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

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.

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

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

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

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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ACP1000 Chinese Advanced Pressurized

Water Reactor (Generation III)

Lò nước áp lực tiên tiến thế hệ III của Trung Quốc

ACPR1000 Chinese Advanced Pressurized

Water Reactor (Generation III)

Lò nước áp lực tiên tiến thế hệ III của Trung Quốc

BOKU University of Natural Resources

and Life Sciences, Vienna

Trường Đại học Tài nguyên thiên nhiên và Khoa học cuộc sống, Viên

CEFR The China Experimental Fast

Reactor (Generation II+)

Lò nước áp lực thế hệ II+ của Trung Quốc

Treaty Organization

Tổ chức Hiệp ước Cấm thử Hạt nhân Toàn diện

Medium-Range Weather Forecasts

Trung tâm Dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu

Multiscale Model

Mô hình môi trường toàn cầu

GNU GPL GNU General Public License Giấy phép công cộng GNU

Pressurized Water Reactor

Lò nước áp lực tiên tiến Hualong-1 thế hệ III của Trung Quốc

HTGR High Temperature Gas-Cooled

Reactor

Lò phản ứng khí nhiệt độ cao

HYSPLIT The Hybrid Single Particle

Lagrangian Integrated Trajectory Model

Mô hình quỹ đạo tích hợp của NOAA

Agency

Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc

tế

Reactor

Nhà máy điện hạt nhân JPDR của Nhật Bản

Radiological Event Scale

Thang đo đánh giá mức độ sự cố hạt nhân và phóng xạ

Model

Mô hình phát tán hạt Lagrangian

MESO JMA’s mesoscale analyses Mô hình khí tượng của JMA

MLDP0 Modèle Lagrangien de Dispersion

Mô hình phát tán khí quyển của UKMET

Research

Viện nghiên cứu không khí Na Uy

NPR Nuclear Power Reactor Lò phản ứng điện hạt nhân

Transport Model

Mô hình vận chuyển khí quyển khu vực của JMA

SEAM Southeast Asia Monsoon Gió mùa Đông Nam Á

Committee on The Effects of Atomic Radiation

Ủy ban Khoa học Liên Hiệp Quốc về Ảnh hưởng Bức xạ Nguyên tử

Nam WGRIB A program to manipulate, inventory

and decode GRIB files

Chương trình giải mã các tệp tin GRIB của NCEP

WNPM Western of North Pacific Monsoon Gió mùa Tây Bắc Thái Bình Dương

Organization

Cơ quan Khí tượng thế giới

Forecasting Model

Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết

Meteorologie und Geodynamik

Viện Khí tượng và Địa chất trung ương Áo

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

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

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

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

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 "N ghiên 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

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

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 131I và 137Cs 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

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

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

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

Quốc gia số nhà Tổng

máy

Tổ máy

Công suất (GW.h)

Chiếm tổng sản lượng điện

Đang hoạt động Đang xây dựng Ngừng

Công nghệ lò phản ứng sử dụng trong các NMĐHN của các nước trong khu vực Đông Á gồm BWR, GCR, PWR, HWLWR, PHWR, FBR, HTGR [1] Trong đó kiểu lò phản ứng PWR và BWR chiếm tỉ lệ lớn tương ứng 66,9% và 26,1% như trong Hình 1.3

Hình 1.3 Tỷ lệ công nghệ các lò phản ứng hạt nhân trong khu vực Đông Á

Tính đến cuối 2018 tại khu vực Đông Á, NMĐHN Takahama-1 của Nhật Bản có thời gian hoạt động lâu nhất (44 năm) dựa trên công nghệ PWR (Hình 1.4) [1] Thập kỷ gần đây công nghệ lò PWR được lựa chọn đa số Trong đó công nghệ lò phản ứng nhanh FBR được Trung Quốc đưa vào sử dụng đầu tiên năm

2011 tại NMĐHN CEFR với mục đích để nghiên cứu xây dựng và vận hành lò phản ứng nhanh

Hình 1.4 Tuổi của các kiểu lò phản ứng đang hoạt động ở Đông Á

1.1.2 Các nhà máy điện hạt nhân gần biên giới Việt Nam

Trong phạm vi cách biên giới nước ta 1000 km có 18 tổ máy đang hoạt động và 4 tổ máy đang xây dựng đều thuộc về Trung Quốc (Bảng 1.2) [1] Các tổ

máy bao gồm các thế hệ lò II, II+, III và III+ Trong đó, đặc biệt phải kể đến

NMĐHN Cảng Phòng Thành (Fangchenggang) được xây dựng tại Cảng Phòng Thành thuộc khu tự trị Quảng tây, Trung Quốc Nhà máy cách biên giới nước ta chưa đầy 50 km, cách thủ đô Hà Nội khoảng chừng 250 km (Hình 1.5) Tổng cộng có sáu lò phản ứng đang lên kế hoạch để hoạt động ở Cảng Phòng Thành

