Simulation der Ausbreitung radioaktiver Schadstoffe

Präsentation zum Thema: "Simulation der Ausbreitung radioaktiver Schadstoffe"—  Präsentation transkript:

1 Simulation der Ausbreitung radioaktiver Schadstoffe
Freisetzung und Zerfall W. Scheuermann Universität Stuttgart - Kontext der Ausbreitung - Mrz-17

2 Inhalte der Vorlesung Ziele und Kontext von Ausbreitungsrechnungen
Ausbreitungsphänomene, Modellierung physikalischer Prozesse Freisetzung, Zerfall Topographie, Geländemodelle, Koordinatensysteme Windfeldmodelle Transportmodelle Dosisberechnung, chemische Prozesse in der Atmosphäre Simulationssysteme Softwareparadigmen / Frameworks Werkzeuge zur Modellierung (UML) Architektur von ABR_V2.0 Modelle in der ABR_V2.0 Benchmarks / Validierung W. Scheuermann Universität Stuttgart - Kontext der Ausbreitung - Mrz-17

3 Sicherheitsbarrieren
Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

4 Freisetzung Inventar im Reaktor Unfallverlauf Freisetzungsort
Nuklidzusammensetzung und deren Aktivität Betriebsparameter Abschaltzeitpunkt Unfallverlauf Freisetzungsort Freisetzungsfaktoren Quellterm Menge und Art der freigesetzten Radionuklide Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

5 Inventar Mit entsprechender Genauigkeit schwer bestimmbar
Abhängig von: Art der Brennelemente Anreicherung Standzeit der einzelnen Brennelemente im Reaktor Abbrand Daher Definition eines Referenzinventars ausgehend von einem Gleichgewichtskern W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

6 Inventar ABR Bestimmung des Inventars durch Abbrandrechnungen auf Basis von Beladeplänen für die Baden-Württembergischen Kraftwerke Tabellarische Aufbereitung Dauer der letzten Revision: 8, 18, 28 Tage Anzahl Vollasttage: 1, 2, 3, 10, 100, 328 Tage Inventarberechnung zum Zeitpunkt der Abschaltung Durch Interpolation entsprechend der Dauer der letzten Revision für alle Volllasttage Durch Interpolation entsprechend der Volllasttage Inventarberechnung zum Zeitpunkt der Freisetzung Berechnung der Aktivitätsänderung durch radioaktiven Zerfall W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

7 Liste der relevanten Nuklide
Quelle: Leitfaden für den Fachberater Strahlenschutz W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

8 Nuklidgruppe und Leitnuklide
Zur Vereinfachung der Handhabung werden die relevanten Nuklide zusammengefasst zu Nuklidgruppen: Edelgase Aerosole Iod Leitnukliden: Xe 133 Cs 137 I 131 Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

9 Bedeutung von Iod Iod spielt im Organismus hauptsächlich eine Rolle für die Produktion der Schilddrüsenhormone Hier ins besonders das organisch gebundene Iod Flüchtiges Nuklid Freisetzung in hoher Konzentration zusammen mit Edelgasen Aufteilung in elementares und organisch gebundenes Iod W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

10 Betriebsparameter und Abschaltzeitpunkt
Dauer der letzten Revision Anzahl Volllasttage nach wieder anfahren Beide Parameter beeinflussen die Nuklidzusammensetzung durch Zerfall während der Stillstandszeit Neuproduktion durch Spaltung Nach Ende der Kettenreaktion ändert sich die Nuklidzusammensetzung durch Zerfall W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

11 Freisetzung Unfallablauf und Freisetzungsfaktoren sind im Leitfaden für den Fachberater Strahlenschutz beschrieben Deutsche Risikostudie A Deutsche Risikostudie B PSA Level 2 für GKN Freisetzungsort, Freisetzungshöhe Kamin Sicherheitsbehälter Maschinenhaus Art der Quelle Punktquelle Flächenquelle Volumenquelle Linienquelle  Bodennahe Freisetzung W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

12 Unfallverlauf und Freisetzungsfaktoren
Quelle: Leitfaden für den Fachberater Strahlenschutz W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

13 Unfallverlauf und Freisetzungsfaktoren
Quelle: Leitfaden für den Fachberater Strahlenschutz W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

14 Freisetzungshöhe Berechnung der effektiven Quellhöhe
Empirische Formeln nach Carson-Moses und Briggs 𝐻 𝑒 =𝐻+∆ ℎ 𝑘 Abgastemperatur > 50 0C Abgastemperatur < 30 0C ∆ ℎ 𝑘 =0,6∗ 3 𝑀 𝑢∗𝑠 ∆ ℎ 𝑘 =2,6∗ 𝑀 𝑢 ∆ ℎ 𝑘 =𝐷∗ ( 𝑉 𝑢 ) 1,4 𝑀=36 𝐸 −5 ∗𝑉∗(𝑇− 𝑇 𝐿 ) Zwischen 30 0C und 50 0C gibt es derzeit kein einheitliches Verfahren 𝐻 𝑒 effektive Freisetzungshöhe H Kaminhöhe ∆ ℎ 𝑘 Überhöhung 𝑢 horizontale Windgeschwindigkeit 𝑠 Stabilitätsparameter 𝑉 Abgasvolumenstrom 𝐷 Kamindurchmesser 𝑇 Abgastemperatur 𝑇 𝐿 Umgebungstemperatur Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

