SLAB 模型在核電廠廠址安全影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

魏其銘 宋佳辰 周耀權(quán) 王曉亮 耿小爽

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

核電廠在選址、建造及裝料前均需要調(diào)查廠址周圍的潛在外部人為事件危險(xiǎn)源，并評(píng)價(jià)其對(duì)核電廠安全的影響，為分析和確定相應(yīng)的外部人為事件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)提供依據(jù)，我國(guó)的《核安全導(dǎo)則匯編——核電廠廠址選擇的外部人為事件》（HAD101/04） 中列出的需要考慮的事發(fā)事件包括爆炸、著火、易燃、腐蝕或有毒物氣云的釋放、飛機(jī)墜毀等。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 我國(guó)危險(xiǎn)化學(xué)品在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]，化工企業(yè)的數(shù)量逐年增多，規(guī)模逐漸變大，核電廠廠址周圍分布有生產(chǎn)、儲(chǔ)存和使用有毒危化品的化工企業(yè)的情況屢見(jiàn)不鮮，而這些危化品泄漏事故又時(shí)有發(fā)生，因此，核電廠廠址周圍有毒危險(xiǎn)品對(duì)核電廠安全的影響在核安全評(píng)審中越來(lái)越受到關(guān)注。

對(duì)于有毒危化品的評(píng)價(jià)，我國(guó)《核電廠外部人為事件調(diào)查與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（NB/T20200—2013） 中提出應(yīng)先進(jìn)行初步篩選，即超過(guò)篩選距離的外部人為事件潛在危險(xiǎn)源可不予考慮，《核安全導(dǎo)則匯編——核電廠廠址選擇的外部人為事件》（HAD101/04） 附錄Ⅲ第Ⅲ.2 中給出了需要考慮的化學(xué)毒品重量與距離的關(guān)系， 但距離廠址較近且儲(chǔ)量較大的有毒危險(xiǎn)品無(wú)法用該篩選距離法進(jìn)行排除，因此需要進(jìn)一步的初步評(píng)價(jià)，即在對(duì)相關(guān)參數(shù)做合理的保守假定情況下做出評(píng)估。

許多有毒性危化品如氯氣的密度比空氣大，液氯儲(chǔ)罐等一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)形成重質(zhì)氣云（重質(zhì)氣云是指分子量大于空氣的氣體形成的氣云）[2]，而《核安全導(dǎo)則匯編——核電廠廠址選擇的大氣彌散問(wèn)題》（HAD101/02）中提供的模型適用于與空氣平均密度相同的氣體或氣溶膠的彌散，如果用于重質(zhì)氣云則會(huì)有較大的誤差，因此需要選取一種適用于重質(zhì)氣云擴(kuò)散分析的模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 SLAB 模型介紹

20 世紀(jì)60 年代國(guó)外學(xué)者就對(duì)危險(xiǎn)氣體泄漏引發(fā)的后果進(jìn)行了研究，并建立了一些擴(kuò)散模型，如高斯模型、 高斯軌跡煙云模型、Sutton 模型等， 從 20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始， 又開(kāi)發(fā)了多個(gè)應(yīng)急相應(yīng)大氣擴(kuò)散模型，如 SLAB、DEGADIS、ALOHA 等[3]。 其中，SLAB 模型是由美國(guó)能源部的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的，適用于重氣釋放源的大氣擴(kuò)散模型，是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛驗(yàn)證并接受的作為公眾環(huán)境有害物質(zhì)泄漏事故管理和評(píng)估的技術(shù)模型。

SLAB 模型是一個(gè)模擬重于空氣釋放的大氣擴(kuò)散的計(jì)算機(jī)模型。 SLAB 是用于模擬重氣體泄漏的空氣擴(kuò)散模型。 該模型最初基于Zeman 于1982 年提出的關(guān)于重氣體云的空氣卷吸和重力擴(kuò)散的理念而開(kāi)發(fā)。初始版本的SLAB 模型可以處理蒸發(fā)池釋放， 并給出隨時(shí)間（t）和下風(fēng)向距離（x）變化的橫向平均煙云性質(zhì)。 SLAB 早期相關(guān)工作由美國(guó)能源署支持。 SLAB 的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)由USAF 工程和服務(wù)中心 （1986 年開(kāi)始）及美國(guó)石油學(xué)會(huì)（1987 開(kāi)始）共同提供支持。 SLAB 的當(dāng)前版本能夠處理四類型源的連續(xù)、有限時(shí)段和瞬時(shí)釋放。 其中，地面蒸發(fā)池、高架水平噴射、煙囪或高架垂直噴射和地面瞬時(shí)釋放，可考慮重氣擴(kuò)散，以及重氣效應(yīng)消失后的被動(dòng)擴(kuò)散階段， 適用于平坦地形，可以考慮不同的氣象條件如風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、溫度、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射以及地表粗糙度等對(duì)擴(kuò)散的影響。