Tổ máy 1 và 2 với công nghệ CPR-1000 có công suất mỗi tổ máy 1000 MW đã đi vào hoạt động, tổ máy 3 và 4 dựa trên công nghệ HPR1000 đang trong quá trình xây dựng, bên cạnh đó tổ máy 5 và 6 trong kế hoạch xây dựng cũng dựa trên công nghệ HPR1000 [2] Tất cả các tổ máy trên đều sử dụng lò phản ứng nước áp lực PWR kiểu Trung Quốc với tỉ lệ nội địa hóa đạt trên 50% Trong tương lai Cảng Phòng Thành sẽ có 6 tổ máy hoạt động với tổng công suất khoảng 6000

MW

Hình 1.5 Ảnh vệ tinh toàn cảnh NMĐHN Cảng Phòng Thành

(Nguồn: Google Earth, cập nhật ngày 10/5/2016)

Bảng 1.2 Các NMĐHN gần biên giới đất liền Việt Nam (phạm vi 1000 km)

Stt Quốc gia Nhà máy Tổ máy Lò phản ứng Tình trạng Công suất MW Ngày khởi

công

Ngày hoạt động

Khoảng cách

1 China Fangchenggang-1 1 PWR CPR-1000 Hoạt động 1000 1080 30/07/2010 01/01/2016

~ 50 km

2 China Fangchenggang-2 2 PWR CPR-1000 Hoạt động 1000 1080 23/12/2010 01/10/2016

3 China Fangchenggang-3 3 PWR HPR1000 Đang xây dựng 1080 1150 24/12/2015

4 China Fangchenggang-4 4 PWR HPR1000 Đang xây dựng 1080 1150 23/12/2016

5 China Changjiang-1 1 PWR CNP-600 Hoạt động 610 650 25/04/2010 25/12/2015

~ 250 km

6 China Changjiang-2 2 PWR CNP-600 Hoạt động 610 650 21/11/2010 12/08/2016

9 China Yangjiang-1 1 PWR CPR-1000 Hoạt động 1021 1086 16/12/2008 25/03/2014

~ 450 km

10 China Yangjiang-2 2 PWR CPR-1000 Hoạt động 1021 1080 04/06/2009 08/06/2015

11 China Yangjiang-3 3 PWR CPR-1000+ Hoạt động 1080 1089 15/11/2010 01/01/2016

12 China Yangjiang-4 4 PWR CPR-1000+ Hoạt động 1080 1089 17/11/2012 15/03/2017

13 China Yangjiang-5 5 PWR ACPR-1000 Hoạt động 1000 1087 18/09/2013 16/07/2018

14 China Yangjiang-6 6 PWR ACPR-1000 Đang xây dựng 1000 1087 23/12/2013

15 China Taishan-1 1 PWR EPR-1750 Hoạt động 1660 1750 18/11/2009 13/12/2018

~ 500 km

16 China Taishan-2 2 PWR EPR-1750 Đang xây dựng 1660 1750 15/04/2010

17 China Daya Bay-1 1 PWR M-310 Hoạt động 944 984 07/08/1987 01/02/1994

~ 700 km

18 China Daya Bay-2 2 PWR M-310 Hoạt động 944 984 07/04/1988 06/05/1994

19 China Ling Ao-1 1 PWR M-310 Hoạt động 950 990 15/05/1997 28/05/2002

~ 700 km

20 China Ling Ao-2 2 PWR M-310 Hoạt động 950 990 28/11/1997 08/01/2003

21 China Ling Ao-3 3 PWR CPR-1000 Hoạt động 1007 1080 15/12/2005 15/09/2010

22 China Ling Ao-4 4 PWR CPR-1000 Hoạt động 1007 1080 15/06/2006 07/08/2011

Công nghệ CPR-1000 ở tổ máy 1 và 2 NMĐHN Cảng Phòng Thành là lò phản ứng nước áp lực PWR thế hệ II+, dựa trên thiết kế PWR công suất 900

MW với ba vòng làm mát của Pháp, được Trung Quốc nhập khẩu năm 1990 và cải tiến để có công suất 1000 MW với tuổi thọ khoảng 60 năm Công nghệ CPR-

1000 được áp dụng lần đầu tiên vào tổ máy số 3 của NMĐHN Ling Ao-3, đã đi vào hoạt động thương mại ngày 15/9/2010 (Bảng 1.2) Công nghệ HPR1000 (Hualong-1) ở tổ máy số 3 và 4 NMĐHN Cảng Phòng Thành là kiểu lò phản ứng nước áp lực thế hệ III công bố năm 2014 dựa trên các công nghệ ACPR1000 và ACP1000, về cơ bản cũng dựa trên thiết kế ba vòng làm mát của Pháp được Trung Quốc cải tiến lên công suất 1080 MW với tuổi thọ 60 năm (Hình 1.6) [3]

