原创ISC3模式及核电排放的模拟计算毕业论文.docx
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原创ISC3模式及核电排放的模拟计算毕业论文
毕业设计（论文）
题目ISC3模式及核电排放的模拟计算
学院名称核科学技术学院
南华大学
毕业设计（论文）任务书
学院：
核科学技术学院
题目：
ISC3模式及核电排放的
模拟计算
起止时间：
2009年12月20日至2010年5月30日
设计（论文）内容及要求：
一、设计内容
1.学习台湾的空气品质模式模拟教育的训练教材，熟悉几种模拟计算软件
2.学习使用ISC3模式软件进行点源扩散的模拟计算
3.使用ISC3模式软件对核电站的排放进行点源模式的假设模拟计算
二、设计要求
1、根据设计任务书设计内容，做出设计进度安排，写出开题报告；
2、撰写毕业设计（论文），篇幅不少于1.5万字，图表数据完整；
3、收集查找资料，参考资料不少于六本；
4、按毕业设计（论文）规范要求，打印装订成册两本；
5、完成英语译文一篇。
三、主要参考资料
1.《气溶胶科学引论》，卢正勇主编，原子能出版社，2000，10.
2.简明放射化学教程（修订第三版），强亦忠主编，原子能出版社出版，1999.6月.
3.牛玉娟.2004年世界核能发电所占份额.辐射防护，2005（06）
4.王自发,谢付莹,王喜全,等.嵌套网格空气质量预报模式系统的发展与应用[J].大气科学,2006,30（5）:
779.
指导教师：
年月日
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告
设计题目
ISC3模式及核电排放的模拟计算
设计题目来源
自选课题
设计题目类型
理论计算
起止时间
2009年12月20日
至2010年5月30日
论文一、依据及研究意义：
5（6’ISC3模型由美国国家环保局联合美国气象学会组建法规模式改善委员会开发。
789:
AERMIC的目标是开发一个能完全替代ISC3模型的法则模型，应用最新的扩散理论和计和计算机技术更新ISC3计算机程序。
20世纪90年代中后期，法规模式改善委员会在美在美国国家环保局的财政支持下，成功开发出ISC3扩散模型。
模式系统可用于多种排放源放射源（包括点源、面源、体源）的排放，也使用于乡村环境和城市环境的模拟和预测预测。
人们对空气污染问题的关注促进了空气质量数值模式的发展,至今空气质量模式已经发展了三代。
目前,国内外常用的模ISC3,ADMS,AERMOD,Models-3,CAPPS等。
选择空气质量模式应该根据实际问题的需求选择合适的模式。
ISC3是美国环保局提出的一个适用于分析和测定固定工业源泄放的扩散模型,ISC3模式软件包含高斯烟流模式、高斯阵喷模式、切割烟流模式、格点模式等。
它们各有各得优缺点。
适合不同条件的模拟计算。
本设计是基于ISC3模式软件对点源扩散的模拟计算、在对软件对核电站的排放进行点源模式的假设模拟计算。
通过模拟计算核电站的排放反映空气的质量，在如今的环境至上的氛围中有着十分重要的作用。
二、论文主要设计的内容、预期目标：
主要内容：
1、学习台湾的空气品质模式模拟教育的训练教材，熟悉几种模拟计算软件
2、了解气象站中的各种气象信息，学习使用模式软件进行点源扩散的模拟计算
3、使用模式软件对核电站的排放进行点源模式的假设模拟计算
预期目标：
完成学习台湾空气品质模拟教育的训练的教材，熟练运用ISC3模式软件进行点源扩散的模拟计算；在满足系统基本要求上运用ISC3模式软件对核电站的排放进行点源模式的假设模拟计算。
三、设计的研究重点及难点：
运用ISC3模式软件进行模拟计算，重点在于对于气象中个因素对模拟计算的影响，记住ISC3模式的输入输出的格式。
难点在于运用如何通过所获得的信息有效的应用到ISC3模式中，如何对运算后的结果进行分析。
四、设计研究方法及步骤（进度安排）：
设计首先找到ISC3模式软件以及相关ISC3模式软件的使用资料，然后在熟悉掌握ISC3模式软件时进行点源扩散的模拟计算；认真学习书本上的理论知识，使用ISC3模式软件对核电站的排放进行点源模式的假设计算设。
进度安排：
1.2009年12月20日—2010年3月30日，查找并阅读ISC3模式软件相关资料；
2.2010年4月1日—2010年4月30日，使用ISC3模式软件对核电站的排放进行点源模式的假设模拟计算；
3.2010年5月1日—2010年5月18日，撰写论文；
4.2010年5月19日—2010年5月25日，把草稿论文交给导师检查，顺便纠正错误，进一步完善论文。
5.2010年5月26日—2010年5月30日，答辩准备。
五、进行设计（论文）所需条件：
1、ISC3模式软件的相关资料；
2、ISC3模式软件的操作和使用经验；
3、关于原子以及气溶胶的相关资料；
4、核电厂排放的数据收集。
六、参考文献：
1《气溶胶科学引论》，卢正勇主编，原子能出版社，2000，10.
