Tính toán lan truyền phóng xạ trên lãnh thổ việt nam từ sự cố hạt nhân giả định cấp độ INES 7

Một trong những phương pháp để đánh giá và dự báo được ảnh hưởng của phóng xạ thoát ra từ nhà máy điện hạt nhân là sử dụng công cụ tính toán phát tán phóng xạ trong không khí.. Tác giả l

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN ĐĂNG MINH

TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN PHÓNG XẠ TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM TỪ SỰ CỐ HẠT NHÂN

GIẢ ĐỊNH CẤP ĐỘ INES-7

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN ĐĂNG MINH

TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN PHÓNG XẠ TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM TỪ SỰ CỐ HẠT NHÂN

GIẢ ĐỊNH CẤP ĐỘ INES-7

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân

Mã số: 8440130.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

PGS.TS Bùi Văn Loát

Hà Nội - 2020

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt hai năm học tập tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đến nay, tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học Để hoàn thành được chương trình cao học và hoàn thiện luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ

và góp ý nhiệt tình của các quý thầy cô ở trường; lãnh đạo, đồng nghiệp cơ quan

và gia đình; bạn bè

Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám hiệu và quý thầy cô trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện để tôi học tập và hoàn thành khóa học Đặc biệt là các thầy cô đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt thời gian học tập tại trường Nhờ sự chỉ bảo của các thầy cô trong bộ môn Vật lý hạt nhân mà tôi ngày càng thu nhận được nhiều kiến thức bổ ích trong chuyên môn và hiểu biết nhiều vấn đề hơn

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Bùi Văn Loát – người thầy kính mến đã dành nhiều tâm huyết chỉ bảo ân cần, quan tâm sâu sắc và chỉ dạy cho tôi tận tình trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, giúp tôi hoàn thành khóa luận này

Xin được gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Viện Hóa học Môi trường Quân sự, lãnh đạo Trạm Quan trắc Cảnh báo Môi trường Độc – Xạ miền Bắc và tập thể anh chị trong cơ quan đã tạo điều kiện cho tôi có thời gian học tập đầy đủ Xin cảm ơn ban chủ nhiệm đề tài: “Nghiên cứu, tính toán lan truyền phóng xạ trong môi trường không khí và hiện đại hóa Trạm tính toán phân tích Phóng xạ - Hóa học (PACT-1)” đã hỗ trợ, cung cấp số liệu trong đề tài để tôi hoàn thành luận văn đầy đủ

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập

Mặc dù đã cố gắng nhiều nhưng luận văn còn nhiều thiếu sót, kính mong quý thầy cô, bạn đọc đóng góp ý kiến quý báu để tôi hoàn chỉnh luận văn được chu đáo hơn

Xin chân thành cảm ơn /

HỌC VIÊN

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Phát tán chất phóng xạ vào môi trường không khí sau các tai nạn hạt nhân 3

1.2 Phương trình vi phân của quá trình khuếch tán 4

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán ô nhiễm không khí 5

1.4 Tổng quan về các nhà máy điện hạt nhân khu vực Đông Á và thành phần nguồn phóng xạ trong nhà máy điện hạt nhân 9

1.5 Số hạng nguồn phát thải theo thang sự cố hạt nhân 13

CHƯƠNG 2 ĐÁNH GIÁ PHÁT TÁN PHÓNG XẠ TRONG KHÔNG KHÍ 20

2.1 Mô hình phát tán phóng xạ trong không khí 20

2.2 Quy trình đánh giá phát tán phóng xạ trong không khí 26

2.3 Chương trình mô phỏng khí tượng WRF 27

2.4 Chương trình mô phỏng phát tán phóng xạ FLEXPART-WRF 33

2.5 Chạy phần mềm, trích xuất dữ liệu và đánh giá thống kê mô hình 37

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 Kết quả chạy WRF 42

3.2 Một số ví dụ đánh giá tính tối ưu của các mô hình thông qua giản đồ Taylor 43 3.3 Kết quả chạy mô phỏng FLEXPART-WRF 55

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các trường biến thiên nhiệt độ không khí theo chiều cao trên mặt đất 6

Hình 1.2 Lớp nghịch nhiệt sát mặt đất và lớp nghịch nhiệt trên cao 7

Hình 1.3 Tỷ lệ công nghệ các lò phản ứng hạt nhân khu vực Đông Á 9

Hình 1.4 Bản đồ các nhà máy ĐHN khu vực Đông Á 9

Hình 1.5 Nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành trong giai đoạn I 11

Hình 1.6 Phân bố mảnh vỡ phân hạch của 233U, 235U và 239Pu 12

Hình 1.7: Sản phầm 131I và 137Cs từ phản ứng phân hạch hạt nhân của 235U và sơ đồ phân rã β- của 137Cs và 131I 13

Hình 1.8 Các cấp sự cố và tai nạn hạt nhân theo thang đo INES của IAEA 15

Hình 2.1 Ví dụ về các quá trình chủ yếu ảnh hưởng đến sự vận chuyển của nhân phóng xạ phát thải trong không khí 21

Hình 2.2 Mô tả chùm phát tán Gaussian 23

Hình 2.3 Sơ đồ các thành phần của GoldEnvSim 27

Hình 2.4 Sơ đồ tương tác vật lý 31

Hình 2.5 Lưới Akarawa-C theo không gian của mô hình WRF 32

Hình 2.6 Cấu trúc lưới lồng với tỷ lệ 3:1 32

Hình 2.7 Sơ đồ mô hình FLEXPART-WRF 34

Hình 2.8 Phép chiếu bảo giác Lambert và Phép chiếu Mercator 34

Hình 2.9 Phép chiếu lập thể cực 35

Hình 2.10 Giao diện tính năng thiết lập mô phỏng nhanh của phần mềm GoldEnvSim 37

Hình 2.11 IDV được tích hợp vào GoldEnvSim để đọc dữ liệu đầu ra WRF 39

Hình 2.12 Trường nhiệt độ được mô phỏng ở độ cao 2m so với mặt đất 39

Hình 2.13 Biểu diễn sơ đồ Taylor 40

Hình 2.14 Mối quan hệ hình học giữa hệ số tương quan R, hiệu độ lệch toàn phương trung bình E’, độ lệch chuẩn σf và σr của trường thử nghiệm và trường tham chiếu tương ứng 41

Hình 3.1 Thống kê số liệu thông số nhiệt độ tháng 1 tại Trạm Hà Đông và kết quả mô phỏng thí nghiệm 25, thí nghiệm 1 44

Hình 3.2 Giản đồ Taylor đánh giá kết quả nhiệt độ tháng 1 tại Trạm Hà Đông 44

Hình 3.3 Thống kê số liệu thông số độ ẩm tháng 7 tại Trạm Vinh và kết quả mô

phỏng thí nghiệm 25, thí nghiệm 5 46

Hình 3.4 Độ ẩm tháng 7 – Vinh 47

Hình 3.5 Áp suất tháng 4 tại Trạm Bãi Cháy và kết quả mô phỏng thí nghiệm 25, thí nghiệm 10 48

Hình 3.6 Giản đồ Taylor đánh giá kết quả áp suất tháng 4 tại Trạm Bãi Cháy 49

Hình 3.7 Thống kê số liệu thông số tốc độ gió tháng 10 tại Trạm Bãi Cháy và kết quả mô phỏng thí nghiệm 25, thí nghiệm 16 51

Hình 3.8 Giản đồ Taylor đánh giá kết quả tốc độ gió tháng 10 tại Trạm Bãi Cháy 51

Hình 3.9: Thống kê số liệu thông số lượng mưa tháng 7 tại Trạm Lai Châu và kết quả mô phỏng thí nghiệm 25, thí nghiệm 22 53

Hình 3.10: Thống kê số liệu thông số lượng mưa tháng 4 tại Trạm Hà Đông và kết quả mô phỏng thí nghiệm 25, thí nghiệm 24 53

Hình 3.11: Giản đồ Taylor đánh giá kết quả lượng mưa tháng 7 tại Trạm Lai Châu 54

Hình 3.12: Giản đồ Taylor đánh giá kết quả lượng mưa tháng 4 tại Trạm Hà Đông 54

Hình 3.13: Nồng độ 131I tại thời điểm 01h24 và 02h48 ngày 15/01/2019 56

Hình 3.14: Nồng độ 131I tại thời điểm 06h24 và 11h12 ngày 15/01/2019 57

Hình 3.15: Nồng độ 131I tại thời điểm 13h36 và 21h36 ngày 15/01/2019 57

Hình 3.16: Nồng độ 131I tại thời điểm 15h00 và 11h36 ngày 16/01/2019 58

Hình 3.17: Nồng độ 137Cs tại thời điểm 01h36 và 04h312 ngày 15/01/2019 58

Hình 3.18: Nồng độ 137Cs tại thời điểm 10h00 và 11h48 ngày 15/01/2019 59

Hình 3.19: Nồng độ 137Cs tại thời điểm 18h48 và 22h24 ngày 15/01/2019 59

Hình 3.20: Nồng độ 137Cs tại thời điểm 10h36 và 13h48 ngày 16/01/2019 60

Hình 3.21: Rơi lắng khô của 137Cs và 131I sau 1h ở 4 tháng khác nhau trong năm 61

Hình 3.22: Rơi lắng khô của 137Cs và 131I sau 3h ở 4 tháng khác nhau trong năm 62

Hình 3.23: Rơi lắng khô của 137Cs và 131I sau 6h ở 4 tháng khác nhau trong năm 63

Hình 3.24: Rơi lắng khô của 137Cs và 131I sau 30h ở 4 tháng khác nhau trong năm 64

Hình 3.25: Rơi lắng khô của 137Cs và 131I sau 30h ở 4 tháng khác nhau trong năm 65