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

1.1.3 Tai nạn nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daichi của Nhật Bản

Trên thực tế ở khu vực Đông Á, tai nạn đã xảy ra tại NMĐHN Fukushima Daiichi của Nhật Bản tháng 3 năm 2011 [4], một loạt sự cố các lò phản ứng nghiêm trọng đã xảy ra tại nhà máy nằm ở phía Đông của Nhật Bản (Hình 1.7)

Từ ngày 12 tháng 3 đến hết tháng 4, một lượng lớn các chất phóng xạ đã phát thải vào bầu khí quyển và phát tán trên Bắc Bán cầu Nhiều nghiên cứu đã thực hiện mô phỏng phát tán khí quyển và kiểm chứng các kết quả mô phỏng với dữ liệu quan trắc từ hàng trăm trạm quan trắc trên Bắc Bán cầu [5-9] Nhật Bản đã nâng mức độ tai nạn Fukushima lên cấp độ 7 theo thang INES [10]

Hình 1.7 Tai nạn nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi

NMĐHN Fukushima Daiichi gồm 6 tổ máy sử dụng lò phản ứng nước sôi BWR cung cấp lượng điện 4,7 GW (Bảng 1.3), đây là một trong 15 NMĐHN lớn nhất trên thế giới Cấu tạo lò phản ứng BWR tổ máy 1 đến 5 như Hình 1.8, bao gồm: lõi lò phản ứng (1) gồm các thanh nhiên liệu và thanh điều khiển (39) được điều khiển vào ra bởi thiết bị (31) Xung quanh vỏ áp lực (8) có một ngăn ngoài (19) được đóng bằng một đầu bít bê tông (2) Khi thanh nhiên liệu được di chuyển vào hoặc ra, cần trục (26) sẽ di chuyển đầu bít này đến bể chứa (3) Hơi nước từ giếng khô (11) có thể di chuyển đến giếng ướt (24) thông qua vòi phun

(14) để ngưng tụ tại đó (18) Trong bể nhiên liệu đã qua sử dụng (5), các thanh nhiên liệu đã sử dụng (27) được lưu trữ

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

Bảng 1.3 NMĐHN Fukushima Daiichi của Nhật Bản

nối Net Gross

1 Fukushima Daiichi-1 BWR (Mark I) Permanent

7 Fukushima Daiichi-7 ABWR Planned 1380

8 Fukushima Daiichi-8 ABWR Planned 1380

1.1.4 Nguồn gốc và đặc trưng của các chất thải phóng xạ NMĐHN

Như chúng ta đã biết, hầu hết các NMĐHN trên thế giới đều sử dụng phản ứng phân hạch dây chuyền để sản xuất điện, các nhiên liệu phổ biến được

sử dụng là uranium và plutonium Tại khu vực Đông Á, hai công nghệ lò phản ứng chính được sử dụng là BWR và PWR [1] Nhiên liệu được sử dụng cho hai kiểu lò phản ứng này là các viên gốm uranium oxide (UO2) Sản phẩm phụ không thể tránh khỏi của quá trình phân hạch là các đồng vị phóng xạ có hoạt độ cao phân bố như trong Hình 1.9 [11]

Hình 1.9 Phân bố mảnh vỡ phân hạch của 233U, 235U và 239Pu

Các sản phẩm phân hạch đa số là các đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã nhỏ, trong đó có 2 đồng vị sống lâu được quan tâm nhiều trong nghiên cứu môi trường là 137Cs (30 năm) và 90Sr (29 năm) (Hình 1.10) Ngoài ra, còn có đồng vị chu kỳ bán rã ngắn nhưng cũng rất được quan tâm đó là 131I (8 ngày) và 133Xe (5 ngày) Đồng vị 131I là mối quan tâm chính trong bất kỳ đồng vị phóng xạ nào từ một vụ tai nạn hạt nhân vì nó dễ bay hơi và có tính phóng xạ cao, có chu kỳ bán

rã là 8 ngày Nó là mối quan tâm cho cơ thể con người đối với chiếu xạ trong

137Cs và 90Sr là đồng vị phóng xạ nguy hiểm nhất đối với môi trường về mặt ảnh hưởng lâu dài của chúng Chu kỳ bán rã trung bình khoảng 30 năm của chúng cho thấy chúng không chỉ có tính phóng xạ cao mà chúng còn có chu kỳ bán rã