2简明放射化学教程（修订第三版），强亦忠主编，原子能出版社出版，1999.6月.
3牛玉娟.2004年世界核能发电所占份额.辐射防护，2005（06）
4于水.放射性气溶胶粒度的测定及ICRP假定值的代表性.辐射防
护通讯,1997,17（5）:
18-23.
5AEl-Hussein.Astudyonnaturalradiationexposureindifferentrealistic
livingrooms.JournalofEnvironmentalRadioactivity,2005（79）:
355-367.
七、指导教师意见：
签名：
年月日
ISC3模式及核电排放的模拟计算
摘要：
为了能够理想反应核电站排放放射性污染物对环境的影响，我们利用ISC3模式模拟计算核电站排放。
通过运算结果来反应核电站排放物对环境的影响。
本论文对放射性污染物在大气中的行为进行了介绍，对污染物大气扩散的基本理论、ISC3模式的使用条件进行说明。
论文对ISC3模式软件的输入、输出格式进行了阐述。
在此基础上，假设核电站的排放数据，编写输入文件，通过ISC3模式模拟计算放射性污染物的数据，再利用Origin软件绘制二维和三维图形来说明污染物在核电站周边的浓度。
通过浓度大小反映核电站排放的放射性污染物对环境的影响。
关键字：
放射性物质；烟羽；ISC3
ISC3modelandsimulationcalculationofnuclearpowerplant
Abstract：
Inordertoreactideallynuclearpowerplantemissionsofradioactivepollutantsimpactingontheenvironment,weuseISC3modeltosimulatecalculatethenuclearpowerstationemissions.Thisthesisintroducestheactionofradioactivecontaminantstoair,andexplainsthefundamentaltheoryandtheISC3modelconditionsofusage,alsoexpoundstheinputmodeandinputformatoftheISC3modelsoftware.Basiconthosetheories,wesupposetheemissiondataandwritetheinputfile,tosimulatecalculatetheradioactivecontaminantsdata,andusetheOriginsoftwaretodrawtwodimensionalandthreedimensionalfigurestoexplainthepollutantconcentrationaroundthenuclearpowerplant.Thepollutantconcentrationwillreactthenuclearpowerplantemissionsinfluenceontheenvironment.
