不确定性分析技术在某环保配套工程安全评价中的应用研究.pdf

第 43 卷第 4 期2023 年7 月辐射防护Radiation ProtectionVol.43No.4July2023辐射防护评价不确定性分析技术在某环保配套工程安全评价中的应用研究刘兴伟,王旭宏,吕涛,李星宇,李昶,康宝伟,王馨,夏加国(中国核电工程有限公司,北京 100840)摘要:为解决放射性废物处置安全评价结果受认知水平和长时间尺度等因素引起的不确定性问题,基于某环保配套工程项目开展确定性模型安全评价,然后基于概率论方法、拉丁超立方抽样技术生成 1 000 个样本,开展不确定性分析和灵敏度分析工作。结果表明确定性模型相对于不确定性模型,对近场释放率计算结果偏高,对地质圈释放率计算结果良好,对 Mo-93、Ni-59 产生的照射剂量估算较好,对 I-129 产生的照射剂量代表性中等偏下。灵敏度分析结果表明工程屏障中混凝土相关参数(如:混凝土有效扩散系数、混凝土中核素分配系数、混凝土屏障厚度)、废物浸出率、初始活度和核素在地质圈的分配系数为模型释放率峰值主要影响参数,可为后续工程设计与野外调查遴选出重点参数。关键词:放射性废物处置;不确定性分析;灵敏度分析;岩洞型处置;库室模型中图分类号:TL942+.1文献标识码:A收稿日期:2022-04-26作者简介:刘兴伟(1990),男,2013 年本科毕业于中国地质大学(北京)水文与水资源工程专业,2018 年博士毕业于中国地质大学(北京)水文地质学专业(硕博连读),高级工程师。E-mail:liuxingwei0912 放射性废物处置是完整核工业产业不可缺失的一环,相应的放射性废物处置设施长期安全日益受到关注,通常采用安全评价方法论证放射性废物处置设施的长期安全。安全评价的时间尺度应涵盖处置设施对放射性废物的包容、隔离期。我国相关法规规定:对于低、中水平放射性废物包容,隔离期不少于 300 年1,对于高水平放射性废物包容,隔离期不少于 1 万年2。长时间尺度安全评价受自然系统演变、人类现有知识水平、研究程度和参数尺度效应等多方面影响,不可避免的存在不确定性3,不确定性分析的好坏将直接影响安全评价结果的可信程度。国际原子能机构(IAEA)相关安全标准 SSG-234、通用安全要求 GSR Part4 5及我国低、中水平放射性固体废物近地表处置安全规定(GB 91322018)1、放射性废物处置安全全过程系统分析(NNSA-HAJ-00012020)6等法规标准均已将不确定性分析列为安全评价及安全全过程系统分析的重要组成部分。在放射性废物处置领域,通常将不确定性分为:景象不确定性、模型不确定性和参数不确定性6。目前在我国放射性废物处置领域,不确定分析技术虽在理论研究方面引起了部分学者的注意3,7-10,但我国已完成的放射性废物处置设施安全评价中,多采用相关参数的保守值处理不确定性,基于概率论方法的不确定性分析技术在实际工程中完整迁移评价的应用研究相对较少11,对于不确定性安全评价流程及不确定性的展示方式尚未有统一认识。本研究以某环保配套工程为例,采取概率论的方法考虑参数不确定性,对放射性废物处置工程分别进行确定论及概率论方法的安全评价,并进行参数灵敏度及相关性分析,对不确定性安全评价及不确定性展示方式进行初步探索。1模型概述本次研究以某环保配套项目为例开展不确定性安全评价。该环保配套项目主要用于低中放废物最终处置,为地下岩洞型,共有 15 条处置巷道,位于海岛下方-180 m 岩体中。根据勘察资料显示,场址区主要为花岗斑岩及长石斑岩。地下水类型以基岩裂隙水为主,地下水流速较为缓慢,呈523 辐射防护第 43 卷第 4 期“孤岛”模型式地下水系统,处置区域主要接受大气降水及侧向径流补给,最终排至海洋(如图 1所示)。图 1某处置设施关闭后核素迁移途径示意图Fig.1Schematic diagram of nuclide transport path post closure处置设施关闭后,处置巷道使用回填材料(水泥砂浆)充满。