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các thông số của thiết kế lò CPR-1000 10

Bảng 1.2 Thành phần các đồng vị phóng xạ trong khí thải của lò phản ứng PWR - theo UNSCEAR 2000 14

Bảng 1.3 Hoạt độ tích trữ của các đồng vị phóng xạ sinh ra trong vùng hoạt 16

Bảng 1.4 Hệ số CRF khi vùng hoạt nóng chảy 17

Bảng 1.5 Số hạng nguồn của sự cố cấp độ 7 18

Bảng 2.1 Các ứng dụng được đề xuất của mô hình số cho mô hình phân tán khí quyển 25

Bảng 2.2 Một số tùy chọn mô hình vi vật lý trong WRF 29

Bảng 2.3 Một số tùy chọn tham số hóa đối lưu mây tích trong mô hình WRF 29

Bảng 2.4 Tùy chọn bề mặt đất trong WRF 30

Bảng 2.5 Biến cần thiết để chạy FLEXPART-WRF 35

Bảng 2.6 Lựa chọn các sơ đồ thí nghiệm 38

Bảng 3.1 Các sơ đồ tối ưu cho quá trình chạy WRF trên lãnh thổ Việt Nam 42

Bảng 3.2 Các mốc thời gian so sánh kết quả 43

Bảng 3.3 Giá trị các thông số thống kê với thông số nhiệt độ 45

Bảng 3.4 Giá trị các thông số thống kê với thông số độ ẩm 47

Bảng 3.5 Giá trị các thông số thống kê với thông số áp suất 49

Bảng 3.6 Giá trị các thông số thống kê với thông số tốc độ gió 51

Bảng 3.7: Giá trị các thông số thống kê với thông số lượng mưa 54

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

IAEA International Atomic Energy

GFS Global Forecast System Hệ thống Dự báo Toàn cầu

ECMWF European Centre for

Medium-Range Weather Forecasts

Trung tâm dự báo thời tiết tầm trung Châu Âu

NCEP National Centers for

WRF - ARW Weather Research and Forecast

model - Advanced Research WRF

Mô hình Nghiên cứu và Dự báo Thời tiết - Nghiên cứu Nâng cao

PBL Planetery Boundary Layer Lớp biên hành tinh

MỞ ĐẦU

Bất chấp những mối đe dọa tiềm tàng của các thảm họa hạt nhân, dù tin hay không, các nhà máy điện hạt nhân vẫn mọc lên từng ngày và cung cấp khoảng 5,7% sản lượng năng lượng trên thế giới và 13% sản lượng điện toàn cầu Với khoảng hơn 430 nhà máy điện hạt nhân trên thế giới hiện nay, nguy cơ về thảm họa hạt nhân có thể xảy ra bất kì lúc nào Một sự cố nhỏ có thể được kiềm chế, nhưng một khi thảm họa thực sự xảy ra, hậu quả không thể đoán trước được

Thảm hoạ nguyên tử Chernobyl xảy ra vào ngày 26-4-1986 khi nhà máy điện nguyên tử Chernobyl ở Pripyat, Ukraine (khi ấy còn là một phần Liên bang Xô viết)

bị nổ Đây được coi là vụ tai nạn hạt nhân trầm trọng nhất trong lịch sử Do không

có tường chắn, đám mây bụi phóng xạ tung lên từ nhà máy lan rộng ra nhiều vùng phía tây Liên Xô, Đông và Tây Âu, Scandinavia, Anh và thậm chí là miền đông của

Mỹ Nhiều vùng rộng lớn thuộc Ukraina, Belarus và Nga bị ô nhiễm nghiêm trọng, dẫn tới việc phải sơ tán và tái định cư cho hơn 336.000 người Khoảng 60% đám mây phóng xạ đã rơi xuống Belarus trong thời gian xảy ra sự cố Theo bản báo cáo năm 2006 của TORCH, một nửa lượng phóng xạ đã rơi xuống bên ngoài lãnh thổ ba nước cộng hoà Xô viết

Sự kiện thảm họa hạt nhân Fukushima là một chuỗi những sai sót và lỗi kĩ thuật và thiết bị, lò phản ứng nóng chảy và thải ra các chất phóng xạ lớn trong môi trường Thảm họa này xảy ra ngay sau thảm họa động đất và sóng thần Sendai năm

2011 Đây là trận động đất và sóng thần lớn nhất trong lịch sử Nhật Bản trong vòng hơn một trăm năm qua Trong khi đó, hai lò phản ứng số 1 và 3 xảy ra sự cố tại Nhà máy ĐHN Fukushima I thuộc loại lò thế hệ cũ (đời đầu thế hệ thứ II); được thiết kế với khả năng chống động đất ở mức thấp hơn cường độ động đất đã xảy ra Một vụ

nổ hydro đã phá hủy tầng trên của tòa nhà chứa lò phản ứng số một và làm tám công nhân bị thương

Năm 2016, Trung Quốc bắt đầu đưa vào vận hành ba nhà máy hạt nhân gần với Việt Nam bao gồm nhà máy Phòng Thành ở tỉnh Quảng Tây, cách thành phố Móng Cái (Quảng Ninh) 50km và cách thành phố Hà Nội khoảng 500km; nhà máy Trường Giang (Quảng Đông) cách biên giới Việt Nam 200km và nhà máy Sương Giang (đảo Hải Nam) cách đảo Bạch Long Vĩ (Hải Phòng) hơn 100km

Hà Nội là một trong số các tỉnh thành phía Bắc Việt Nam sẽ chịu ảnh hưởng nghiêm trọng nếu một trong ba nhà máy điện hạt nhân của Trung Quốc bị rò rỉ phóng xạ Ngay từ khi bắt đầu hoạt động vào năm 2016, ba nhà máy điện hạt nhân của Trung Quốc đã khiến nhiều chuyên gia về năng lượng lên tiếng bày tỏ quan ngại và đòi hỏi phải có hệ thống mạng lưới quan trắc và cảnh báo phóng xạ sớm vì nguy cơ môi trường Việt Nam bị đầu độc bởi các nhà máy này Một trong những phương pháp để đánh giá và dự báo được ảnh hưởng của phóng xạ thoát ra từ nhà máy điện hạt nhân là sử dụng công cụ tính toán phát tán phóng xạ trong không khí

Từ đó đưa ra các kịch bản ứng phó nếu có sự cố hạt nhân xảy ra

Tác giả lựa chọn đề tài “Tính toán lan truyền phóng xạ trên lãnh thổ Việt

Nam từ sự cố hạt nhân giả định cấp độ INES-7” để để đánh giá phát tán của các

đồng vị phóng xạ khi nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành của Trung Quốc xảy ra tai nạn hạt nhân cấp độ 7 tương ứng với một số điều kiện thời tiết đặc trưng của Việt Nam Các nội dung chính của luận văn:

 Tìm hiểu công nghệ nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành - Trung Quốc; số hạng nguồn phát thải từ nhà máy điện hạt nhân khi hoạt động bình thường và khi xảy ra sự cố cấp độ INES-7;

 Một số mô hình phát tán và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát tán;

 Sử dụng phần mềm GoldEvnSim để mô phỏng quá trình phát tán của 2 đồng

vị phóng xạ nhân tạo là 137Cs và 131I trong môi trường không khí

Luận văn được trình bày qua 3 chương với nội dung chính của các chương như sau:

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Đánh giá phát tán phóng xạ trong không khí

Chương 3 Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Phát tán chất phóng xạ vào môi trường không khí sau các tai nạn hạt nhân

1.1.1 Phát tán phóng xạ vào môi trường

“Tai nạn hạt nhân và phóng xạ hay thảm họa hạt nhân được cơ quan năng

lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) định nghĩa là: một sự kiện dẫn đến hậu quả đáng

kể cho con người, môi trường hoặc cơ sở; ví dụ bao gồm các hiệu ứng gây chết cho các cá nhân, phóng thích phóng xạ lớn ra môi trường hoặc làm tan chảy lõi lò phản ứng”

Ngay sau vụ nổ hạt nhân hay các tai nạn hạt nhân nghiêm trọng xảy ra, bụi phóng xạ phát tán vào môi trường không khí và sau đó sẽ rơi lắng xuống bề mặt trái đất Việc phát tán chất phóng xạ vào môi trường phụ thuộc vào cường độ vụ nổ, cấp

độ tai nạn, nhiên liệu cho vụ nổ, cho lò phản ứng … và ảnh hưởng lớn đến sự phát tán là các điều kiện khí tượng nơi khu vực xảy ra sự cố Hướng vận chuyển và sự phân bố theo chiều gió của bụi phóng xạ phụ thuộc vào tốc độ và hướng gió, trong khi mức độ phát tán phụ thuộc vào sự phân tầng khí quyển, nhiễu loạn không khí….Các hạt có kích thước nhỏ hơn µm được phát tán vào tầng bình lưu (hoặc cao hơn) và gây nên ô nhiễm phóng xạ khắp toàn cầu Các hạt có kích thước từ 50 đến 10µm hoặc có thể nhỏ hơn được giới hạn trong tầng đối lưu và gây ô nhiễm trong một khu vực nhất định có thể hàng trăm đến hàng nghìn kilomet Còn các hạt có kích thước lớn hơn được phát tán ngay gần tâm vụ nổ, thường vài km đến vài chục

km Rơi lắng khu vực xảy ra trong khoảng thời gian vài ngày, trong khi đó rơi lắng toàn cầu xảy ra trong nhiều tuần, nhiều tháng, thậm chí nhiều năm sau một vụ nổ Như vậy, đối với rơi lắng khu vực chỉ liên quan đến một vụ nổ hay một tai nạn hạt nhân nào đó được xác định, còn rơi lắng toàn cầu là kết quả trộn lẫn của các hạt trong tầng bình lưu có thể là sản phẩm của nhiều vụ nổ hạt nhân xảy ra trong quá khứ