圖1 給出了SLAB 模型的計(jì)算流程。 一個(gè)典型模擬包含3 個(gè)主要階段： 源類型識(shí)別和擴(kuò)散初始化、煙云擴(kuò)散計(jì)算及時(shí)間平均濃度的計(jì)算。 擴(kuò)散模型有穩(wěn)態(tài)煙流模型和瞬態(tài)煙團(tuán)模型兩種。 根據(jù)源類型和泄漏持續(xù)時(shí)間確定采用哪種模型，然后通過(guò)求解守恒方程組來(lái)確定瞬時(shí)（無(wú)慢擺）空間平均的煙云性質(zhì)后，再計(jì)算時(shí)間平均的體積濃度。

圖1 SLAB 程序的計(jì)算流程圖

SLAB 模型運(yùn)行需要約30 個(gè)輸入?yún)?shù)，這些參數(shù)包括源類型、源屬性、泄漏屬性、場(chǎng)地屬性、氣象參數(shù)和數(shù)值步長(zhǎng)參數(shù)，這些參數(shù)綜合在一起定義了唯一的待模擬情景。 表1 按照輸入文件中的順序給出了每個(gè)輸入?yún)?shù)，也給出了所采用的單位（SLAB 模型采用國(guó)際單位制）。

表1 輸入?yún)?shù)

2 我國(guó)某核電廠附近液氯儲(chǔ)罐泄漏計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

SLAB 程序可以計(jì)算重氣在大氣中的擴(kuò)散， 但不具備源項(xiàng)的計(jì)算功能（蒸發(fā)速率），因此對(duì)于重有毒氣體的泄漏，尤其是液化氣體，需要先根據(jù)《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》（HJ169—2018） 中推薦的計(jì)算公式計(jì)算液體泄漏后在向大氣蒸發(fā)的速率，然后將計(jì)算結(jié)果作為輸入?yún)?shù)再使用SLAB 程序進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)核電廠廠址安全的影響。

以我國(guó)某核電廠周邊的液氯儲(chǔ)罐為例， 使用SLAB 程序計(jì)算液氯儲(chǔ)罐泄漏對(duì)核電廠安全的影響。具體方法如下：

（1）泄漏事故情景假設(shè)：根據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（AQ/T 3046—2013）及《環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)實(shí)用技術(shù)和方法》（中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社）的要求對(duì)液氯儲(chǔ)罐泄漏事故情景進(jìn)行假設(shè)。

（2）根據(jù)《核安全導(dǎo)則匯編——核電廠廠址選擇的外部人為事件》（HAD101/04），先用篩選距離值和篩選概率水平（10-7/a）進(jìn)行篩選，初步篩選未能排除的事件應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià)。

（3）源項(xiàng)計(jì)算：根據(jù)《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》（HJ169—2018） 中推薦的質(zhì)量蒸發(fā)計(jì)算公式計(jì)算液氯泄漏后在向大氣蒸發(fā)的速率，作為氯氣彌散計(jì)算的輸入條件。

（4）氯氣彌散計(jì)算：根據(jù)源項(xiàng)及《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》（HJ169—2018）中推薦的最不利氣象條件，即 F 類穩(wěn)定度、1.5 m/s 風(fēng)速、溫度 25℃，相對(duì)濕度50%，使用SLAB 程序計(jì)算氯氣到達(dá)主控室處的濃度。

（5）廠址安全影響評(píng)價(jià)：將氯氣到達(dá)主控室處的濃度與毒性限值進(jìn)行比較，以此進(jìn)行廠址安全影響評(píng)價(jià)。

2.2 核電廠附近氯氣泄漏計(jì)算與評(píng)價(jià)

以我國(guó)某核電廠為例，計(jì)算核電廠附近氯氣儲(chǔ)罐泄漏事故對(duì)核電廠安全的影響。 該核電廠SSW 方位6.3 km 有一家危險(xiǎn)品存儲(chǔ)企業(yè)，危險(xiǎn)品種類為液氯常壓?jiǎn)伟輧?chǔ)罐，儲(chǔ)罐容量為100 m3，下方設(shè)圍堰，尺寸為長(zhǎng)13 m，寬4 m 的矩形池。

