 2.8. Lựa chọn thời gian và thông số khí tượng đầu vào cho FLEXPART .. 68 Hình 2.9. Lựa chọn chi tiết các thông số khí tượng CFSv2 cho FLEXPART...... 68 Hình 2.10. Áp suất khí quyển (Pa) thời điểm xảy ra tai nạn NMĐHN Fukushima (11/3/2011) ............................................................................................................ 69 Hình 2.11. Bản đồ phát tán phóng xạ toàn cầu vẽ bằng chương trình Quicklook 71 Hình 2.12. Mô phỏng phát tán phóng xạ từ NMĐHN Fukushima sử dụng chương trình pflexible ........................................................................................................ 76 Hình 2.13. Mô phỏng phát tán phóng xạ toàn cầu sử dụng chương trình reflexible ............................................................................................................................... 77 Hình 3.1. Vị trí của các trạm quan trắc hoạt động trong thời gian tai nạn FNPP trong khu vực TWP và SEA (các điểm đỏ). Vị trí NMĐHN Fukushima điểm sao vàng. ...................................................................................................................... 82 Hình 3.2. Phát thải của 131I và 137Cs trong thời gian xảy ra tai nạn Fukushima theo Katata và cộng sự (2015) ...................................................................................... 83 Hình 3.3. Đặc trưng khí tượng thời điểm bắt đầu xảy ra tai nạn Fukushima với áp suất mực nước biển (Pa) thang màu, tốc độ và hướng gió (m/s) .......................... 85 Hình 3.4. Đặc trưng khí tượng dẫn đến các chùm phóng xạ lan truyền về Đông Nam Á các ngày 18/3 và 4/4 ................................................................................. 86 Hình 3.5. Quỹ đạo lan truyền phóng xạ từ tai nạn Fukushima đến khu vực Đông Nam Á ................................................................................................................... 86 Hình 3.6. Nồng độ phóng xạ 137Cs (µBq/m3) phát tán trong khí quyển tại độ cao từ bề mặt đến 2 km (lớp biên hành tinh) phía Bắc Bán cầu .................................. 87 Hình 3.7. Nồng độ phóng xạ 137Cs (µBq/m3) phát tán trong khí quyển tại độ cao từ 2 km đến 8 km (lớp giữa tầng Đối lưu) phía Bắc Bán cầu ............................... 88 Hình 3.8. Nồng độ phóng xạ 137Cs (µBq/m3) phát tán trong khí quyển tại độ cao từ 8 km đến 12 km phía Bắc Bán cầu ................................................................... 88 Hình 3.9. Nồng độ phóng xạ 131I (µBq/m3) ở độ cao 0-2 km ............................... 91 Hình 3.10. Nồng độ phóng xạ 131I (µBq/m3) ở độ cao 2-10 km ........................... 92 Hình 3.11. Sự phụ thuộc của nồng độ phóng xạ 131I (xanh) và 137Cs (đỏ) từ Fukushima đến Đông Nam Á trong thời gian xảy ra chùm khu vực thứ hai ........ 93 Hình 3.12. So sánh nồng độ phóng xạ 131I quan trắc (cột lam), mô phỏng 1 (đỏ) và mô phỏng 2 (lục) tại các trạm quan trắc ........................................................... 94 8