1.1.2 Tác động của chất phóng xạ đối với môi trường và con người

Sự khác nhau cơ bản giữa bức xạ hạt nhân và các bức xạ thường gặp khác như ánh sáng, nhiệt … là năng lượng cao của bức xạ hạt nhân Nhờ đó, bức xạ hạt nhân có thể gây ra hiện tượng ion hóa Mật độ ion hóa phụ thuộc vào loại bức xạ, năng lượng bức xạ và bản chất của vật chất Tia anpha có năng lượng nhỏ hơn tia

bêta nhưng lại có khả năng ion hóa mạnh hơn Mật độ ion hóa của tia gamma và tia Rơnghen gây ra tương đối nhỏ, nhưng độ thâm nhập lại lớn hơn, nên chúng không những tác dụng lên các tế bào ở lớp ngoài mà còn có khả năng tác dụng lên các tế bào ở sâu trong cơ thể Hiện tượng ion hóa có thể dẫn đến những biến đổi phân tử

và tạo ra các liên kết hóa học có thể làm hỏng các chất nhiễm sắc thể, biến đổi cấu trúc cũng như chức năng của tế bào Trong cơ thể người, những biến đổi này là những nguyên nhân chính gây ra các bệnh lâm sàng như bệnh bức xạ, bệnh đục thủy tinh thể, bệnh ung thư…

Ảnh hưởng của bức xạ ion hóa lên cơ thể sống rất phức tạp, nhưng tất cả đều bắt đầu bằng một quá trình vật lý thuần túy Đó là quá trình hấp thụ năng lượng của bức xạ Quá trình này chỉ xảy ra trong khoảnh khắc (10-12 -10-16 s) nhưng có thể để lại trong cơ thể sống những mầm móng của các biến đổi sinh học sâu sắc Mức độ tác động của bức xạ đối với cơ thể phụ thuộc vào liều lượng bức xạ được hấp thụ, loại bức xạ, đặc điểm riêng của cơ thể bị chiếu xạ và điều kiện tồn tại của cơ thể sau

khi bị chiếu xạ [5]

1.2 Phương trình vi phân của quá trình khuếch tán

Khi mô tả bằng toán học, quá trình khuếch tán các chất ô nhiễm trong không khí thường được đặc trưng bởi trị số hàm lượng chất ô nhiễm phân bố trong không gian và biến đổi theo thời gian Các trị số này phụ thuộc vào vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian tính Dưới tác dụng của gió tự nhiên, các luồng khí phụt lên

từ miệng ống thải sẽ bị uốn cong theo chiều gió thổi Chất ô nhiễm dần dần được khuếch tán rộng ra và được gọi là vệt khí thải Phương trình vi phân của quá trình khuếch tán chất ô nhiễm dạng khí và dạng son khí trong khí quyển được dùng làm

cơ sở cho mọi công thức toán học biểu diễn quá trình này là xuất phát từ phương trình cổ điển về dẫn nhiệt trong vật rắn

Trong trường hợp dòng khí chảy rối, phương trình biểu diễn hàm lượng chất

ô nhiễm tại một điểm có tọa độ x, y, z có dạng như sau [7]:

C- là hàm lượng chất ô nhiễm [g/m3];

τ- là thời gian [s];

kx, ky, kz –là hệ số khuếch tán rối theo phương x, y, z, tương ứng

Để diễn giải phương trình vi phân trên, theo phương pháp Lagrange, đầu tiên

ta chọn điểm quan sát di động theo chiều của luồng khí thải Từ điểm này, người quan sát có cảm giác mặt đất chuyển động về phía ngược lại chiều gió

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán ô nhiễm không khí

1.3.1 Ảnh hưởng của nhóm khí tượng đối với quá trình khuếch tán

Một số đặc trưng cơ bản của khí hậu Việt Nam

Chế độ gió: Trong mùa đông, trên những trạm đảo không bị chịu ảnh hưởng bởi địa

hình thì tần suất của hướng gió thịnh hành đạt rất cao có thể lên tới 60 - 70%, trong khi đó những trạm trong đất liền là những vùng thung lũng, nơi khuất gió, tần suất của hướng gió thịnh hành thấp chỉ còn 10-20% thậm chí nhỏ hơn 10% Đối với khu vực Tây Bắc và một số khu vực vùng núi phía Bắc, gió mùa Đông Bắc thường phải

di chuyển đến đây dọc theo các thung lũng như sông Đà, sông Lô ngược nên hướng gió thịnh hành thường chuyển thành hướng gió Đông Nam Về mùa hè, mặc dù gió mùa Tây Nam dù đã phát triển dày hơn so với gió mùa đông, chúng cơ bản đã khống chế lớp khí quyển tầng thấp nhưng do tác động của địa hình và hoàn lưu nên trên toàn lãnh thổ, gió bề mặt cũng đổi hướng khá nhiều Tốc độ gió lớn trên 37,2

m/s (cấp 12) có thể xảy ra trên hầu khắp các vùng đồng bằng ven biển Việt Nam

Chế độ nhiệt: Do ảnh hưởng của không khí lạnh cực đới, nên nhiệt độ trung bình

năm cũng có xu hướng tăng dần từ Bắc vào Nam, từ Đông sang Tây và theo quy luật chung là giảm dần từ thấp lên cao Đại bộ phận lãnh thổ Việt Nam nhiệt độ trung bình năm trên các vùng thấp đều vượt 22⁰C, từ Bắc Trung Bộ trở vào nhiệt độ trung bình năm lớn hơn 24⁰C và vượt 26⁰C ở Nam Bộ Vùng có nhiệt độ trung bình năm dưới 14⁰C chỉ tồn tại chủ yếu trên dãy núi Hoàng Liên Sơn, từ độ cao khoảng 2000m trở lên Phân bố biên độ nhiệt trong năm cũng khác nhau khá lớn giữa hai miền Bắc và Nam

Chế độ mưa: Ngoại trừ ven biển Trung Bộ, lượng mưa cực tiểu hằng năm thường

rơi vào mùa đông (tháng 1 hoặc tháng 2), sau đó tăng dần Lượng mưa bắt đầu tăng mạnh khi gió mùa hè bắt đầu ảnh hưởng tới Việt Nam Đến khi gió mùa Tây Nam bột phát và chiếm ưu thế, lượng mưa cũng tăng lên và duy trì ở mức cao cho đến khi gió mùa Tây Nam suy yếu hẳn, nhường lại cho gió mùa Đông Bắc (tháng 9,

tháng 10) Trọng tâm của mùa mưa thường xảy ra vào mùa hè, tháng có lượng mưa cực đại biến động từ tháng 6-7 ở Tây Bắc, tháng 7-8 ở vùng núi phía Bắc và đồng bằng Bắc Bộ, tháng 8-9 ở Nam Bộ và Tây Nguyên, đến tháng 11-12 lượng mưa giảm nhanh Trên cả nước, lượng mưa hằng năm đạt khá lớn, đại bộ phận các khu vực đều có tổng lượng mưa năm từ 1600 - 2000mm Tuy nhiên lượng mưa phân bố không đều, có nơi tổng lượng mưa năm chỉ 794 mm (Ninh Thuận) và nơi có tổng lượng mưa năm cao nhất lên tới 4802mm (Hà Giang)

Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ không khí có ảnh hưởng tới sự phân bố hàm

lượng chất ô nhiễm Tính năng hấp thụ và bức xạ nhiệt của mặt đất có ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ không khí theo chiều cao, thường thì càng lên cao nhiệt độ không khí càng giảm Gradient nhiệt độ theo chiều đứng là khoảng 0,5-1oC/100 m Trị số này thay đổi phụ thuộc vào địa hình vùng khảo sát Nếu trạng thái nhiệt của không khí có đặc tính ngược lại, tức là nhiệt độ ở trên cao lớn hơn ở dưới thì được gọi là sự “nghịch nhiệt” Sự nghịch nhiệt này làm suy yếu sự trao đổi đối lưu, làm giảm sự khuếch tán chất ô nhiễm và làm tăng hàm lượng của chúng trong không khí gần mặt đất [1] Các trường hợp biến thiên nhiệt độ không khí theo chiều cao trên mặt đất được trình bày trên hình 1.1 [7]

Hình 1.1 Các trường biến thiên nhiệt độ không khí theo chiều cao trên mặt đất [7]

Khi có nghịch nhiệt, không khí trở nên rất ổn định và cản trở mọi chuyển động thẳng đứng của từng bộ phận không khí do lực nổi gây ra Độ ổn định do nghịch nhiệt tạo ra còn làm hạn chế sự trao đổi năng lượng gió của lớp không khí

sát mặt đất với gió ở các lớp khí quyển trên cao và do đó làm cản trở quá trình khuếch tán các chất ô nhiễm theo cả phương đứng lẫn phương ngang

Trên cùng một địa điểm vào cùng một thời gian có thể có hai lớp nghịch nhiệt cùng song song tồn tại: một lớp ở sát mặt đất đến độ cao 100-200 m và một lớp ở độ cao từ 900-1000 m như được trình bày ở hình 1.2

Hình 1.2 Lớp nghịch nhiệt sát mặt đất và lớp nghịch nhiệt trên cao [7].

