CN116028010A - 一种放射性核素危害性排序方法 - Google Patents

Abstract

一种放射性核素危害性排序方法，通过计算在放射性污染扩散中一定地理范围内的不同核素产生的总有效剂量，对核素危害性进行排序，进而对核素种类和数量进行筛选控制；其中，有效剂量的计算，综合了放射性衰变、核素沉积、空气浸没外照射、地面沉积外照射、吸入内照射等要素的影响。该方法能够实现对核素的快速排序，在计算效率和准确度之间取得良好的平衡。

Description

一种放射性核素危害性排序方法

技术领域

本发明涉及核事故后果评价和放射性大气污染预测领域，特别涉及一种放射性核素危害性排序方法。

背景技术

当类似核事故、核***、脏弹袭击这种涉及放射性物质大范围大气扩散的事件发生以后，就需要对事故所造成的范围和污染水平进行预测和评价，而在此过程中一项十分重要的工作便是需要首先确定核素的种类和数量。

目前，未发现关于放射性核素危害性排序的方法研究公开发表。大多数研究和技术主要集中于放射性的扩散模拟，获取气溶胶浓度，例如文献1(发明专利CN 114547890 A《一种核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法》)，主要研究如何改进大气扩散模式；或者计算辐射剂量，如文献2(胡二邦《核电厂事故应急局地实时剂量评价***的模式与参数》)，介绍如何进行三维大气扩散模拟和剂量计算；或者分析公众的损伤，而非多核素之间的对比，如发明专利CN114547890A《一种用于核设施事故后果公众毒性影响评价方法》。

选取核素种类越多，精度越高，但是计算时间增加，在进行放射性物质的三维扩散模拟时往往需要耗费数小时时间，有可能会极大耽误决策的效率；选取核素越少，计算速度越快，但是会造成准确性不高，造成决策的可靠性降低。如何平衡计算速度和预测结果准确性，筛选出合适种类的放射性核素种类和数量，是放射性物质扩散模拟领域内一项急需解决的问题。

在实际操作中，有两种常用方法：一是会选择计算所有核素种类，但核事故会释放出上百种核素，这样会花费大量时间；二是仅仅依据释放的核素活度总量这样的单一指标来进行筛选，这样造成计算结果可靠性降低。由于每种核素的半衰期、物理化学性质、毒性都不一样，其对人体所造成的有效剂量也是不一样的，不能片面依据单一指标来筛选核素。

因此，对于大范围多放射性核素的污染扩散问题，需要综合考虑每种核素的释放量和物理化学性质，快速筛选出合适种类的放射性核素，达到兼顾计算时效和准确性的目的。

发明内容

本公开提供了一种放射性核素危害性的快速排序方法，能够平衡应急决策中的计算时效和准确度。

本公开提供的放射性核素危害性排序方法，包括以下步骤：

构建原始核素信息矩阵和空间地理网格信息矩阵。其中，作为优选，核素信息矩阵，具体包含每种核素的名称、环境释放总活度、半衰期、沉积速率、空气浸没剂量转换因子、地面沉积剂量转换因子、吸入内照射剂量转化因子；空间地理网格信息矩阵，具体包括与各个地理网格的坐标、水平扩散参数、垂直扩散参数。

建立多因素影响下的放射性核素二维大气扩散模型，计算每种核素在每个地理网格的人体全身有效剂量。其中，作为优选，考虑到放射性衰变和沉降会影响源的变化，将高斯烟羽模型进行离散化，并利用衰变因子和沉积因子修正源：Q_i'＝Q_if_r,i,kf_d,i,k