在近场放射性核素释放主要以扩散为主,从水泥固化体中浸出进入水泥砂浆及混凝土。考虑处置库内废物桶直接放置于混凝土屏障上,因此近场有两条释出途径:一条为废物桶水泥砂浆周边及顶部混凝土屏障工程扰动区;另一条为废物桶底部混凝土屏障工程扰动区。在地质圈,放射性核素随地下水迁移,主要发生对流和弥散作用。最终进入海洋生态系统,经海水稀释后,对近海区域鱼和甲壳类生物产生污染,从而对食用受污染的海洋生物人体产生内照射。因放射性废物处置工程较为复杂,涉及屏障多、时间跨度大,不可避免的存在不确定性。对于岩洞型放射性废物处置库评价过程中的不确定性同样可总体上分为景象不确定性、模型不确定性和参数不确定性。景象不确定性:工程屏障(如混凝土)可能处于不同的水化学组分演变过程中、不同的地下水流速景象等。可通过特征(features)、事件(events)和过程(processes)进行梳理,从而构建不同的景象,降低不确定性的影响。模型不确定性:核素在裂隙介质中迁移可概化为仅考虑对流、考虑对流和扩散、考虑对流扩散和吸附三种形式,可根据研究精度的需要采用多种模型相互验证降低不确定性影响。参数不确定性:可能来自随机误差、实验尺度效应、测量设备及人员等方面,可通过增加数据量减少随机误差的影响,对于部分参数可采取保守值或概率论的处理方法。本次研究将重点以概率论的方法了解参数不确定性对评价结果的影响。相 关 测 试 使 用Ecolego软 件,是 基 于MATLAB/Simulink 模块开发的用于放射性废物管理安全评价和动态模拟计算软件,软件中内嵌多种解法器,并包含不确定性分析与灵敏度分析工具包,目前已广泛应用于国内外放射性废物处置安全评价中3,12。2模型公式与参数2.1输入源项因废物源项存在较大的不确定性,根据预估关闭后总量均分到 15 条巷道中,并对单条巷道活度进行 50%和 200%的变化。单条巷道关闭时预估源项如表 1 所示。相关初始数据源于项目输入文件,概率密度函数的选取主要依据各类放射性废物处置相关文献。2.2近场迁移公式与参数本次研究将近场定义为废物体、水泥砂浆、混凝土屏障和工程开挖后的工程扰动区(EDZ)。因623刘兴伟等:不确定性分析技术在某环保配套工程安全评价中的应用研究 表 1废物源项核素与活度Tab.1Radionuclide and activity of waste source term核素半衰期(a)单条巷道参考活度(Bq)概率密度函数取值范围(Bq)Co-605.36.921015均匀分布3.4610151.381016Cs-1373.0103.491014均匀分布1.7410146.981014I-1291.61072.49106均匀分布1.251064.98106Sr-902.9107.93109均匀分布3.971091.591010C-145.71031.51109均匀分布7.551083.02109Ni-597.61042.291013均匀分布1.1510134.581013Ni-631.01022.071015均匀分布1.0410154.141015Mo-934.11031.721012均匀分布8.6010113.441012Tc-992.11058.071010均匀分布4.0410101.611011区域地下水流速相对较低,在近场仅考虑核素在各库室间的扩散作用,相关公式见参考文献3,12。工程扰动区(EDZ)的孔隙度看作 1,相关阻滞因子可忽略。由工程扰动区进入地质圈的迁移系数可表示为:EDZGeo=QEDZVEDZ(1)式中,QEDZ为工程扰动区的流量,m3/a;VEDZ为工程扰动区体积,m3。放射性核素由废物桶向工程屏障浸出率取值参考低、中水平放射性废物固化体性能要求 水泥固化体(GB 14569.12011)13中的水泥固化体 42 天浸出率限值(如表 2 所示),近场迁移参数取值见表 34。