15 Freisetzungshöhe Stabilitätsparameter Quelle:
Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

16 Freisetzungshöhe Gleichungen nach: Briggs und Anfossi
Interpolationsvorschrift nach: Moore s Stabilitätsmaß adiabater Temperaturgradient 𝛾 𝑎 Quelle: VDI 3945 Blatt 3 Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

17 Gebäudeeinfluss Gebäudeeinfluss Bei niedrigen Emissionshöhe
Auswirkung auf den Aufpunkt der Wolke Voraussetzungen: Quelle auf dem Dach im Abstand Quelle im Abstand von in Ausbreitungsrichtung 𝐻 𝑒 <( 𝐻 𝐺 + 𝐼 𝐺 ) 𝐻 𝐺 Gebäudehöhe 𝑏 𝐺 Gebäudebreite 𝐻 𝑒 effektive Emissionshöhe ℎ ′ neue effektive Emissionshöhe 𝐼 𝐺 4 3∗ 𝐼 𝐺 𝐼 𝐺 =𝑚𝑖𝑛( 𝐻 𝐺 , 𝑏 𝐺 ) 𝐻 𝑒 > 𝐻 𝐺 ℎ ′ =0,5∗(3 𝐻 𝑒 − 𝐻 𝐺 + 𝐼 𝐺 ) 𝐻 𝑒 ≤ 𝐻 𝐺 ℎ ′ = 𝐻 𝑒 −0,5 𝐼 𝐺 Quelle: Störfallberechnungsgrundlagen… Bundesanzeiger Nr. 222a vom 26. November 1994 Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

18 𝑁𝑡= 𝑁 𝑡0 ∗ 𝑒 −𝜆∗𝛥𝑡 𝐴𝑡 𝑖 = 𝐴 𝑡0 𝑖 ∗ 𝑒 −𝑧𝑘(𝑖)∗Δ𝑡 Radioaktiver Zerfall
Zerfallsgleichung: 𝑁𝑡= 𝑁 𝑡0 ∗ 𝑒 −𝜆∗𝛥𝑡 Mit: N Anzahl der Atome λ Zerfallskonstante Aktivität der Nuklide 𝐴𝑡 𝑖 = 𝐴 𝑡0 𝑖 ∗ 𝑒 −𝑧𝑘(𝑖)∗Δ𝑡 Mit: 𝐴𝑡 𝑖 Aktivität des Nuklids i zum Zeitpunkt t 𝐴 𝑡0 𝑖 Aktivität des Nuklids i zum Zeitpunkt t0 𝑧𝑘(𝑖) Zerfallskonstante des Nuklids i Δ𝑡 Zeitdifferenz (t – t0) Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

19 Radioaktiver Zerfall Isotop Halbwertszeit spezifische Aktivität 131I
8 Tage Bq/mg 137Cs 30 Jahre Bq/mg 239Pu Jahre Bq/mg 235U Jahre 80 Bq/mg 238U Jahre 12 Bq/mg 232Th Jahre 4 Bq/mg Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

20 Radioaktiver Zerfall Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

21 Radioaktiver Zerfall Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

22 + 𝑏𝑣(𝑖)∗𝑧𝑘(𝑖)∗ 𝐴 𝑡0 𝑗 𝑧𝑘(𝑗)−𝑧𝑘(𝑖) ∗ 𝑒 −𝑧𝑘 𝑖 ∗𝑡
Radioaktiver Zerfall Berücksichtigung eines Mutternuklids j (Vorgänger) 𝐴 𝑡 𝑖 = 𝐴 𝑡0 𝑖 ∗ 𝑒 −𝑧𝑘 𝑖 ∗𝑡 + 𝑏𝑣(𝑖)∗𝑧𝑘(𝑖)∗ 𝐴 𝑡0 𝑗 𝑧𝑘(𝑗)−𝑧𝑘(𝑖) ∗ 𝑒 −𝑧𝑘 𝑖 ∗𝑡 + 𝑏𝑣(𝑖)∗𝑧𝑘(𝑖)∗ 𝐴 𝑡0 (𝑗) 𝑧𝑘(𝑖)−𝑧𝑘(𝑗) ∗ 𝑒 −𝑧𝑘(𝑗)∗𝑡 Mit: bv Übergangswahrscheinlichkeit beim Zerfall des Vorgängernuklids Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

23 Radioaktiver Zerfall Berechnung der Aktivität des k-ten Tochternuklids
Internet: Kohlrausch/Band_2/Strahlung_Radioaktivität Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17