Hình 3.13. So sánh nồng độ phóng xạ 137Cs quan trắc (cột lam), mô phỏng 1 (đỏ) và mô phỏng 2 (lục) tại các trạm quan trắc ........................................................... 95 Hình 3.14. Biều đồ phân tán giữa nồng độ mô phỏng và quan trắc của 131I (mô phỏng I) và 137Cs (mô phỏng II) tại các trạm quan trắc khu vực TWP và SEA. Đường kẻ đen là đường tỉ lệ 1:1, đường nét đứt thể hiện hệ số FA5 .................... 97 Hình 3.15. Thời điểm frông lạnh đợt 1 tháng 1/2018 xuất hiện (a) và di chuyển đến vị trí NMĐHN Cảng Phòng Thành (b)......................................................... 100 Hình 3.16. Thời điểm frông lạnh đợt 2 tháng 1/2018 xuất hiện (a) và di chuyển đến vị trí NMĐHN Cảng Phòng Thành (b)......................................................... 101 Hình 3.17. Diễn biến nồng độ phóng xạ 131I (µBq/m3) phát tán ở lớp biên khi frông lạnh đợt 1 di chuyển qua vị trí Cảng Phòng Thành .................................. 102 Hình 3.18. Diễn biến nồng độ phóng xạ 131I (µBq/m3) phát tán ở lớp biên khi frông lạnh đợt 2 di chuyển qua vị trí Cảng Phòng Thành ................................... 102 Hình 3.19. Diễn biến nồng độ phóng xạ 137Cs (µBq/m3) phát tán ở lớp biên khi frông lạnh đợt 1 di chuyển qua vị trí Cảng Phòng Thành ................................... 103 Hình 3.20. Diễn biến nồng độ phóng xạ 137Cs (µBq/m3) phát tán ở lớp biên khi frông lạnh đợt 2 di chuyển qua vị trí Cảng Phòng Thành ................................... 103 Hình 3.21. Diễn biến nồng độ phóng xạ 131I thu được tại 3 điểm quan trắc ....... 104 Hình 3.22. Diễn biến nồng độ phóng xạ 137Cs thu được tại 3 Hải Phòng, Vinh và Đà Nẵng............................................................................................................... 105 9
MỞ ĐẦU Giới thiệu chung Dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Phạm Duy Hiển và TS. Nguyễn Hào Quang, tôi thực hiện đề tài "Nghiên cứu và ứng dụng chương trình FLEXPART trong đánh giá phát tán phóng xạ tầm xa" với mong muốn đóng góp một phần nhỏ trong lĩnh vực quan trắc, cảnh báo và ứng phó sự cố phóng xạ môi trường. Mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của phóng xạ phát tán tầm xa tác động đến Việt Nam thông qua mô phỏng các chất phóng xạ lan truyền trong bầu khí quyển, từ đó triển khai kế hoạch ứng phó hay các biện pháp đảm bảo an toàn phù hợp trong trường hợp xảy ra sự cố. Luận án này là hướng nghiên cứu mới ở Việt Nam trong lĩnh vực đánh giá phát tán phóng xạ trong khí quyển, và là một trong những yêu cầu đặt ra trong tiến trình phát triển ngành hạt nhân của nước ta. Trong giai đoạn đầu nội dung nghiên cứu bước đầu đạt kết quả và được tham gia thực hiện Đề tài "Nghiên cứu, đánh giá khả năng phát tán và ảnh hưởng của phóng xạ từ các nhà máy điện hạt nhân Cảng Phòng Thành và Xương Giang đến Việt Nam", thuộc Chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp quốc gia giai đoạn 2016-2020 về Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ năng lượng (KC05.07/16-20) do TS. Nguyễn Hào Quang chủ trì thực hiện. Với những kinh nghiệm có được qua quá trình học tập tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên với luận văn tốt nghiệp “Đánh giá bước đầu về an toàn bức xạ đối với hoạt động khai thác đồng tại mỏ Sin Quyền tỉnh Lào Cai”, đến khi là học viên cao học với đề tài “Đánh giá khả năng phát tán phóng xạ trong môi trường khí tại nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận 1”. Đề tài "Nghiên cứu và ứng dụng chương trình FLEXPART trong đánh giá phát tán phóng xạ tầm xa" là nội dung nghiên cứu tiếp theo của tôi theo định hướng an toàn bức xạ và hạt nhân, phục vụ công tác quan trắc, cảnh báo và ứng phó sự cố phóng xạ môi trường. 10