đủ để tồn tại hàng trăm năm Chúng nằm trên lớp đất trên cùng và có thể xâm nhập vào người thông qua chuỗi thức ăn 131I có thể cho liều ban đầu cao hơn nhưng do có chu kỳ bán rã ngắn nên nó sẽ sớm biến mất Theo thống kê trung bình 131I và 137Cs chiếm tương ứng khoảng 3% và 6% tổng lượng sản phẩm phân hạch [12] Và đặc biệt 131I và 137Cs có tỉ lệ hấp thụ qua đường tiêu hóa đều là 100% [13]

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

Trong tai nạn NMĐHN Fukushima Daiichi, các đồng vị phóng xạ được

đo bởi Mạng lưới quan trắc IMS của CTBTO công bố bởi UNSCEAR [14], bao gồm: 131I, 137Cs, 132Te, 136Cs, 129Te, 123Te, 133I, 140Ba, 95Nb, 110Ag, 99Mo,

133Sn Trong đó, dữ liệu quan trắc về 131I và 137Cs được đo đạc rất tốt tại hầu hết các trạm, còn các đồng vị phóng xạ khác không được đo đạc đầy đủ tại các trạm trong mạng lưới Ngoài ra, các giá trị đo được về 132I, 140La và 99Tc không được xem xét đến do không đúng về hiệu chỉnh phân rã Một vài giá trị cho

134Cs được đánh giá quá cao cũng không được đưa vào Tất cả giá trị từ trạm JPP38 (Takasaki, Nhật Bản) trong khoảng thời gian từ 06:55 ngày 12/3/2011 đến 06:55 ngày 14/3/2011 không hợp lệ Các nhân phóng xạ được phát hiện không có mặt trên bộ lọc mà rơi lắng trong vùng lân cận của detector Chiếu xạ ngoài xuyên qua một phần che chắn chì, được đo và liên kết sai với mẫu không khí được lấy 2 ngày trước đó Chính vì vậy, trong nghiên cứu này dữ liệu quan trắc thu được từ trạm JPP38 (Takasaki, Nhật Bản) mặc dù nằm trong phạm vi hướng lan truyền quan tâm của luận án nhưng không được xem xét đến do các giá trị quan trắc đo được không đảm bảo Tại Việt Nam, các kết quả quan trắc

về 131I, 137Cs và 134Cs được đo đạc rất tốt [15], được sử dụng trong nghiên cứu này để so sánh với các kết quả thu được từ mô phỏng Bên cạnh đó, các kết quả quan trắc tại trạm Fukuoka của Nhật Bản cũng được quan tâm sử dụng trong nghiên cứu này [16]

Qua đặc trưng các sản phẩm phân hạch từ nhiên liệu lò phản ứng PWR và BWR và các dữ liệu quan trắc thu được từ tai nạn Fukushima tại các trạm quan trắc của CTBTO, Việt Nam và Nhật Bản, nghiên cứu này tập trung mô phỏng phát tán của hai đồng vị phóng xạ chính là 131I và 137Cs, đại diện cho đồng vị chiếm tổng lượng sản phẩm phân hạch lớn, hoạt độ phóng xạ cao và có chu kỳ bán rã ngắn và dài tương ứng Do đó, phù hợp cho nghiên cứu đánh giá phát tán phóng xạ trong khí quyển từ tai nạn NMĐHN Fukushima Daiichi đến khu vực

Đông Nam Á

1.2 Tổng quan về đặc trưng khí tượng

1.2.1 Giới thiệu

Việt Nam nằm trong khu vực Đông Nam Á tiếp giáp với khu vực Đông

Á, tây Thái Bình Dương và khu vực Nam Á Toàn bộ khu vực trên trải dài từ vĩ

độ 10S đến 50N, kinh độ 70E đến 150E Tại đây bao gồm các khu vực nhiệt đới, cận nhiệt đới và ôn đới Rất nhiều công trình trong nước nghiên cứu các vấn đề

ô nhiễm không khí theo đặc trưng khí tượng của khu vực được công bố [17-22] Trong nghiên cứu này quan tâm đến khí tượng quy mô lớn của hoàn lưu khí quyển ảnh hưởng đến quá trình phát tán phóng xạ toàn cầu và khu vực

Trước tiên phải nói đến cấu trúc theo độ cao của khí quyển được thể hiện trong Hình 1.11 [23-25] Bầu khí quyển được chia thành năm tầng dựa trên sự biến thiên về nhiệt độ Sự phát tán không khí xảy ra chủ yếu ở tầng dưới của khí quyển, những nơi này bị ảnh hưởng bởi bề mặt trái đất

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]

