核電廠流出物水體擴散簡介

按流出物進入受納水體后各階段稀釋混合的特點，可以分成近場混合和遠場混合。近場混合的效果決定于排放器的結(jié)構(gòu)和位置(表面式或浸沒式)、流出物動能(射流作用)、流出物和受納水體的溫度和密度、水體的深淺、橫向流強弱等因素。近場范圍的典型值為10~100倍排放特征尺度(排放特征尺度定義為排放截面面積的平方根)。迅速強烈的射流混合，可在近場邊界達到一兩個數(shù)量級的稀釋度。對于不同排放器設(shè)計及不同水體條件，已有相應(yīng)的經(jīng)驗公式或圖表用于估計近場混合范圍和稀釋度。在各種水體中，遠場核素遷移方程大同小異，基本方程為對流-擴散方程：

=div(DgradC)-div(CV)-λt s

式中C為t時刻空間某處一種核素在水中的濃度，D為彌散系數(shù)，V為流速，λ為核素衰變常數(shù)。方程右邊第一、二項分別表示水動彌散作用和對流作用引起的核素遷移；s表示源匯項，描述了除核素衰變外各種機制引起的核素在水中濃度的變化率，包括吸附和解析、沉淀和溶解等。

對河流而言，不同條件下的對流-擴散方程的解析解能給出滿足需要的結(jié)果。對大湖、河口和海灣則應(yīng)采用數(shù)值計算求解流場方程和核素遷移方程。在各種受納水體的核素遷移計算中，彌散系數(shù)是一個主要參數(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)有許多經(jīng)驗公式用于從流場參數(shù)確定彌散系數(shù)。但在缺乏必要的資料，或者具體條件不符合經(jīng)驗公式的適用條件時，則應(yīng)該采用現(xiàn)場實測流場參數(shù)，并進行示蹤實驗，確定彌散系數(shù)。

核電廠冷卻水排放會使受納水體溫度升高，導(dǎo)致水中化學(xué)反應(yīng)和生化反應(yīng)速度加快，溶解氧減少，影響魚類生存和繁殖。水溫還會使氰化物和重金屬離子等毒物的毒性增加。中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB3097-82《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定:廢熱水進入水體經(jīng)混合后，導(dǎo)致中心水域溫度升高不得大于當(dāng)?shù)禺?dāng)時水溫4℃。除可采用數(shù)學(xué)模型計算溫升外，在排放口附近流場和邊界條件復(fù)雜時可采用物理模型實驗確定溫升范圍。

核電廠液態(tài)流出物進入地下水的可能途徑是污染了的地表水滲入地下水，或污染淺層土壤后入滲到地下水。在正常工況下，核電廠液態(tài)流出物污染地下水的可能性極低，僅在選址時加以考慮。在堆芯熔化事故中，釋放的核素在地下水中遷移受非飽和帶厚度和性質(zhì)、降水入滲速度、含水層厚度、地下水流速、核素化學(xué)形態(tài)及多種環(huán)境因素影響。地質(zhì)介質(zhì)對核素的吸附作用，用滯留因子表示，其定義為地下水實際流速與核素遷移速度之比。不同介質(zhì)、不同核素及不同環(huán)境條件，滯留因子值相差甚大。

流出物在不同水體中擴散有不同的特點。

在寬淺的天然河流中，垂向迅速達到均勻混合。在恒定排放率條件下計算時可忽略縱向彌散，集中計算在橫斷面均勻混合前過渡段內(nèi)的橫向彌散。過渡段距離取決于河流寬深比、曲率、比降、糙度及排放口位置。岸邊排放時，過渡段為河寬20~40倍；河中心排放時，過渡段為岸邊排放過渡段的1/4。事故排放時河流中核素濃度計算要依據(jù)釋放率隨時間變化，考慮對流輸運和橫向縱向兩個方向的彌散。

湖泊中核素遷移受入湖水和出湖水流量、湖水中垂直溫度分布以及呈現(xiàn)周期變換方向的沿岸流的影響。由于湖泊水交換緩慢，核素長期停留在湖內(nèi)，沉積作用顯著。如果存在長壽命核素，并且和懸浮物沉積物具有強的親和力，那么在懸浮粒子濃度高時，沉積作用則應(yīng)著力研究。平衡條件下，核素在固相上濃度與液相中濃度之比稱為分配系數(shù)。分配系數(shù)隨核素種類、化學(xué)形態(tài)以及水體性質(zhì)的變化，相差很大。

核素在河口和海灣中遷移的特點是受潮汐影響，河口流量劇烈變化，咸淡水相匯，加強了紊流混合作用。另一方面，潮汐對河水的頂托，延長了核素在河口段的停留時間。河口離子濃度變化使吸附和解析、沉淀和溶解作用變得復(fù)雜。海灣水的平均滯留時間、潮型、沿岸流、鹽度和風(fēng)向影響著核素在海灣中遷移。在大海灣和遠岸海域，紊流彌散系數(shù)與湍渦尺度的4/3次方成比例，隨時間不斷增加。