Ảnh hưởng của gió: Gió hình thành từ các dòng chuyển động rối của không khí

trên mặt đất, đây là yếu tố khí tượng có ảnh hưởng lớn tới sự lan truyền các chất ô nhiễm Gió không phải là dòng chảy ổn định, hướng và tốc độ của nó luôn luôn thay đổi Vì thế, cần có đầy đủ số liệu về tần suất gió, vận tốc gió theo từng hướng, từng mùa trong cả năm của vùng cần khảo sát Vận tốc gió phụ thuộc vào chênh lệch áp suất khí quyển Sự phân bố hàm lượng chất ô nhiễm phụ thuộc vào các đặc trưng của gió nên hàm lượng của nó sẽ luôn luôn biến đổi theo thời gian và theo khoảng cách Đối với tầng khí quyển sát mặt đất thì tốc độ gió ban ngày lớn hơn, ngược lại

ở trên cao thì ban đêm lại có tốc độ lớn hơn

Nhờ có gió, chất ô nhiễm được khuếch tán rộng ra làm cho nồng độ chất ô nhiễm giảm xuống rất nhiều so với ban đầu Gió là nhân tố đặc biệt quan trọng trong việc khuếch tán bụi và hơi hóa chất nặng hơn không khí Gió có thể khuếch tán chất ô nhiễm, làm giảm nồng độ ban đầu vì nó thường gây các dòng chảy rối của không khí sát mặt đất Khác với các dòng chảy tầng xuất hiện khi gió yếu, dòng chảy rối của không khí được đặc trưng bằng việc xáo trộn các phần tử khí ở các lớp sát cạnh nhau Do các xáo trộn này, các phần tử chất ô nhiễm cũng được nhanh

chóng di chuyển sang các lớp không khí lân cận Kết quả là sự khuếch tán chất ô nhiễm mạnh mẽ hơn, hiệu quả hơn [1]

Chuyển động của không khí gần mặt đất chịu tác động của lực ma sát bề mặt làm cho vận tốc gió ở sát mặt đất có thể xem là bằng không và càng lên cao vận tốc gió càng lớn dần, lúc đầu tăng nhanh về sau chậm dần [7]

Quy luật thay đổi theo chiều cao của vận tốc gió được thể hiện bằng biểu thức sau [7]:

u(z) = φu(z1) với φ = ln z+z0

z0 (lnz1 +z 0

z0 )−1 (1.2) Trong đó:

u(z): vận tốc gió ở độ cao z, [m/s];

u(z1): vận tốc gió đã biết ở độ cao z1 [m/s];

z0: độ cao mà ở đó vận tốc gió được xem bằng 0, [m]

z, z1: lần lượt là độ cao cần tính vận tốc và độ cao có vận tốc đã biết, [m]

Ảnh hưởng của độ ẩm và mưa: Mưa có tác dụng rửa sạch môi trường khí Hạt

mưa kéo theo hạt bụi, hấp thu một số chất ô nhiễm và rơi xuống đất Do đó, ở các vùng không khí có chứa chất ô nhiễm nhiều, nước mưa cũng mang theo chất ô nhiễm làm ảnh hưởng tới môi trường đất và nước phía dưới Trong cơn mưa, lớp không khí trên cao trút các hạt nước xuống thành mưa nên có xu hướng nóng lên, ngược lại nước mưa rơi xuống mặt đất sẽ bốc hơi, thu nhiệt của mặt đất và lớp không khí sát mặt đất nên có thể xảy ra hiện tượng nghịch nhiệt, không có lợi cho

việc khuếch tán chất ô nhiễm vào không khí [4]

1.3.2 Ảnh hưởng của địa hình đối với quá trình khuếch tán

Trường hợp địa hình không bằng phẳng, lúc đó trên đường lan truyền luồng khí thải gặp vật cản có dạng như núi đồi, vực sâu, thung lũng, v.v… trường vận tốc gió sẽ bị thay đổi, độ rối của khí quyển bị ảnh hưởng và do đó luồng khí thải sẽ bị biến dạng, kéo theo là sự phân bố hàm lượng chất ô nhiễm trong luồng khí thải cũng như trên mặt đất bị thay đổi Các công trình, nhà cửa cũng có ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán: Trong khu công nghiệp, sự chuyển động của không khí cùng với các phần tử bụi và hơi khí chứa trong nó khác ở các vùng trống trải Nhà cửa, công trình sẽ làm thay đổi trường vận tốc của không khí Nhìn chung, ảnh hưởng của địa hình đối với quá trình khuếch tán chất ô nhiễm là rất đa dạng và phức tạp, không thể

áp dụng một lý thuyết tổng quát nào bao trùm hết mọi hình thái vật cản và tình huống có thể xảy ra mà chỉ giới hạn trong một số trường hợp đơn giản và cần dựa vào nghiên cứu thực nghiệm cho từng trường hợp cụ thể là chủ yếu [1, 7]

1.4 Tổng quan về các nhà máy điện hạt nhân khu vực Đông Á và thành phần nguồn phóng xạ trong nhà máy điện hạt nhân

1.4.1 Giới thiệu chung

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 nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động bao gồm: Trung Quốc, Đài Loan, Nhật Bản và Hàn Quốc (Hình 1.4) Tổng số có 48 NMĐHN với 157 tổ máy, trong đó có 116 tổ máy đang hoạt động, 20 tổ máy đang xây dựng

và 21 tổ máy đã ngừng hoạt động 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 Trong đó kiểu lò phản ứng PWR và BWR chiếm tỉ lệ lớn tương ứng là 66,9% và 26,1% như trong hình 1.3

Hình 1.3 Tỷ lệ công nghệ các lò phản ứng hạt nhân khu vực Đông Á [17]

Hình 1.4 Bản đồ các nhà máy ĐHN khu vực Đông Á [17]

1.4.2 Nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành, Trung Quốc

Nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành nằm ở phía đông bán đảo Qisha, thành phố Phòng Thành, cách biên giới nước ta (tỉnh Quảng Ninh) khoảng 50km Đây là

dự án điện hạt nhân đầu tiên ở miền nam Trung Quốc Dự án bao gồm việc xây dựng sáu lò phản ứng hạt nhân, với tổng công suất 6 GW, theo từng giai đoạn, các

tổ máy số 1 và số 2 thuộc giai đoạn I Giai đoạn I của dự án bao gồm việc xây dựng hai lò phản ứng công suất 1000 MW (e) mỗi tổ máy, dựa trên công nghệ lò phản ứng nước áp lực thế hệ II: lò CPR-1000 Việc nạp nhiên liệu cho tổ máy số 1 đã được hoàn thành vào tháng 9 năm 2015, lò phản ứng đạt tới hạn và kết nối điện lưới vào tháng 10-2015 Tổ máy số 1 được vận hành thương mại vào tháng 1-2016 và tổ máy số 2 là vào tháng 7-2016 CPR-1000 là một phiên bản nâng cấp của thiết kế lò PWR 900 MW (e) của Pháp với mã hiệu M310 Các thông số của thiết kế lò CPR-

1000 được cho chi tiết ở bảng dưới đây:

Bảng 1.1 Các thông số của thiết kế lò CPR-1000 [13]

Kiểu lò phản ứng PWR 3 nhánh Phần sơ cấp

Thời gian vận hành 40 (+20) năm Số ống trao đổi nhiệt 4.474 Thiết kế chống động đất 0,2g Đường kính ngoài/độ dày 19,05mm/1,09mm Công suất điện 1.080 MW Vật liệu ống Inconel 690 Chu kì thay đảo nhiên liệu 18 tháng Diện tích trao đổi nhiệt 5.430 m2

Hệ số công suất thiết kế 87% Phần thứ cấp

Hiệu suất nhà máy 35% Tốc độ dòng hơi 1.613 kg/s Chế độ vận hành Theo tải Áp suất hơi lối ra 6,71 MPa

Công suất nhiệt 2905 MM (t) Hệ thống an toàn ECCS

Áp suất vận hành 15,5 MPa Hệ phun cao áp

Nhiệt độ nước lối vào thùng lò 292,4 ⁰C Số nhánh 3

Nhiệt độ nước lối ra thùng lò 327,6 ⁰C Áp suất/nhiệt độ 21,2Mpa/120⁰C

kế/cực đại)

34/160 m3/h

Số thanh nhiên liệu/bó 264 Áp suất/nhiệt độ 2,2Mpa/150⁰C

Tổng số bó nhiên liệu trong

vùng hoạt

157 Tốc độ dòng phun 850 m3/h

Độ giàu nhiên liệu 4,5 % Áp suất/nhiệt độ thiết kế 0,52Mpa/145 ⁰C Mật độ công suất tuyến tính

trung bình

186 W/cm Đường kính trong/

Chiều cao

37m/ 56m

Độ sâu cháy nhiên liệu 52 GWd/T Bơm phun nhà lò 2

Số chùm thanh điều khiển 61 Tốc độ dòng phun 850 m3/h

CPR-1000 được xếp vào loại lò thế hệ lò II+ được trang bị hệ đo lường và điều khiển (I&C) số hóa và tuổi thọ thiết kế là 40 năm và có thể kéo dài lên 60 năm nhờ những nỗ lực làm giảm tạp chất (như đồng, lưu huỳnh, phostpho) trong vật liệu thùng lò phản ứng (RPV)

Hình 1.5 Nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành trong giai đoạn I (Wikipedia)

Hai lò phản ứng giai đoạn II sẽ có công suất lắp đặt 1170 MW (e) mỗi lò

Dự án lên kế hoạch lắp đặt các lò phản ứng HPR1000 (Hualong-1), lò phản ứng thế

hệ III Thiết kế Hualong-1 hay HPR1000 với vùng hoạt gồm 177 bó nhiên liệu dài 3,66m, khoảng thời gian thay đảo thanh nhiên liệu từ 18-24 tháng, với 72 bó thay nạp có độ giàu nhiên liệu 4,45% Nó có ba nhánh tải nhiệt, boongke lò kép và hệ thống an toàn chủ động với một số phân tử thụ động và thiết kế 60 năm Phiên bản này của CGN có công suất 3.150 MW (t), 1.150 MW (e) Độ sâu cháy nhiên liệu trung bình đạt 45 GWd/T Khả năng chịu động đất là 300 Gal (0,3g) [6]