Tầng đối lưu (Troposphere) nằm ở 10-15 km dưới cùng của khí quyển, do nhà khí tượng học người pháp Léon Teisserenc de Bort đặt tên [23-25] Tầng đối lưu được đặc trưng bởi sự suy giảm nhiệt độ theo độ cao Lên tiếp 30-40 km là tầng bình lưu (Stratosphere), trong vùng này có sự đảo ngược nhiệt độ do ánh sáng cực tím bị hấp thụ bởi ozon và các phản ứng tạo ozon Lên tiếp 30-40 km

là tầng trung quyển (Mesosphere), đây là nơi có nhiệt độ lạnh nhất Phía trên tầng trung quyển là tầng nhiệt quyển (Thermosphere) Ngoài ra cao hơn nữa (2000-3000 km) còn có tầng ngoại quyển (Exosphere), là tầng chuyển tiếp giữa khí quyển và không gian vũ trụ

Đối với hầu hết các quá trình ô nhiễm không khí nói chung và quá trình phát tán phóng xạ trong không khí nói riêng, tầng đối lưu là tầng xảy ra quá trình vận chuyển và phát tán nhiều nhất Qua Hình 1.11 ta cũng có thể thấy tại tầng đối lưu nhiệt độ, áp suất và mật độ không khí giảm dần theo độ cao Điều này chủ yếu do bức xạ mặt trời đốt nóng mặt đất, và tiếp đến mặt đất đốt nóng không khí ở bên trên Tỷ lệ giảm nhiệt độ trung bình ở tầng này theo độ cao vào khoảng 6,5°C/1000 m [23-25] Tuy nhiên, đây là tỷ lệ trung bình, trong thực tế

tỷ lệ này luôn biến động theo ngày và theo mùa Ở tầng này thường xuyên có sự xáo trộn do có các dòng không khí đi lên (thăng) đi xuống (giáng) theo độ cao, khiến cho phóng xạ được nâng lên và hạ xuống theo các dòng không khí này

Giới hạn trên của tầng đối lưu (tropospause) là giới hạn giữa tầng đối lưu

và tầng bình lưu do dòng đối lưu quyết định nên nó thay đổi tùy thuộc vào mùa trong năm và vĩ độ địa lý [23-25] Đối lưu hạn có thể lên tới độ cao từ 15 đến 18

km ở vùng xích đạo vì ở đây nhiệt độ cao tạo điều kiện cho dòng đối lưu lên cao Ngược lại, ở hai cực trái đất, đối lưu hạn chỉ cao từ 8 đến 10 km, do nhiệt

độ thấp, tầng đối lưu hoạt động yếu hơn Ở độ cao này còn có dòng xiết (jet stream) là một yếu tố quan trọng trong phát tán phóng xạ tầm xa.Tầng đối lưu là tầng khí quyển hoạt động mạnh nhất Tầng này chứa 80% khối lượng không khí

và hầu như toàn bộ hơi nước của bầu khí quyển Các hiện tượng thời tiết như mây, mưa, và giông bão đều chỉ xảy ra ở đây Đây chính là những yếu tố tác động trực tiếp đến chùm phóng xạ trong quá trình lan truyền trong khí quyển

Hệ thống các dòng không khí trên Trái Đất quy mô lục địa và đại dương được gọi là hoàn lưu chung khí quyển (Hình 1.12) [23-25] Tầng đối lưu được chia thành 6 khu vực luồng luân chuyển theo đới, gọi là các quyển hoàn lưu Các quyển hoàn lưu này chịu trách nhiệm cho hoàn lưu khí quyển và tạo ra các hướng gió thịnh hành Sự hình thành các nhiễu động khí quyển - xoáy thuận và xoáy nghịch là nét đặc trưng nhất của hoàn lưu chung khí quyển Đối với bài toán phát tán phóng xạ tầm xa, đây là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến vận chuyển và phát tán phóng xạ quy mô toàn cầu và khu vực

Hình 1.12 Hoàn lưu khí quyển lý tưởng hóa trên Trái Đất [24]

1.2.2 Đới khí áp và đới gió mặt đất

Ở hai bán cầu là hai đới áp cao cận nhiệt (Subtropical high), hai đới áp thấp ôn đới (Subpolar low) và hai đới áp cao cực (Polar high) (Hình 1.12) [23-25] Trên thực tế lục địa và biển đã chia cắt các đới khí áp này thành các trung tâm khí áp Từ rìa hướng về phía xích đạo của áp cao cận nhiệt hai bán cầu gió thổi về phía đới áp thấp xích đạo Hai đới gió này là hai đới tín phong, tín phong

Bắc Bán cầu (NE trade wind) có hướng Đông Bắc, còn tín phong Nam Bán cầu (SE trade wind) có hướng Đông Nam do tác động của lực Coriolis (lực lệch hướng do sự quay của Trái Đất) về phía phải chuyển động ở Bắc Bán cầu và về phía trái chuyển động ở Nam Bán cầu Từ rìa hướng về phía cực của áp cao cận nhiệt không khí nhiệt đới thổi về miền ôn đới còn không khí lạnh khô miền ôn đới thổi về phía cận nhiệt và nhiệt đới Từ áp cao cực về phía miền ôn đới là gió Đông Bắc ở Bắc Cực và Đông Nam ở Nam Cực.