Lý do chọn đề tài Các bài học từ các tai nạn hạt nhân lớn đã xảy ra như thảm họa Chernobyl 1986, hay tai nạn Fukushima 2011, cho thấy tầm quan trọng đặc biệt của việc quan trắc phóng xạ môi trường, mô phỏng, tính toán và đánh giá phát tán chất phóng xạ từ các nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) nhằm ứng phó các sự cố có thể xảy ra khi nhà máy hoạt động. Trong số các NMĐHN gần nước ta, đặc biệt phải kể đến nhà máy ở Cảng Phòng Thành của Trung Quốc cách biên giới nước ta chưa đầy 50 km, cách thủ đô Hà Nội khoảng chừng 250 km. Yêu cầu đặt ra cho chúng ta là phải xây dựng được mạng lưới quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường để quan trắc các diễn biến bất thường về phóng xạ trong khí quyển, kết hợp với tính toán mô phỏng để đánh giả khả năng phát tán chất phóng xạ từ đó có các biện pháp cảnh báo hay ứng phó sự cố kịp thời. Do các yêu cầu cấp thiết trên tôi thực hiện đề tài "Nghiên cứu ứng dụng chương trình FLEXPART trong đánh giá phát tán phóng xạ tầm xa" với mong muốn đóng góp một phần nhỏ trong lĩnh vực quan trắc, cảnh báo và ứng phó sự cố phóng xạ môi trường. Mục tiêu của luận án nhằm đưa ra được mô hình phù hợp để đánh giá khả năng phát tán của các chất phóng xạ tầm xa tác động đến Việt Nam, từ đó có những kế hoạch ứng phó hay biện pháp đảm bảo an toàn thích ứng. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Tìm hiểu mô hình toán học và chương trình mô phỏng phù hợp cho bài toán phát tán phóng xạ tầm xa. Tìm hiểu mô hình khí tượng đáp ứng yêu cầu của chương trình mô phỏng và các công cụ phân tích dữ liệu khí tượng. Kiểm chứng năng lực tính toán phát tán phóng xạ trong khí quyển thông qua tai nạn NMĐHN Fukushima Daiichi. Ứng dụng của mô hình trong đánh giá khả năng ảnh hưởng của phóng xạ phát tán từ các NMĐHN của Trung Quốc. 11
Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Chương trình FLEXPART sử dụng mô hình phát tán hạt Lagrangian được áp dụng để mô phỏng các nhân phóng xạ phát tán từ các NMĐHN trong bầu khí quyển. Mô hình dữ liệu khí tượng toàn cầu (CFSv2, GFS) được thu thập và sử dụng làm dữ liệu khí tượng đầu vào cho chương trình FLEXPART. Bên cạnh đó, các dữ liệu khí tượng thu thập được phân tích bằng phần mềm Panoply của NASA để đánh giá các đặc trưng khí tượng, qua đó diễn giải được quá trình lan truyền của phóng xạ trong bầu khí quyển. Hệ thống tính toán hiệu năng cao (PARAM-HUST) của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội được sử dụng để chạy các bài toán mô phỏng sử dụng chương trình FLEXPART và phân tích các dữ liệu đầu ra. Các phương pháp đánh giá thông kê để kiểm chứng sự phù hợp giữa mô hình phát tán trong khí quyển với quan trắc thực nghiệm được sử dụng để đánh giá khả năng áp dụng chương trình FLEXPART trong mô phỏng phát tán phóng xạ tầm xa trong bầu khí quyển từ các NMĐHN. Mô phỏng phát tán của 131 I và 137 Cs trong khí quyển từ tai nạn NMĐHN Fukushima Daiichi đến Tây Thái Bình Dương và Đông Nam Á được thực hiện nhằm mục đích kiểm chứng năng lực tính toán và khả năng đáp ứng của chương trình FLEXPART trong nghiên cứu đánh giá phát tán phóng xạ tầm xa. Ứng dụng mô hình phát tán trong các kịch bản phát tán phóng xạ từ NMĐHN Cảng Phòng Thành, Trung Quốc. Mục đích đánh giá khả năng ảnh hưởng của phóng xạ phát tán từ NMĐHN gần biên giới Việt Nam. Ý nghĩa khoa học của luận án Luận án đã nghiên cứu khả năng áp dụng mô hình phát tán được sử dụng trong chương trình FLEXPART để mô phỏng quá trình vận chuyển và phát tán của các chất phóng xạ trong khí quyển. Thông qua việc so sánh các kết quả mô phỏng phát tán phóng xạ trong trường hợp tai nạn NMĐHN Fukushima với kết 12