Keywords:
Radioactivematerial；Plume；ISC3
目录
1.引言1
1.1概述1
1.1.1核能发电简史1
1.1.2核电站运行对环境的影响2
1.2国内外常用的空气质量模式介绍3
2.放射性污染物在大气中的行为和ISC3模式软件4
2.1放射性气溶胶的形成4
2.2放射性污染物在大气中的输运和扩散4
2.3ISC3模式与TAQM模式的比较5
2.3.1ISC3模式5
2.3.2TAQM模式（TaiwanAirQualityModel）6
2.3.3ISC3模式与TAQM模式的比较6
2.4ISC3模式各条件下的处理方法7
2.4.1点源小时浓度之估算式-高斯烟流公式7
2.4.2非点源之处理10
3.ISC3模式输入、输出文件分析13
3.1ISC3模式简介13
3.2关键字和参数方法与输入格式的描述13
3.2.1ISC3输入档之基本规则14
3.2.2执行方法14
3.2.3控制（CONTROL）路径的参数输入14
3.2.4污染源路径（SourcePathway）的参数输入15
3.2.5受体路径（ReceptorPathway）的参数输入18
3.2.6气象路径的参数输入21
3.2.7输出路径的参数输入23
3.3ISC模式输出文件分析25
4.仿真运行结果分析27
4.1仿真模拟的参数设定27
4.2模式运行结果成形和分析27
5.总结与展望30
参考文献31
致谢32
翻译原文33
翻译中文47
1.引言
1.1概述
1.1.1核能发电简史
核能发电的历史与动力堆的发展历史密切相关。
动力堆的发展最初是出于军事需要。
1954年，苏联建成世界上第一座装机容量为5兆瓦（电）的核电站。
英、美等国也相继建成各种类型的核电站。
到1960年,有5个国家建成20座核电站，装机容量1279兆瓦（电）。
由于核浓缩技术的发展，到1966年，核能发电的成本已低于火力发电的成本。
核能发电真正迈入实用阶段。
1978年全世界22个国家和地区正在运行的30兆瓦（电）以上的核电站反应堆已达200多座,总装机容量已达107776兆瓦（电）。
80年代因化石能源短缺日益突出，核能发电的进展更快。
到1991年，全世界近30个国家和地区建成的核电机组为423套，总容量为3.275亿千瓦，其发电量占全世界总发电量的约16％。
世界上第一座核电站—苏联奥布宁斯克核电站[1]。
中国大陆的核电起步较晚，80年代才动工兴建核电站。
中国自行设计建造的30万千瓦（电）秦山核电站在1991年底投入运行。
大亚湾核电站于1987年开工，于1994年全部并网发电。
核能发电原理核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料（核燃料）进行裂变反应所释放的裂变能。
裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。
反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。
若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。
实现链式反应是核能发电的前提。
核能应用作为缓和世界能源危机的一种经济有效的措施有许多的优点，其一核燃料具有许多优点，如体积小而能量大，核能比化学能大几百万倍；1000克铀释放的能量相当于2400吨标准煤释放的能量；一座100万千瓦的大型烧煤电站，每年需原煤300～400万吨，运这些煤需要2760列火车，相当于每天8列火车，还要运走4000万吨灰渣。
同功率的压水堆核电站，一年仅耗铀含量为3％的低浓缩铀燃料28吨；每一磅铀的成本，约为20美元，换算成1千瓦发电经费是0．001美元左右，这和目前的传统发电成本比较，便宜许多；而且，由于核燃料的运输量小，所以核电站就可建在最需要的工业区附近。
核电站的基本建设投资一般是同等火电站的一倍半到两倍，不过它的核燃料费用却要比煤便宜得多，运行维修费用也比火电站少，如果掌握了核聚变反应技术，使用海水作燃料，则更是取之不尽，用之方便。
其二是污染少。
火电站不断地向大气里排放二氧化硫和氧化氮等有害物质，同时煤里的少量铀、钛和镭等放射性物质，也会随着烟尘飘落到火电站的周围，污染环境。
而核电站设置了层层屏障，基本上不排放污染环境的物质，就是放射性污染也比烧煤电站少得多。
1.1.2核电站运行对环境的影响
核电站的迅速发展和放射性同位素的广泛应用，在给人类带来了巨大的利益，但也不可避免地伴有一定的危害，反射性物质释入环境的可能性，使人类面临环境被放射性物质污染的严峻局面。