表 2核素浸出率取值范围Tab.2Value range of nuclide leaching rate核素参考值(cm/d)概率密度函数取值范围(cm/d)Co-602.010-3对数分布148.610-72.010-3 15C-1374.010-3对数分布141.810-44.010-3 15Sr-901.010-3对数分布141.010-51.010-3 16,17其他核素1.010-5对数分布141.010-61.010-5表 3近场迁移参数 18-19Tab.3Near-field transport parameters 18-19参数名称1)参考值单位概率密度函数取值范围L_G0.02m均匀分布0.020.64L_C1m均匀分布0.51.5n_G0.3均匀分布0.30.5n_C0.11均匀分布0.110.5De_G9.4610-3m2/a对数均匀1.110-23.1510-218De_C9.4610-5m2/a对数均匀203.1510-53.1510-420L_EDZ0.5m均匀分布0.32.7 1)L 表示核素迁移方向上的距离,n 表示孔隙度,De 表示有效扩散系数,G 表示水泥砂浆,C 表示混凝土,EDZ 表示工程扰动区。2.3地质圈迁移公式与参数目前国际上对于裂隙岩体有两种概化方案:一种用等效多孔介质,另一种作为随机裂隙处理。结合现有数据情况,本次研究将岩体作为等效多孔介质处理。核素在地质圈主要发生对流和弥散两种迁移形式。相关迁移公式参见文献3,12,参数取值如表 5 所示。2.4生物圈计算公式与参数放射性核素由地质圈释放进入海洋,首先被海水稀释,后被生活在该海域的鱼类和甲壳类海洋生物富集,该海域周边公众食入受污染的鱼类和甲壳类生物而受到照射。海水中放射性核素浓度Cwki=QiCki/(Adisvrock)(2)式中,Cwki为 k 海域海水中放射性核素 i 的浓度,Bq/m3;Qi为放射性核素 i 经地下水进入海洋中的年释放率,Bq/a;Adis为含核素地下水进入海洋时的排泄面积,m2;Cki 为 k 海域海水中放射性核素 i的稀释因子,无量纲,每年流入到海洋的地下水水量由地下水迁移速度与含水层截面积进行计算,根据以往工程的经验,本次研究稀释因子保守取1.010-5;vrock为地下水渗流速度,m/a。海产品中放射性核素浓度Cpki=CwkiBpi(3)式中,Cpki为 k 海域内的海产品中放射性核素 i 浓度,Bq/kg;Bpi为海产品 p 中放射性核素 i 浓集因子,m3/kg。食入海产品所致的个人内照射剂量Dep=CpkiUpDFei(4)式中,Dep为公众个人食入 k 海域内海产品 p 所致723 辐射防护第 43 卷第 4 期表 4核素分配系数 KdTab.4The Kd of nuclides材质水泥砂浆混凝土地质圈参数名称参考值(m3/kg)取值范围(m3/kg)参考值(m3/kg)取值范围(m3/kg)概率密度函数1)参考值(m3/kg)取值范围(m3/kg)概率密度函数C-146.9410-1min=0.243,max=6.94,mode=0.942.1910-1min=0.153,max=4.38,mode=0.438对数三角05.010-45.010-3 21对数均匀Co-602.0810-3min=0.00139,max=0.139,mode=0.01392.010-2min=0.0035,max=0.088,mode=0.0088对数三角209.310-32.110-52.710-2对数均匀20Ni-591.0410-2min=6.9410-3,max=0.694,mode=0.032.010-2min=0.018,max=0.44,mode=0.044对数三角205.510-32.410-47.010-2对数均匀20Ni-631.0410-2min=6.9410-3,max=0.694,mode=0.032.010-2min=0.018,max=0.44,mode=0.044对数三角