quả đo đạc thực tế tại 10 trạm quan trắc trong vùng Tây Thái Bình Dương và Đông Nam Á, khả năng áp dụng mô hình đã được khẳng định. Mô hình phát tán và chương trình FLEXPART là một công cụ hữu ích phục vụ hiệu quả công tác chuẩn bị và ứng phó sự cố hạt nhân có khả năng ảnh hưởng đến Việt Nam, nhất là từ các NMĐHN gần biên giới nước ta. Bố cục của luận án Luận án gồm 100 trang nội dung, 18 bảng, 57 hình, 03 công trình được công bố (02 bài báo và 01 báo cáo tại Hội nghị hạt nhân toàn quốc), 79 tài liệu tham khảo, 6 phụ lục, và được phân bổ như sau: Mở đầu: Giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài (4 trang); Chương 1: Tổng quan về các NMĐHN trong khu vực Đông Á, về mô hình phát tán phóng xạ và đặc trưng khí tượng (30 trang); Chương 2: Phương pháp đánh giá phát tán phóng xạ tầm xa sử dụng chương trình FLEXPART (37 trang); Chương 3: Các kết quả nghiên cứu và bàn luận (26 trang); Phần kết luận và các kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo (3 trang); Cuối cùng là danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án, tài liệu tham khảo, và các phụ lục. 13
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về các nhà máy điện hạt nhân khu vực Đông Á 1.1.1. Giới thiệu Việt Nam nằm trong khu vực Đông Nam Á, nơi tiếp giáp khu vực Đông Á hiện có 04 quốc gia và lãnh thổ có NMĐHN đang hoạt động, bao gồm: Trung Quốc, Đài Loan, Nhật Bản và Hàn Quốc (Hình 1.1) [1]. Tổng số 48 NMĐHN với 157 tổ máy, trong đó 116 tổ máy đang hoạt động, 20 tổ máy đang xây dựng và 21 tổ máy đã ngừng hoạt động, không tính đến các nhà máy có kế hoạch xây dựng (chi tiết xem Phụ lục 1). Hình 1.1. Bản đồ các nhà máy điện hạt nhân khu vực Đông Á. Số lượng 157 tổ máy của các NMĐHN khu vực Đông Á kết nối lần đầu vào lưới điện theo năm như trong Hình 1.2, trong đó nhà máy JPDR (công suất 90 MW) đặt tại Tokai-Mura của Nhật Bản là NMĐHN đầu tiên ở châu Á đưa vào 14
hoạt động ngày 26/10/1963, sau 13 năm đã ngừng hoạt động vào 18/3/1976 [1]. Sau tai nạn NMĐHN Fukushima Daiichi năm 2011, vấn đề xây dựng NMĐHN ở các nước trong khu vực có phần chậm lại, tuy nhiên đến năm 2015 số lượng NMĐHN kết nối lưới điện đạt đỉnh điểm với 9 tổ máy (Hình 1.2). Hình 1.2. Số lượng tổ máy kết nối lưới điện theo năm khu vực Đông Á. Tính đến hết năm 2018, Trung Quốc có số lượng tổ máy đang hoạt động lớn nhất (46 tổ máy) với tổng sản lượng điện hạt nhân gần 250 nghìn GW.h chiếm 3,94% tổng sản lượng điện quốc gia (Bảng 1.1) [1]. Đây cũng là quốc gia có số lượng tổ máy đang xây dựng lớn nhất và có kế hoạch sẽ xây dựng thêm số lượng lớn các NMĐHN trong tương lai [2]. Bảng 1.1. Thông tin sản lượng điện hạt nhân khu vực Đông Á. Tổng Tổ máy Chiếm tổng Công suất Quốc gia số nhà Đang hoạt Đang xây sản lượng Ngừng (GW.h) máy động dựng điện China 16 46 11 0 247469 3,94% Japan 7 42 2 18 29073 3,61% Korea 21 24 5 1 141098 27,12% Taiwan 4 4 2 2 21560 9,33% 15