Ở miền vĩ độ trung bình, hệ thống frông (front) băng dương và biên cực hoạt động mạnh (đường sóng trên Hình 1.12) [23-25] Đới gió mặt đất cũng liên quan với các vòng hoàn lưu theo chiều dọc Ở miền nhiệt đới mỗi bán cầu là vòng hoàn lưu Hadley, vòng hoàn lưu này được cấu thành bởi nhánh phía dưới

đó chính là tín phong thổi từ hai trung tâm cao áp cận nhiệt (30°) về phía xích đạo, đưa không khí nóng từ miền cận nhiệt về phía xích đạo hội tụ vào dải áp thấp xích đạo và bốc lên cao trong các dải mây tích Nhánh dòng khí trên cao thổi từ xích đạo về phía cận nhiệt là phản tín phong Khi tới vĩ độ 30° hai bán cầu nhánh dòng khí trên cao giáng xuống tạo thành dòng hoàn lưu khép kín

1.2.3 Đới khí áp và đới gió trên cao

Trên cao, phân bố khí áp đơn giản hơn nhiều so với mặt đất: trên cực là áp thấp hành tinh có tâm ở cực với đới gió tây (Westerlies) và dòng xiết gió tây miền vĩ độ trung bình ở rìa áp thấp này (Hình 1.12 và 1.13) [23-25] Ở phần rìa hướng về phía xích đạo của áp thấp hành tinh trên cao là các áp cao cận nhiệt kéo dài theo vĩ tuyến với dòng khí hướng đông cơ bản của miền nhiệt đới ở phía hướng về xích đạo của áp cao liên quan với dòng xiết gió đông

Ở phần rìa hướng về phía cực là dòng gió tây cận nhiệt với dòng xiết cận nhiệt đới nằm ở gần đỉnh tầng đối lưu nhiệt đới Hai dòng xiết, dòng xiết cận nhiệt (SJ: Subtropical Jet Stream) nằm ở nơi đứt đoạn của đỉnh tầng đối lưu nhiệt đới (10-16 km) (Hình 1.13) [23-25], kết quả của sự hội tụ của đới gió tây trên cao miền ôn đới và đới gió tây nam của rìa phía bắc cao áp cận nhiệt Dòng xiết mạnh hơn là dòng xiết cực (PJ: Polar Jet Stream) là dòng xiết trong đới gió

tây ở rìa hướng về phía xích đạo của xoáy thuận hành tinh (9-12 km) (Hình 1.13) Trên cao, dòng xiết này mạnh hơn và mở rộng hơn Hai dòng xiết này chính là nguồn dự trữ năng lượng cho các xoáy nhỏ trên mặt đất Các dòng xiết

là một trong những cơn gió mạnh nhất trong khí quyển, tốc độ của chúng trong khoảng từ 129 đến 225 km/h, nó có thể đạt hơn 443 km/h [23-25] Tốc độ của chúng nhanh hơn vào mùa đông khi sự khác biệt về nhiệt độ giữa dòng khí hậu nhiệt đới, ôn đới và không khí cực lớn hơn

Hình 1.13 Dòng xiết cận nhiệt đới (Subtropical Jet Stream) và dòng xiết cực

(Polar Jet Stream) [24]

Trong sự cố NMĐHN Fukushima, do vị trí nhà máy nằm ở vĩ tuyến 37,4

và kinh độ 141, hầu hết các kết quả mô phỏng từ các nghiên cứu về Fukushima đều cho thấy phóng xạ được nâng lên cao ở tầm trung và cao của tầng đối lưu [5-9], sau đó nhờ dòng xiết mà lan truyền rất nhanh toàn bộ Bắc Bán cầu Qua quá trình lan truyền phóng xạ được nâng lên và hạ xuống nhờ hệ thống xoáy và frông

Hình 1.14 Trung tâm hoạt động của hệ thống xoáy thuận nghịch vào mùa đông

(a) và mùa hè (b) [24]

1.2.4 Các trung tâm hoạt động của hệ thống xoáy thuận nghịch

Sự hình thành và biến đổi của thời tiết chịu ảnh hưởng lớn của hoạt động xoáy thuận (vùng áp thấp) và xoáy nghịch (vùng áp cao) (Hình 1.14) [23-25]