核能的利用造成或可能造成的辐射照射对环境、生态及人类健康的潜在危害引起人们的关注。
与其他能源工业相比，核能工业最主要的区别就是它的裂变产物带有放射性，对人、对环境产生巨大的危害。
核电站正常运行时的放射性核素来自于反应堆核燃料内的核裂变过程产生大量裂变产物，同时堆内结构材料、腐蚀产物以及反应堆冷却剂中杂质由于辐照而被活化也会产生大量的放射性核素。
这些放射性核素绝大部分通常被严密地密封在堆芯和反应堆冷却系统中，微量逸出的放射性核素经废物处理系统处理，所剩无几，残存的放射性核素或经烟囱排入大气环境，或与冷却水混合后排入水环境中。
释放到环境中的放射性核素将对生物圈产生辐照，但是这种照射对于整个环境影响贡献还是很微小的。
1.2国内外常用的空气质量模式介绍
虽然核电站运行对环境的影响很微小，但是我们也有必要建立严密的放射性气体的监测和防护措施，避免核事故的发生。
自20世纪70年代以来,其空气质量模式可分为三代[2]:
第1代模式模拟系统主要考虑个别污染物,在估算下风向的环境浓度时,用的是物理输送算法,这些模式广泛地应用于一次污染物的影响预测和控制措施的优化,代表模式有ISC3与EKMA模式等。
第一代空气质量模式,不论是点源模式,还是以点源模式为基础,通过积分方法得到的线源模式、面源模式、体源模式等,都具有如下2个特点:
①浓度计算在水平方向和垂直方向上都采用高斯分布假定;②湍流分类和扩散参数采用离散化的经验分类方法。
第二代模式则加入较为复杂的气象参数与反应机制,考虑了光化学反应机理,能够模拟臭氧,SOx,NOx,的化学过程和酸雨形成,此类模式广泛地应用于二次污染物的影响分析和控制措施的改善,代表模式有ADMS,AERMOD,CAMx,UAM等。
第二代空气质量模式,其共同特点通常是:
①气象模块均基于常规气象资料,所必需的气象数据有10m高度上的风速,1.5m（或2m）高度上的温度以及云量等。
烟羽抬升和扩散计算所需要的特征参数,如摩擦速度u,Monin-Obukhov长度L,混合层厚度z,以及湍流参数,均可通过常规气象数据计算得到。
②新一代空气质量模式彻底抛弃了Pasqill-Gifford扩散参数体系。
因此,已没有必要再将大气边界层的稳定度分成6类或7类,而只要根据热通量的正负,将其分成不稳定和稳定2类即可。
第三代空气质量模式是由美国国家环保局（EPA）于1998年开发成功的,通称为Models-3。
为了将所有的大气问题均考虑到模式之中,提出了所谓的大气的概念（one-atmosphere）,模式将各种模拟分析复杂的大气物理、化学程序的模式系统化,可在一次模拟工作中,完成臭气、悬浮微粒（PM）及沉降作用的模拟,有效的进行较为全面的空气质量环境影响评估及决策分析。
2.放射性污染物在大气中的行为和ISC3模式软件
2.1放射性气溶胶的形成
固体或液体放射性物质微粒悬浮于气体（通常是空气）中形成的分散体系为放射性气溶胶[3]。
由核爆炸产生的放射性裂变产物被大气中的悬浮物吸附也可形成气溶胶。
大气的气溶胶主要包括微尘、有机碳化合物微粒和液态的雾。
放射性气溶胶按微粒的聚集状态,有固态分散相和液态分散相2种;按形成方式有分散性的（在固体放射性物质的研磨、粉碎、过筛以及放射性溶液的鼓泡、蒸发和转移等过程中,放射性物质扩散到空气中呈悬浮态而形成）和凝集性的（放射性物质通过燃烧、升华和蒸汽凝结以及气体反应而形成）2种;放射性气溶胶对吸入者的危害程度,不仅取决于气溶胶的毒性、浓度、吸入时间及其化学形式,而且与气溶胶的分散度有关,因为气溶胶的粒度直接决定被吸入粒子在呼吸道中的沉积额。
有研究者Hussein等[4]研究了222Rn在25种不同真实生活条件下对健康危害的影响,由于放射性气溶胶的毒性较大且在空气中的停留时间较长,如不及时处理可造成更大范围的污染,对周围环境的影响难以控制和预测。
无论是那一种途径形成的放射性气溶胶，在大气中随气流而迁移，或在高空成为雨、雪的凝聚核心，或通过溶解和化学反应与水滴结合，降落到地面。
沉降于地面的放射性物质又可通过水的蒸发、风的作用而重新进入大气，形成放射性气溶胶[5]。
2.2放射性污染物在大气中的输运和扩散
作用于大气的各种水平力造成大气水平运动而形成风，对污染物在大气中的输运、扩散具有十分重要的影响。
只要大气水平方向上存在着气压差异，就有水平气压梯度力作用于空气质点上，使之沿该力的方向由高压区向低压区作加速运动，直至有其他力与之平衡为止，其大小与水平气压梯度成正比。
因此，水平气压梯度力是导致空气水平运动的原动力。
地球的转动使之与大气之间产生相对运动而造成旋转效应，由此而产生的
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