1.4.3 Thành phần nguồn phóng xạ trong nhà máy điện hạt nhân

Hầu hết các nhà máy điện hạt nhân 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 Tại khu vực Đông Á, hai công nghệ lò phản ứng chính được sử dụng là BWR và PWR Nhiên liệu được sử dụng là các viên gốm uranium oxide (UO2) Sản phẩm của quá trình phân hạch là các đồng vị phóng xạ có hoạt độ cao (Hình 1.6) [17, 31]

Hình 1.6 Phân bố mảnh vỡ phân hạch của 233 U, 2355 và 239 Pu [31]

Các sản phẩm phân hạch đa số là các đồng vị phóng xạ có chu kì bán rã nhỏ, trong đó có hai đồng vị sống lâu được quan tâm nhiều trong nghiên cứu môi trường

là 137Cs (30 năm) và 29Sr (29 năm) Ngoài ra còn có đồng vị chu kì 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 kì 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 kì bán rã là 8 ngày Nó là mối quan tâm cho cơ thể con người đối với chiếu xạ trong 137Cs và 90Srlà đồng vị phóng xạ nguy hiểm nhất đối với môi trường về mặt ảnh hưởng lâu dài của chúng Chu kì bán

rã trung bình khoảng 30 năm của chúng cho thấy chúng không chỉ có tính phóng xạ cao mà chúng còn có chu kì bán rã đủ để tồn tại hàng trăm năm trong môi trường Chúng nằm ở lớp đất trên cùng (tầm khoảng 10cm) và có thể xâm nhập vào cơ thể con người thông qua chuỗi thức ăn 131I có thể cho liều ban đầu cao hơn nhưng do chu kì 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 sản phẩm phân hạch Và đặc biệt, 131I và

137Cs có tỉ lệ hấp thụ qua đường tiêu hóa đều là 100% [15]

Hình 1.7: Sản phầm 131 I và 137 Cs từ phản ứng phân hạch hạt nhân của 235 U và sơ đồ

phân rã β - của 137 Cs và 131 I [31]

1.5 Số hạng nguồn phát thải theo thang sự cố hạt nhân

1.5.1 Định nghĩa số hạng nguồn phát thải

Vấn đề được quan tâm nhất trong trường hợp xảy ra sự cố nghiêm trọng tại một nhà máy điện hạt nhân chính là mức độ và hàm lượng phóng xạ, thường được gọi với cái tên là số hạng nguồn, phát thải từ nhà máy ra môi trường bên ngoài Việc nghiên cứu và phân tích bài toán số hạng nguồn có ý nghĩa quan trọng trong

công tác phòng chống và ứng phó sự cố hạt nhân Số hạng nguồn có thể được định

nghĩa là mức độ, hình thức, cách thức phát thải và các dạng hợp chất hóa học và vật chất phát thải từ các nguồn phóng xạ bên trong và bên ngoài vỏ thùng lò phản ứng Lượng số hạng nguồn được tạo ra phụ thuộc vào nồng độ chất phân hạch, thời gian hoạt động và chu kỳ, công suất hoạt động và diễn biến sự cố [24]… Số hạng nguồn

có thể được giải phóng từ nhiên liệu hạt nhân trong quá trình gia nhiệt, các nguyên

vật liệu trong vùng hoạt hoặc từ các phản ứng của các chất nóng chảy vùng hoạt với các thành phần vật liệu bê tông khoang nhà lò (Cavity) trong các trường hợp xảy ra

sự cố Số hạng nguồn của đồng vị phát thải ra môi trường không khí được tính toán theo công thức sau:

Số hạng nguồn i

= FPI i× mức công suất (MWe) × CRF i × (∏nj=1RDF(i,j)) × EFi (1.3)

Trong đó:

 i là loại nhân phóng xạ, n là tổng số cơ chế làm suy giảm

 FPI i là hoạt độ của nguyên tố phóng xạ loại i tích trữ trong vùng hoạt hoặc trong nước làm mát (Ci/MWe)

 CRF i = Lượng đồng vị loại i phát thải từ vùng hoạt

Lượng đồng vị loại i tồn dư trong vùng hoạt

 RDFi =

Lượng đồng vị loại i có sẵn cho phát thải sau khi tiến hành các cơ chế làm giảm Lượng đồng vị loại i có sẵn cho phát thải trước thi tiến hành các cơ chế làm giảm

 EFi = Lượng đồng vị loại i phát thải ra ngoài môi trường

Lượng đồng vị loại i có sẵn cho phát thải

Các tham số này đều được cung cấp trong tài liệu NUREG1228

1.5.2 Trường hợp nhà máy điện hạt nhân hoạt động bình thường

Trong điều kiện nhà máy điện hạt nhân hoạt động bình thường, sử dụng các thông tin về thành phần đồng vị phát thải và suất phát thải cho trong bảng sau để làm dữ liệu đầu vào cho việc tính toán mô phỏng

Bảng 1.2 Thành phần các đồng vị phóng xạ trong khí thải của lò phản ứng PWR -

theo UNSCEAR 2000 [18]

I-129 1.813E+06 Cs-134 2.200E+06

1.5.3 Trường hợp xảy ra sự cố hạt nhân

Nhằm giúp công chúng hiểu rõ hơn về các mức độ nguy hiểm của sự cố/tai nạn hạt nhân, Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) đã sử dụng thang phân loại sự kiện hạt nhân Quốc Tế (International Nuclear Event Scale – INES) để đánh giá mức độ của một sự cố hoặc tai nạn hạt nhân Trong thang INES, các sự cố hạt nhân được đánh số theo mức độ mất an toàn tăng dần, bắt đầu từ 0 đến 7 Phân loại theo thang INES được áp dụng cho mọi cơ sở hạt nhân, từ nhà máy điện hạt nhân tới cơ sở xử lý nhiên liệu, bao gồm các cấp độ như sau:

Hình 1.8 Các cấp sự cố và tai nạn hạt nhân theo thang đo INES của IAEA [32]

Trên thế giới đã từng xảy ra hai tai nạn nhà máy điện hạt nhân được đánh giá

ở mức độ 7 đó là tai nạn tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl ở Liên Xô cũ năm

1986 và tai nạn nhà máy điện hạt nhân Fukushima ở Nhật Bản vào tháng 3 năm

2011

IAEA đã tổng kết về các sự cố nhẹ, cấp độ 1-3, xảy ra đối với các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới Nguyên nhân của các sự cố này thường xuất phát từ các lỗi không trầm trọng của các thiết bị, và chúng đã được phát hiện và khắc phục kịp thời trước khi có thể gây ra các hậu quả tiếp theo mà có thể là khởi đầu của các tai nạn Về nguyên tắc, các sự cố này chưa gây phát tán phóng xạ, đặc biệt là các sản phẩm phân hạch, tác động đến môi trường và sức khỏe con người Do vậy, số liệu phát thải chất phóng xạ trong trường hợp xảy ra sự cố cấp độ 1 đến 3 được xem xét giống như trường hợp nhà máy điện hạt nhân hoạt động bình thường [32]

Đối với các sự cố/tai nạn từ cấp 4 tới cấp 7, số hạng nguồn phát thải ra môi trường ngoài sẽ căn cứ vào từng cấp độ hư hại theo thang INES, dựa trên tài liệu hướng dẫn NUREG 1228 của Ủy Ban Pháp Quy Hạt Nhân Hoa Kỳ, việc xác định này được thực hiện như sau[29]:

 Bước đầu tiên để xác định số hạng nguồn đó là thiết lập nguồn gốc phát thải hoặc khả năng phát thải và đặc điểm của nó Việc này được thực hiện bằng cách

sử dụng thông tin về các thông số của nhà máy, các thiết bị đo đạc bức xạ, hoặc bằng việc lấy mẫu Các thông số của nhà máy là hữu ích nhất trong việc xác định mức độ thiệt hại của vùng hoạt, trong khi đó các thiết bị đo đạc bức xạ hữu ích nhất trong việc định vị nguồn gốc của các nhân phóng xạ và sau đó theo dõi

sự phát thải từ nguồn thông qua nhà máy hoặc ra môi trường bên ngoài

 Bước tiếp theo đó là xác định lượng sản phẩm phân hạch phát tán từ nhiên liệu tới vùng hoạt, từ vùng hoạt tới không gian nhà lò, và từ nhà lò tới môi trường ngoài Tham số hoạt độ tích trữ của các đồng vị phóng xạ FPI i được cho trong bảng sau:

Bảng 1.3 Hoạt độ tích trữ của các đồng vị phóng xạ sinh ra trong vùng hoạt [29]

Đồng vị

Lượng tích trữ (Ci/MWe)

Đồng vị

Lượng tích trữ (Ci/MWe)

Đồng vị

Lượng tích trữ (Ci/MWe)

Sự cố cấp độ 7

Tai nạn rất nghiêm trọng (Major accident), vùng hoạt bị nóng chảy và các lớp bảo vệ bị hư hại rất nghiêm trọng Giả sử lò phản ứng đang hoạt động tại công suất 1000MWe, sự cố mất nước tải nhiệt vùng hoạt (LOCA) xảy ra với nguyên nhân do nứt ống trong hệ thống tải nhiệt vùng hoạt (Reactor Coolant System – RCS) Hệ quả của sự kiện này dẫn đến hiện tượng mất nước vùng hoạt, đồng thời hệ thống làm ngập thùng lò bị hỏng không hoạt động, hệ quả xảy ra là nhiệt độ nhiên liệu tăng lên nhanh chóng, đạt ngưỡng 4500oF và nóng chảy hoàn toàn nhiên liệu trong thùng lò Vậy, với trường hợp nóng chảy vùng hoạt, hệ số Core Release Fraction (CRF) tương ứng sẽ như sau:

Bảng 1.4 Hệ số CRF khi vùng hoạt nóng chảy [29]

Do đó hệ số Reduction Fraction (RDF) sẽ bao gồm: RDF1 = 0.4 (do tai nạn bypass)

và RDF2 = 0.04 (nhà lò bị hỏng nghiêm trọng, hệ thống phun nhà lò không hoạt động, phóng xạ được giam giữ 30 phút trong nhà lò)

Do thùng lò bị nóng chảy sẽ sinh ra một lượng đáng kể khí H2, theo thời gian tích tụ, lượng khí H2 này sẽ là nguyên nhân chính gây ra nổ nhà lò, khi đó hệ số Escape Fraction (EF) = 1.0

Do vậy, số hạng nguồn trong sự cố này được tính như bảng dưới đây:

Mức công suất (MWe)

phát thải

ra môi trường (Ci)

CHƯƠNG 2 ĐÁNH GIÁ PHÁT TÁN PHÓNG XẠ TRONG KHÔNG KHÍ 2.1 Mô hình phát tán phóng xạ trong không khí

Các mô hình tính toán cần phải quan tâm đến ảnh hưởng của các quá trình vật

- Sự hình thành và liên kết của các sol khí

- Chất rơi lắng lại tách ra khỏi bề mặt vật chất quay trở lại môi trường

- Các hiệu ứng này có thể được giải thích bằng toán học,và chúng sẽ được xem xét trong các mô hình tính toán cho các mục đích quản lý

Các mô hình tính toán cho phát tán không khí nên được chọn phù hợp với các yêu cầu quản lý và nên tính đến các đặc trưng riêng của của địa điểm và/hoặc nhà máy nếu có thể thực hiện được

Các phương pháp và phương trình toán học được sử dụng trong các mô hình

để chỉ thị nhiễu loạn và tính toán phát tán không khí, nâng dòng và chiều cao hiệu dụng, và nồng độ kết hợp theo thời gian cũng như là các quy trình chung đối với việc đánh giá phát tán và các kĩ thuật để đánh giá tách trở lại của các chất lắng đọng Hình 2.1 mô tả ví dụ về quá trình chủ yếu ảnh hưởng đến sự vận chuyển của các nhân phóng xạ phát thải trong không khí

Hình 2.1 Ví dụ về các quá trình chủ yếu ảnh hưởng đến sự vận chuyển của nhân

phóng xạ phát thải trong không khí

Trên thế giới, rất nhiều mô hình mô phỏng toán học được sử dụng để tính

toán phát tán trong khí quyển như mô hình Gausian, Lagrangian, Eulerian và động

lực học chất lỏng tính toán (CFD) [12, 28] Cả bốn mô hình có một số đặc điểm như

sau:

2.1.1 Mô hình Động lực học chất lỏng tính toán CFD

Tương tự như cách tiếp cận của mô hình Eulerian, mô hình CFD tính toán

chuyển động của các gói không khí trên một lưới tính toán (thường được gọi là

lưới) bằng cách giải phương trình Navier-Stokes[12]:

ρ (∂v⃗⃗

∂t+ (v⃗ ∇)v⃗ ) = −∇P + μ∇2v⃗ + f (2.1) Trong đó:

∂v ⃗⃗

∂t là tốc độ gió cục bộ; (v⃗ ∇)v⃗ là gia tốc của số hạng đối lưu; ∇P là gradien áp

suất; μ∇2v⃗ là số hạng nhớt; f thuật ngữ bao gồm nội lực và ngoại lực

Rõ ràng, phương trình Navier-Stokes không bao gồm thuật ngữ nhiễu loạn,

cách duy nhất để mô hình hóa nhiễu động bằng cách sử dụng phương trình

Navier-Stokes tính trực tiếp động năng hỗn loạn trên mỗi thang đo mà năng lượng bị tiêu

tán bởi lực nhớt Điều này đòi hỏi ô lưới tính toán phải có kích thước 1mm để tính

toán nhiễu loạn khí quyển với độ chính xác chấp nhận được, điều này dẫn đến cần

chi phí tính toán cực cao Do đó, độ nhiễu loạn phải được ước tính bằng hai cách

tiếp cận phổ biến: cách tiếp cận k-ε, hoặc cách tiếp cận Mô phỏng xoáy lớn (LES)

Mô hình k-ε sử dụng Navier – Stokes (RANS) lấy trung bình Reynolds cho hiệu quả cao hơn LES, nhưng kém chính xác nhất LES là một công cụ hiện đại để lập

mô hình nhiễu loạn nhưng đòi hỏi chi phí tính toán cao, kết quả của nó thường được

sử dụng làm bộ dữ liệu chuẩn cho các mô hình khác [12, 28]

2.1.2 Mô hình Gausian

Tùy thuộc vào điều kiện ban đầu và điều kiện biên, tùy thuộc vào các kịch bản, hàm phân bố có thể có các dạng khác nhau Khi coi rằng tốc độ gió và hướng gió là không thay đổi theo không gian và thời gian, cũng như độ khuếch tán rối và nguồn phát thải chất phóng xạ là không đổi thì luồng phát tán khí của các chất phóng xạ sẽ có phân bố Gaussian theo chiều ngang và chiều đứng Các phân bố Gaussian này sẽ mở rộng ra khi khoảng cách tới nguồn phát tăng lên Giả sử chùm tia được hướng theo trục x dương, nồng độ của chùm tia có thể được biểu thị bằng công thức chùm tia Gaussian [8]:

c (x, y, z) là nồng độ tại điểm (x, y, z), (g / m3); Q là tốc độ phát xạ, (g/s);

u là tốc độ gió, (m / s); σy là tham số phân tán theo phương ngang, (m);

σz là tham số phân tán theo hướng thẳng đứng, (m)

Mô hình luồng khí Gaussian chỉ hợp lý trong các điều kiện sau:

 Luồng khí xuất phát từ 1 điểm toán học và được xem là nguồn điểm;

 Nguồn phát thải chất nhiễm bẩn là không đổi;

 Hướng gió và tốc độ gió là không thay đổi theo không gian và thời gian;

 Độ nhiễu loạn khí quyển là không thay đổi theo không gian và thời gian

Điều này có nghĩa là mô hình luồng khí Gaussian chỉ có thể được coi là gần đúng do không có điều kiện nào trong các điều kiện trên có thể thỏa mãn trong thực

tế Mô hình luồng khí Gaussian được xem là mô hình gần đúng hợp lý khi các điều kiện trên gần đúng được thỏa mãn Mô hình sẽ trở nên kém chính xác khi các điều kiện thực tế lệch quá nhiều so với các điều kiện lý tưởng ở trên Khi tính đến các điều kiện địa hình thì mô hình Gaussian đặc biệt khó khăn để áp dụng Mô hình

luồng khí Gaussian chỉ có thể mô tả quá trình phát tán khí trong phạm vi dưới

100km [2]

Hình 2.2 Mô tả chùm phát tán Gaussian (Nguồn Wikipedia)

2.1.3 Mô hình Eulerian

Mô hình Eulerian theo dõi chuyển động của các lô ô nhiễm trong một lưới

tọa độ ba chiều cố định Sự phân tán của các lô ô nhiễm được giải quyết bằng số

bằng phương trình vận chuyển trong khí quyển [8, 12, 26]:

∂c

∂t = −∇ (cv⃗ ) + Sc+ ∇ (Dc∇c) (2.3) Trong đó:

∂c / ∂t là sự thay đổi nồng độ cục bộ theo thời gian; Dc là hệ số khuếch tán;

−∇ (cv⃗ ) là thuật ngữ vận chuyển; v là vectơ gió

Sc là thuật ngữ nguồn nằm trong lưới đã cho, bao gồm sản xuất và mất mát hóa chất,

phân rã phóng xạ, lắng đọng khô và ướt

Ưu điểm chính của mô hình phát tán Eulerian là ở chỗ các mô hình hóa học

khắc nghiệt có thể được hợp nhất một cách liền mạch trong thuật toán trái ngược

với các mô hình phát tán khác mà chúng chỉ có thể bao gồm mô hình hóa học đơn

giản hoặc sự kết hợp các mô hình hóa học là khó khăn Một ưu điểm cuả mô hình

Eulerian có điểm chung với các mô hình hạt Lagranian là ở chỗ luồng khí không

được mô hình hóa như là một thực thể đơn lẻ vì vậy vận chuyển trên khoảng cách

dài có thể được mô hình hóa với độ mất chính xác tương đối nhỏ Tuy nhiên những

nhược điểm chính của mô hình Eulerian thiếu độ phân giải và nhu cầu tính toán cao

Một vấn đề khác là ở chỗ cơ sở vật lý của mô hình phát tán Eulerian là lý thuyết

gradian bị phá vỡ ở khoảng cách ngắn tới nguồn nơi mà kích thước của các xoáy

nhiễu loạn lớn không thể bỏ qua khi so sánh với khoảng cách giữa nguồn và nơi tiếp nhận Trong mô hình hạt Lagranian xử lý quá trình phát tán trên quy mô địa phương, mô hình Eulerian chỉ làm việc tốt trên quy mô vùng Mô hình phát tán Eulerian thường yêu cầu tài nguyên tính toán nhiều hơn mô hình hạt Lagranian Ưu điểm của mô hình Eulerian là khả năng mô hình hóa các chất nhiễm bẩn thứ cấp chẳng hạn như ozon