Và đặc trưng khí hậu của khu vực nhất định chịu ảnh hưởng lớn của các trung tâm áp cao và áp thấp (còn gọi là các trung tâm hoạt động của khí quyển, thể hiện trên các bản đồ khí hậu về phân bố khí áp) Hình 1.14 thể hiện cho ta thấy các trung tâm hoạt động của hệ thống xoáy thuận nghịch vào mùa đông và mùa

hè, với các hệ thống xoáy thuận (Áp thấp) như Aleutian Low, Icelandic Low, và các hệ thống xoáy nghịch (Cao áp) như Siberian High, Pacific High

Xoáy thuận là tác nhân khiến các nhân phóng xạ nâng lên khu vực tầm trung và cao của tầng đối lưu, còn xoáy nghịch làm các nhân phóng xạ hạ xuống thấp dưới lớp bề mặt (Hình 1.15) [23-25] Như trường hợp thời gian đầu xảy ra

sự cố Fukushima, đới gió tây chiếm ưu thế hầu hết thời gian xảy ra sự cố, các nhân phóng xạ hầu hết di chuyển về phía Đông và được nâng lên cao đến dòng xiết nhờ xoáy thuận (Eleutian Low) phía Đông Bắc của Nhật Bản, phóng xạ tiếp tục di chuyển và được hạ xuống nhờ xoáy nghịch (Pacific High) và đến phía Tây

Mỹ sau 5 ngày

Hình 1.15 Đặc trưng của xoáy thuận (L) và xoáy nghịch (H) [24]

1.2.5 Các Frông khí hậu

Như ta đã biết không khí tầng đối lưu luôn phân chia thành các khối khí ngăn cách bởi các frông khí quyển Vị trí trung bình nhiều năm của các frông cơ bản vào những mùa khác nhau là những frông khí hậu Có thể xác định chúng trên bản đồ trung bình nhiều năm tương tự như xác định các trung tâm hoạt động của khí quyển [23-25] Thực tế, hàng ngày vị trí và số lượng các frông có thể khác biệt nhiều so với sự phân bố trung bình nhiều năm Frông thường xuyên xuất hiện, di chuyển và tan đi do hoạt động xoáy thuận Khu vực Đông Bắc nước ta thường xuyên xuất hiện các frông lạnh (cold front) do dịch chuyển của các xoáy nghịch Siberia kết hợp với áp thấp khu vực Vịnh Bắc Bộ Theo thông

kê trung bình vào các tháng mùa đông frông lạnh thường xuất hiện hai đến ba lần mỗi tháng phía Đông Bắc nước ta [26] Đây là kiểu khí tượng rất quan trọng trong việc đánh giá khả năng phát tán phóng xạ từ các NMĐHN gần frông giới nước ta Do đặc trưng của các frông lạnh là một khối không khí lạnh di chuyển rất nhanh ở bề mặt, phía trước là khối khí ấm bốc lên cao (Hình 1.16) [23-25] Trường hợp sự cố NMĐHN xảy ra vào thời điểm frông lạnh đến thì phóng xạ được vận chuyển rất nhanh trên bề mặt theo đường di chuyển của khối khí lạnh

Hình 1.16 Đặc trưng của frông lạnh (Cold Front) [24]

1.2.6 Gió mùa

Gió mùa là chế độ dòng khí của hoàn lưu chung khí quyển trên một phạm

vi đáng kể của bề mặt Trái Đất Nói cách khác là gió thay đổi hướng theo mùa, trong đó ở mọi nơi gió thịnh hành chuyển ngược hướng hay gần như ngược hướng từ mùa đông sang mùa hè và từ mùa hè sang mùa đông [23-25]

Việt Nam nằm trong khu vực gió mùa Đông Nam Á điển hình nhất trên Trái Đất Gần đây, theo số liệu sóng dài cực đại mất đi vào không gian vũ trụ theo tài liệu vệ tinh (OLRmax) Matsumôtô đã phân biệt các khu vực gió mùa Khu vực gió mùa Đông Nam Á (SEAM – Southeast Asia Monsoon) trải dài từ phần đông biển Ả Rập qua Ấn Độ, vịnh Bengal tới Đông Dương, khu vực gió mùa Bắc Australia và Indonesia (NAIM – North Australia – Indonesia Monsoon) kéo dài theo vĩ độ hướng từ Indonesia đến Biển San Hô trong dải giới hạn 5–20°S [23-25] Ranh giới giữa SEAM và NAIM ở gần xích đạo, khoảng giữa đảo Sumatra và Borneo Khu vực gió mùa Tây Bắc Thái Bình Dương (Western of North Pacific Monsoon – WNPM) nằm giữa 120–150°E và 10–20°N phân biệt với SEAM bằng ranh giới là Biển Đông