根據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（AQ/T 3046—2013） 對(duì)泄漏場(chǎng)景的描述：“泄漏場(chǎng)景根據(jù)泄漏孔徑大小可分為完全破裂以及孔泄漏兩大類”；《環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)實(shí)用技術(shù)和方法》（中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社） 中關(guān)于典型泄漏事故確定提出：“最大可信災(zāi)害事故類型各異，同一類型事故下有毒有害物質(zhì)泄漏也是多種多樣的，評(píng)價(jià)通常只考慮并選擇典型的情況作為代表， 作為一種簡(jiǎn)化分析……對(duì)于露天儲(chǔ)罐考慮容器損壞 （全部破裂）或接頭泄漏。”基于對(duì)事故后果的保守考慮，選擇儲(chǔ)罐全破裂作為假設(shè)事故情景。

液氯密度為1 574 kg/m3，計(jì)算得出全罐液氯總重量為157.4 t，大于《核安全導(dǎo)則匯編——核電廠廠址選擇的外部人為事件》（HAD101/04）附錄Ⅲ.2 中表Ⅲ.1 中的化學(xué)毒品重量與距離的關(guān)系值，同時(shí)，根據(jù)《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》（HJ169—2018） 附錄E 中常壓?jiǎn)伟輧?chǔ)罐的全破裂頻率為5×10-6/a， 大于篩選概率水平10-7/a，因此需要進(jìn)一步詳細(xì)評(píng)價(jià)。 保守的選擇后果最嚴(yán)重的儲(chǔ)罐全破裂作為事故情景，結(jié)合企業(yè)應(yīng)急管理方案，分別評(píng)價(jià)以下兩種事故場(chǎng)景：（1）儲(chǔ)罐全破裂后，液氯瞬間全部進(jìn)入圍堰，企業(yè)對(duì)圍堰液池中液氯的應(yīng)急處理時(shí)間為15 min；（2） 儲(chǔ)罐全破裂，液氯瞬間全部進(jìn)入圍堰，不采取任何應(yīng)急措施。

按照《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》（HJ169—2018）中附錄F.1.4.3 質(zhì)量蒸發(fā)估算泄漏后的蒸發(fā)速率：

Q3=a×p×M/（R×T0）

計(jì)算得出圍堰液氯的蒸發(fā)速率為2.19 kg/s，全部蒸發(fā)完持續(xù)時(shí)間為19.96 h，用SLAB 程序計(jì)算出兩種事故場(chǎng)景下風(fēng)向6.3 km 處的最大濃度分別為17.78 mg/m3和66.44 mg/m3。

根據(jù) 《RG1.78-危險(xiǎn)化學(xué)品釋放期間核電站控制室可居留性評(píng)估》，氯氣的極限濃度為30 mg/m3，該毒性限值是基于美國(guó)國(guó)家職業(yè)安全與健康研究所（NIOSH）所描述的生命和健康即時(shí)危險(xiǎn)（IDLH）暴露水平概念， 基于30 min 暴露水平的IDLH 數(shù)值或限值，定義為如果在30 min 的時(shí)間內(nèi)不采取防護(hù)措施將可能導(dǎo)致死亡或立即或延遲的永久性有害健康效應(yīng)的數(shù)值或限值。

當(dāng)發(fā)生事故（1）時(shí)，不會(huì)對(duì)核電廠主控室操作人員造成影響，但當(dāng)發(fā)生事故（2）時(shí)，會(huì)對(duì)核電廠主控室操作人員造成影響， 進(jìn)而可能會(huì)導(dǎo)致核安全事故，因此核電廠應(yīng)采取措施進(jìn)行預(yù)防和應(yīng)急處置。

3 結(jié)語(yǔ)

SLAB 模型可以計(jì)算重氣在大氣中的擴(kuò)散， 可以用于核電廠廠址安全影響評(píng)價(jià)。 通過(guò)我國(guó)某核電廠附近液氯儲(chǔ)罐事故條件下對(duì)核電廠安全的計(jì)算評(píng)價(jià)可以看出，在保守考慮儲(chǔ)罐全破裂時(shí)，如危險(xiǎn)品儲(chǔ)用企業(yè)能及時(shí)采取應(yīng)急措施， 在短時(shí)間內(nèi)控制氯氣的擴(kuò)散，則不會(huì)對(duì)核電廠安全造成影響。 如果不采取或無(wú)法采取應(yīng)急措施時(shí)，氯氣擴(kuò)散到核電廠主控室處的濃度將會(huì)大于極限濃度，則需要核電廠采取相關(guān)應(yīng)急措施，比如及時(shí)關(guān)閉主控室進(jìn)風(fēng)口、為人員配備防毒面具等措施來(lái)保障核安全。