2.1.4 Mô hình hạt Lagrangian

Mô hình hạt Lagrangian ngẫu nhiên coi mỗi nguồn phát phát ra một số lượng lớn các hạt và mỗi hạt chuyển động theo một con đường ngẫu nhiên xung quanh vecto hướng gió trung bình, con đường này được cập nhật theo mỗi bước thơi gian Việc dự đoán nồng độ chất ô nhiễm được thực hiện bằng cách đếm số các hạt trong một thể tích khí đã đo Mô hình hạt Lagrangian ngẫu nhiên mô phỏng các quy luật vật lý của quá trình phát tán phóng xạ tốt hơn các mô hình khác, do vậy mô hình này thường được sử dụng để mô tả quá trình phát tán ở khoảng cách đến hàng nghìn km.Tuy nhiên để sử dụng được mô hình này ta cần phải có hệ thống máy tính đủ mạnh, có hiệu năng tính toán cao vì trong quá trình mô phỏng cần phải thực hiện các tính toán mô phỏng cho một số lượng rất lớn các hạt phát ra từ nguồn phát để đảm bảo độ tin cậy của kết quả Không giống như cách tiếp cận của mô hình Eulerian và mô hình CFD, mô hình Lagrangian giải quyết chuyển động của từng hạt đơn lẻ khi nó di chuyển ra xa trong khí quyển (hoặc còn được gọi là khối không khí) Vận tốc của hạt trong mô hình Lagrangian được tính dựa trên phương trình vi phân ngẫu nhiên Langevin [12]:

dw = − (w

T L) dt + Xdμ (2.4) Trong đó: w là thành phần bất kỳ của vận tốc hạt, TL là thang thời gian Lagrangian,

w

T L là số hạng xác định, Xdμ là số hạng ngẫu nhiên

Các mô hình Lagrangian thường được sử dụng để mô tả quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong khí quyển và thường dùng các thông số đầu vào là các số liệu khí tượng thu nhận từ việc quan trắc, số liệu tái phân tích trên lưới hoặc từ các mô hình toàn cầu, trên lưới Các dữ liệu khí tượng là các biến đầu vào cần thiết cho hầu hết các mô hình vận chuyển và phát tán khí Bên cạnh việc sử dụng các số liệu quan

trắc trực tiếp, người ta thường dựa vào kết quả mô hình khí tượng để lấy các biến như gió, nhiệt độ và lượng mưa cho sự tính toán vận chuyển và phát tán khí vì các

mô hình khí tượng nội suy các biến theo không gian và thời gian phù hợp với các phương trình chuyển động khí quyển Các biến đầu ra của mô hình khí tượng thường được lưu trữ theo giờ hoặc theo khu vực và toàn cầu [22, 25, 33]

Các mô hình phát tán hạt Largrangian được sử dụng rộng rãi trong việc mô hình hóa vận chuyển khí quyển ở các quy mô khác nhau và cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ phát tán chất ô nhiễm ở quy mô nhỏ từ ống khói nhà máy điện, xác định dấu vết luồng khí từ các Trạm quan trắc đến nghiên cứu vận chuyển tầm xa của các chất ô nhiễm có nguồn gốc do con người, các chất ô nhiễm do đốt sinh khối

và các chất phóng xạ, việc định lượng giữa trao đổi tầng đối lưu và tầng bình lưu

2.1.5 Các mô hình mô phỏng đề xuất cho Việt Nam

Các mô hình hạt Lagrangian xử lý các khía cạnh vật lý nằm sau sự phân tán không khí tốt hơn bất kỳ mô hình nào khác và chính xác hơn ở khoảng cách xa hàng nghìn km [62] Chi phí tính toán của mô hình Lagrangian chỉ phụ thuộc vào số lượng hạt, không phụ thuộc vào độ phân giải lưới đầu ra, do đó, mô hình Lagrangian đặc biệt hiệu quả đối với mô phỏng mesoscale so với mô phỏng lưới Eulerian với độ phân giải rất tốt Bảng 2.1 trình bày các ứng dụng được khuyến nghị của một số mô hình phân tán của Leelossy et al [61] Do đó, chúng tôi đề xuất

mô hình Lagrangian cho mô hình phân tán khí quyển phù hợp với quy mô lãnh thổ Việt Nam:

Bảng 2.1 Các ứng dụng được đề xuất của mô hình số cho mô hình phân tán khí

quyển [12]

Quản lý rủi ro trực tuyến - Gaussian Puff Eulerian Địa hình phức tạp CFD Lagrangian Lagrangian Eulerian Vật liệu phản ứng CFD Eulerian Eulerian Eulerian

Độ nhạy cảm nguồn - Lagrangian Lagrangian Lagrangian Tải trọng trung bình dài hạn - Gaussian Gaussian Eulerian Phân tán bầu không khí tự do - Lagrangian Lagrangian Lagrangian Lớp ranh giới đối lưu CFD Lagrangian Eulerian Eulerian

Lớp ranh giới ổn định CFD Lagrangian Eulerian Eulerian Khu độ thị, hẻm núi, đường

phố

2.2 Quy trình đánh giá phát tán phóng xạ trong không khí

Quy trình đánh giá phát tán phóng xạ trong môi trường không khí có thể được chia thành năm giai đoạn cơ bản sau:

 Giai đoạn 1: giai đoạn này lựa chọn phần mềm tính toán và nghiên cứu mô hình phát tán phóng xạ trong môi trường không khí để hiểu rõ bản chất của phát tán, đồng thời nghiên cứu chương trình tính toán cần sử dụng để có mối liên hệ về phương pháp mà chương trình tính toán sử dụng để thực hiện

 Giai đoạn 2: Giai đoạn này cần xác định các thông số đầu vào đối với các chương trình tính toán Về cơ bản, các chương trình tính toán sử dụng các thông số đầu vào giống nhau tuy nhiên có thể khác nhau tùy theo mục đích

sử dụng Các thông số đầu vào thông thường cần nghiên cứu là: số liệu về các đồng vị phóng xạ, thông số về nguồn phát thải, điều tra dữ liệu khí tượng, điều tra số liệu địa hình, vật chắn, số liệu về tốc độ suy yếu của chất phóng xạ trong khí quyển

 Giai đoạn 3: Tổng hợp các dữ liệu cần thiết cho mô hình tính toán

 Giai đoạn 4: Đưa dữ liệu phù hợp vào chương trình tính toán Chạy chương trình để thu được kết quả đầu ra

 Giai đoạn 5: Sử dụng kết quả đầu ra Kết quả đầu ra được sử dụng để đánh giá và tư vấn về phân bố dân cư bên ngoài khu vực nhà máy điện hạt nhân;

cơ sở để tiến hành các biện pháp cần thiết để ứng phó sự cố và thiết lập hệ thống ứng phó sự cố, lưu hồ sơ

Để mô phỏng quá trình lan truyền phóng xạ trong không khí, tác giả lựa chọn

phần mềm trong đề tài là GoldEnvSim, phần mềm này có thể chạy trong ba chức

năng chính, phục vụ cho từng mục đích cụ thể: chức năng cài đặt nhanh, chức năng

mô phỏng thời gian thực hiện và chức năng thiết lập nâng cao GoldEnvSim đã được viết bằng favaFX 11, hệ thống tối thiểu cần thiết để hoạt động là CPU Intel

Core i3-6100, 8GB RAM, 80 GB dung lượng lưu trữ trên đĩa sau khi cài đặt và nền tảng hoạt động là Ubuntu 18.04x64 LTS trở lên

Hình 2.3 Sơ đồ các thành phần của GoldEnvSim

GoldEnvSim bao gồm 3 mô đun chính: WPS (hệ thống tiền xử lý WRF), WRF và FLEXPART-WRF WPS chứa 3 mô đun con: geogrid, ungrid và metgrid Miền tính toán ánh xạ geogrid xác định phép chiếu địa lý, đặt độ phân giải miền và tạo các tệp tĩnh của dữ liệu trên mặt đất Chương trình ungrid giải mã các tệp NCEP GFS ở định dạng GRIB cho dữ liệu khí tượng và chương trình metgrid nội suy theo chiều ngang dữ liệu khí tượng trên các miền dự kiến Dữ liệu đầu ra từ WPS ở định dạng NETCDF cung cấp ảnh chụp nhanh ba chiều hoàn chỉnh của bầu khí quyển trên mô hình ngang của lưới

2.3 Chương trình mô phỏng khí tượng WRF

2.3.1 Tổng quan về chương trình WRF

Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF (Weather Research and Forecasting) là mô hình được phát triển từ những tính năng ưu việt nhất của mô hình MM5 với sự cộng tác của nhiều cơ quan tổ chức lớn trên thế giới, chủ yếu là: Phòng nghiên cứu khí tượng quy mô nhỏ và vừa của trung tâm quốc gia nghiên cứu khí quyển Hoa Kỳ (NCAR/MMM), Trung tâm quốc gia dự báo môi trường (NOAA/NCEP), Phòng thí nghiệm phương pháp dự báo (NOAA/FSL), Trung tâm phân tích và dự báo bão của trường đại học Oklahoma (CAPS), Cơ quan thời tiết hàng không Hoa Kỳ (AFWA) và một số trung tâm khí tượng quốc tế như: Học Viện khoa học khí tượng của Trung Quốc CAMS, Cơ quan thời tiết trung ương của Đài Loan… Hiện nay, mô hình WRF đang được sử dụng rộng rãi trong dự báo thời

tiết nghiệp vụ cũng như trong nghiên cứu ở nhiều quốc gia trên thế giới, cụ thể: tại

Mỹ, mô hình WRF đang được chạy nghiệp vụ tại NCEP (từ năm 2004) và AFWA (từ tháng 7/2006) Mô hình này cũng đang được chạy nghiệp vụ tại KMA (2006), tại Ấn Độ, Đài Loan và Israel (từ năm 2007) Ngoài ra một số nước khác đang sử dụng WRF trong nghiên cứu và dự định sử dụng mô hình này trong nghiệp vụ như Trung Quốc, New Zealand, Braxin, [16]