+ Gió mùa mùa đông: Vào mùa đông ở Việt Nam thịnh hành gió Đông

Bắc thổi từng đợt đưa không khí cực đới biến tính lạnh khô vào đầu và giữa mùa đông và không khí lạnh với độ ẩm tương đối lớn hơn vào giữa mùa đông thường xâm nhập từ phía Đông Nam Trung Quốc vào Việt Nam Nguyên nhân chính là

do cao áp Siberia di chuyển từ đất liền ra biển Thái Bình Dương

+ Gió mùa mùa hè: Vào mùa hè hai trung tâm hoạt động chính ở Đông Nam Á và miền Tây Thái Bình Dương là áp thấp Nam Á có tâm ở Ấn Độ, Pakistan và áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương Ở Việt Nam, thời tiết mùa

hè được quy định bởi sự chiếm ưu thế của một trong hai trung tâm hoạt động này Vào đầu mùa hè khi đới bức xạ cực đại và đới gió hành tinh dịch chuyển lên phía bắc tín phong đông nam từ Nam Bán Cầu vượt qua xích đạo và chuyển hướng thành gió mùa tây nam, thổi vào Đông Nam Á

1.2.7 Dải hội tụ nhiệt đới

Dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ) là dải thời tiết xấu hình thành bởi sự hội tụ của tín phong hai bán cầu, của tín phong một bán cầu với tín phong bán cầu kia sau khi vượt xích đạo và chuyển hướng và tín phong mỗi bán cầu với đới gió tây xích đạo mở rộng (Hình 1.14) [23-25] Một điều rất đáng lưu ý là ở trên dải hội

tụ nhiệt đới có thể phát triển các xoáy Ở Việt Nam và Biển Đông, dải hội tụ nhiệt đới hình thành bởi gió mùa Tây Nam và tín phong Đông Nam hay Đông thổi từ phần hướng về phía xích đạo của áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương Vào đầu mùa do rãnh gió mùa mở rộng về phía Đông Bắc tới tận phía Nam Trung Quốc nên rãnh gió mùa nằm ở phía bắc, thực tế tách rời khỏi dải hội tụ nhiệt đới trên Biển Đông trong rãnh xích đạo Tuy nhiên, vào cuối mùa hè rãnh gió mùa dịch chuyển xuống phía nam nên có khi nối liền thành một dải với dải hội tụ nhiệt đới trên Biển Đông tạo một dải hội tụ kéo dài từ Philippine vào sâu trong lục địa Nam và Đông Nam Á

Hình 1.17 Ảnh vệ tinh một cơn bão ngoài khơi tiến vào đất liền Việt Nam

1.2.8 Áp thấp nhiệt đới và bão

Bão là xoáy thuận với quy mô khoảng 500-1000 km không có frông phát triển trên miền biển nhiệt đới hay cận nhiệt đới ở mực bất kỳ và có hoàn lưu xác

định [23-25] Xoáy thuận nhiệt đới yếu (gió mạnh nhất vùng gần tâm xoáy thuận nhiệt đới không mạnh hơn cấp 7) gọi là áp thấp nhiệt đới” Bão là vùng gió xoáy rất mạnh đưa không khí biển nóng ẩm hội tụ vào vùng trung tâm và bốc lên cao trong một cột xoáy rất lớn với đường kính khoảng 1000-2000 km tạo hệ thống mây gần tròn cho lượng mưa rất lớn Gió mạnh nhất ở vùng gần trung tâm bão càng xa trung tâm tốc độ gió trong bão càng giảm Theo thống kê hàng năm của Hong Kong Observatory [27] có trung bình có khoảng 5 đến 10 cơn bão đổ bộ vào khu vực Vịnh Bắc Bộ của nước ta (Hình 1.17) Đây là một kiểu khí tượng cũng cần được quan tâm nghiên cứu trong đánh giá phát tán phóng xạ từ các NMĐHN gần biên giới Việt Nam

1.2.9 Gió địa phương

Gió địa phương là gió chỉ đặc trưng cho những khu vực địa lý nhất định [23-25] Chúng có nguồn gốc khác nhau: một là, gió địa phương có thể là biểu hiện của hoàn lưu địa phương không phụ thuộc vào hoàn lưu chung khí quyển bao trùm lên nó; hai là, gió địa phương cũng có thể là những sự nhiễu động địa phương của các dòng hoàn lưu chung khí quyển dưới ảnh hưởng của địa hình địa phương

+ Gió đất – biển: Là gió ở miền bờ biển và miền bờ các hồ lớn có sự đổi hướng một cách đột ngột trong khoảng thời gian một ngày đêm (Hình 1.18) [23-25] Ban ngày, gió biển thổi ở lớp vài trăm mét dưới cùng (đôi khi hơn 1 km) về phía đất liền, còn ban đêm gió đất thổi từ miền bờ ra biển Tốc độ gió đất – biển khoảng 3–5 m/s và ở vùng nhiệt đới còn lớn hơn

Hình 1.18 Gió đất – biển thời điểm ban ngày và ban đêm