Mô hình WRF được cấu tạo bởi hai bộ phận chính là bộ phận xử lý (tiền xử

lý và hậu xử lý), bộ phận mô phỏng Trong đó:

Bộ phận mô phỏng: chương trình chính của WRF (ARW solver)

Bộ phận tiền xử lý: Gồm chương trình mô phỏng dữ liệu ban đầu (The WRF Preprocessing System, WPS) và chương trình đồng hóa số liệu (WRF-VAR)

Bộ phận hậu xử lý: Công cụ đồ họa xử lý sản phẩm của mô hình (Post Processing & Visualization Tools) WPS: là chương trình dùng để mô phỏng các dữ liệu thực ban đầu như giới hạn vùng mô phỏng, nội suy dữ liệu hành tinh (địa hình, đất sử dụng, loại đất), lưới hóa và nội suy số liệu khí tượng từ mô hình khác trong vùng mô phỏng WRF-Var: là chương trình đồng hóa số liệu đầu vào của mô hình, kiểm tra các quá trình phân tích nội suy đã được tạo bởi chương trình WPS, có thể được sử dụng để cập nhật điều kiện ban đâu ARW solver: là chương trình chính của mô hình, bao gồm các chương trình khởi tạo đối với việc lý tưởng hóa, các mô phỏng dữ liệu thực và chương trình tích phân

2.3.2 Các quá trình vật lý trong mô hình

Các sơ đồ tham số hoá vật lý trong mô hình WRF rất phong phú, tạo điều kiện thuận lợi cho các đối tượng sử dụng khác nhau Các quá trình vật lý được tham số hóa trong mô hình WRF bao gồm: Các quá trình vật lý vi mô, tham số hoá đối lưu mây tích, lớp biên hành tinh, mô hình bề mặt, các quá

trình đất - bề mặt (mô hình đất), bức xạ, khuếch tán

a Vật lý vi mô:

Vi vật lý bao gồm các quá trình xử lý hơi nước, mây và quá trình giáng thủy Các sơ đồ vi vật lý dùng để tính toán xu thế của nhiệt độ, độ ẩm khí quyển và mưa

bề mặt WRF cho phép lựa chọn các sơ đồ tham số hóa vi vật lý sau: Sơ đồ Kessler,

sơ đồ Purdue Lin, sơ đồ WSM3, sơ đồ WSM5, sơ đồ WSM6, sơ đồ Eta Ferrier và

sơ đồ Thompson Mỗi sơ đồ có độ phức tạp và các biến ẩm riêng khác nhau Lựa chọn mặc định của mô hình WRF trong mảng vật lý vi mô là sơ đồ mây, giáng thủy theo lưới Eta (EtaGCP)

Bảng 2.2 Một số tùy chọn mô hình vi vật lý trong WRF

b Đối lưu mây tích:

Trong mô hình số trị nói chung, tham số hóa đối lưu mây tích có tầm quan trọng đặc biệt đối với mô phỏng có độ phân giải trên 10km, mô hình không mô phỏng được các ổ đối lưu riêng biệt và các quá trình vận chuyển nhiệt ẩm Mây đối lưu Cb, Cu sâu có xu hướng làm nóng và khô không khí môi trường do chúng làm tiêu hao ẩm môi trường còn mây tầng Ci, Cs nông lại có xu hướng làm cho môi trường lạnh và ẩm nhờ sự bốc hơi của hơi nước và nước cuốn ra từ mây (do không khí môi trường khô hơn) Chính vì vậy, việc xem xét phổ mây tích với các kích cỡ khác nhau là rất quan trọng trong nghiên cứu mối tương tác giữa mây tích và môi trường quy mô lớn Mây tích có quy mô nhỏ hơn nhiều so với độ phân giải thông thường của lưới mô hình, nên ảnh hưởng của nó đối với hoàn lưu quy mô lớn không thể tính trực tiếp mà chỉ có thể tính gián tiếp từ cân bằng nhiệt và ẩm của hệ thống hoàn lưu quy mô lớn [30]

Bảng 2.3 Một số tùy chọn tham số hóa đối lưu mây tích trong mô hình WRF

Betts-Miller Janjic Không Bình lưu

c Lớp bề mặt và các mô hình bề mặt đất

Những sơ đồ lớp bề mặt tính toán hệ số vận tốc và trao đổi ma sát, cho phép tính dòng nhiệt và ẩm bề mặt bởi mô hình đất - bề mặt và sơ đồ lớp biên hành tinh Các sơ đồ bề mặt trong mô hình WRF được mô tả trong bảng 2.4

Bảng 2.4 Tùy chọn bề mặt đất trong WRF

RUC Có Nhiệt độ, băng, nước + băng (6) Nhiều lớp

d Lớp biên hành tinh

Lớp biên hành tinh (PBL) có nhiệm vụ tính toán thông lượng xoáy quy mô dưới lưới Vì vậy khi PBL được kích hoạt thì khuếch tán theo chiều thẳng đứng cũng được kích hoạt Hầu hết, khuếch tán ngang là không đổi (Kk=const) Thông lượng bề mặt được cung cấp bởi bề mặt và sơ đồ bề mặt đất Sơ đồ PBL xác định các profile thông lượng giữa lớp biên và trạng thái của lớp biên Vì vậy, sẽ cung cấp những khuynh hướng của nhiệt độ, độ ẩm (bao gồm cả mây), động lượng ngang trong toàn cột khí quyển Hầu hết, các sơ đồ PBL xét sự xáo trộn khô, nhưng cũng bao gồm hiệu ứng bão hòa trong sự ổn định thẳng [30]

e Bức xạ khí quyển

Các sơ đồ bức xạ khí quyển cho ta thấy sự đốt nóng bề mặt khí quyển bởi thông lượng bức xạ sóng ngắn của mặt trời và sóng dài của bề mặt đất Bức xạ sóng dài bao gồm tia hồng ngoại (IR) hoặc bức xạ nhiệt hấp thụ được phát ra từ khối không khí và bề mặt Dòng bức xạ sóng dài từ bề mặt phụ thuộc vào loại bề mặt đất, nhiệt độ bề mặt đất Bức xạ sóng ngắn có chứa cả bức xạ sóng dài, và phụ cận sóng dài trong phổ mặt trời Vì chỉ có nguồn là mặt trời, nên bức xạ sóng dài gồm các quá trình hấp thụ, phản xạ, phát xạ trong khí quyển và tại bề mặt Phản xạ phụ thuộc vào Albedo của mặt đệm Bức xạ còn phụ thuộc vào phân bố của mây, hơi nước và các khí CO2, O3,… Các tùy chọn bức xạ trong mô hình WRF gồm: Sơ đồ sóng dài

RRTM, sơ đồ sóng ngắn và sóng dài Eta GFDL, sơ đồ sóng ngắn MM5 (Dudhia),

sơ đồ sóng ngắn Goddard [30]

f Sơ đồ tương tác giữa các quá trình vật lý:

Quá trình tham số hóa mây tích tác động vào vi vật lí thông qua dòng đi

ra Vi vật lí cùng với mây tích tác động đến bức xạ thông qua sự ảnh hưởng của mây tới bức xạ Bức xạ và bề mặt tương tác với nhau thông qua phát xạ sóng ngắn, dài và Albedo bề mặt Bề mặt tương tác với lớp biên hành tinh thông qua thông lượng nhiệt ẩm bề mặt và gió Lớp biên hành tinh và mây tích tương tác với nhau thông qua dòng giáng và mây tầng thấp

Hình 2.4 Sơ đồ tương tác vật lý

2.3.3 Lưới lồng

 Các loại lưới lồng trong WRF

Mô hình WRF sử dụng kết quả phân tích và dự báo của mô hình toàn cầu làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên, độ phân giải của những mô hình này khá thấp nên làm cho kết quả tính toán thường bị sai lệch Để khắc phục hạn chế này và

để nâng cao độ chính xác của kết quả mô phỏng, người ta thường thực hiện lồng lưới

Mô hình WRF hỗ trợ sử dụng lưới lồng tương tác một chiều, lưới lồng tương tác hai chiều và lưới lồng di chuyển Mô phỏng ARW gồm một lưới thô ngoài cùng (có thể gọi là lưới mẹ) và có thể chứa nhiều lưới mịn hơn bên trong (có thể gọi là lưới con) Mỗi một lưới lồng con được chứa hoàn toàn bên trong một lưới mẹ đơn

lẻ Các lưới lồng mịn hơn được xem như là các lưới con Các lưới con này cũng là lưới mẹ khi nhiều mực lồng được sử dụng Lưới mịn có thể được lồng với bất kỳ

một độ sâu nào và một vài lưới mịn có thể chia sẻ lưới mẹ tại cùng một mực lồng Lưới mịn có thể là miền tĩnh hoặc có thể di chuyển theo một cách thức đã được quy định Lưới chồng lấn và lưới có hơn một lưới mẹ đơn lẻ là không được phép

 Lưới lồng Akarawa-C trong mô hình WRF

Mô hình WRF sử dụng lưới Akarawa-C được bố trí như sau:

Hình 2.5 Lưới Akarawa-C theo không gian của mô hình WRF

Lưới Akarawa-C chia kích thước miền mẹ và miền lồng bên trong theo tỷ lệ 3:1 Đường nét liền chỉ các biên của ô lưới thô và đường nét gạch ngang là các biên cho mỗi ô lưới mịn Các thành phần gió ngang được xác định dọc theo bề mặt ô chuẩn tắc Và biến nhiệt lực được xác định tại tâm ô lưới Dòng nét đậm biến đổi dọc mặt tương tác giữa lưới thô và lưới mịn xác định các vị trí đó biên bên xác định cho lưới lồng đang có hiệu lực

Hình 2.6 Cấu trúc lưới lồng với tỷ lệ 3:1