得到修正后的离散化高斯烟羽模型，用于计算每种核素在每个网格处的空气浓度：

计算每种核素在特定范围内的放射性总有效剂量。

根据各核素的放射性总有效剂量，或进一步计算各核素的危害影响占比，确定各核素危害性的排名。

进一步地，还包括步骤：根据危害性排名，快速筛选合适的核素种类和数量。

本公开提供的放射性核素危害性排序方法，通过计算在放射性污染扩散中一定地理范围内的不同核素产生的总有效剂量，对核素危害性进行排序，进而对核素种类和数量进行筛选控制；其中，有效剂量的计算，综合了放射性衰变、核素沉积、空气浸没外照射、地面沉积外照射、吸入内照射等要素的影响。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)由于有效剂量可以用于表征人员的损伤，因此本公开提出利用每种核素在一定范围内所有格点的有效剂量之和，表征该种核素在此范围内的危害；有效剂量的计算又充分考虑了核素自身的性质(释放活度、半衰期、空气浸没剂量转换因子、地面剂量沉积转换因子、吸入剂量转换因子)，和沉积速率、空气动力学输送的影响，比只考虑单一因素的影响要更加精确；由此，在计算效率和准确度之间取得了良好的平衡。

(2)本公开在二维模式基础上结合考虑了放射性衰变和沉降的影响，由于二维模式输入简单，不必如三维模式那样准备复杂的源项和三维的风场(应急条件下很难快速获取)，计算原理更简单，计算速度更快。

(3)将选取的这些核素再输入到其他三维模式中，就可以在保持准确性的前提下快速获得辐射场。

(4)具有良好的通用性。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1显示根据本公开的示例性实施例流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

目前未见公开发表的关于大范围多放射性核素大气扩散研究中，关于如何筛选核素的方法。本公开提供了一种放射性核素危害性的排序方法，能够快速确定各核素危害性的排名，基于该排名，可快速筛选合适的核素种类和数量。

根据本公开的一种示例性实施例计算过程如附图1所示，包括以下步骤：

S100：创建核素信息矩阵和空间信息矩阵。

获取放射性事故初始源项信息，主要包括每种核素的名称和环境释放总活度。

统计初始核素的总数，记为N。根据核素名称，在核素库中调用对应的半衰期、沉积速率、空气浸没剂量转换因子、地面沉积剂量转换因子、吸入内照射剂量转化因子数值。

创建核素信息矩阵，具体包含每种核素的名称、环境释放总活度、半衰期、沉积速率、空气浸没剂量转换因子、地面沉积剂量转换因子、吸入内照射剂量转化因子；

其中ST为核素信息矩阵名称，NUC为核素名称，Q为核素的活度，T_1/2为放射性核素的半衰期，V_d为核素的沉积速率，DCF_a为核素的空气浸没浓度剂量转换因子，DCF_g为地面沉积剂量转换因子，DCF_in为吸入剂量转换因子，下标1、2、N等分别表示核素第几种核素，N为初始获取的核素总数。

以释放源为中心，设定要预测的空间范围X×Y(单位平方千米)和地理水平分辨率Δx(单位米)，划分为规则地理网格，并进行标记，每个格点具备唯一标识，网格总数记为K。

根据地理网格，调用扩散参数计算函数，计算水平扩散参数和垂直扩散参数。扩散参数具体计算方法可以参考GB3840-91《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》或者其他公开技术。

创建空间信息矩阵，具体包括与地理网格相对应的横坐标、纵坐标、水平扩散参数、垂直扩散参数。

其中x为待评价区域内格点的横坐标，y为纵坐标，σ_xy为水平扩散参数，σ_z为垂直扩散参数，下标1、2、K分别表示地理网格排列标识，K为网格总数。

S200：建立多因素影响下的放射性核素二维大气扩散模型；

设定预测时间范围，如事故0时至事故后2天。

调用核素信息矩阵和空间信息矩阵，利用衰变因子计算模型计算每种核素在每个网格处的衰变因子，其中衰变因子计算模型为：

其中，f_r,i,k(x)为第i种核素在第k个地理网格的衰变因子，其值为0～1之间。T_1/2,i为第i种核素的半衰期，

为平均风速，x_k为第k个地理网格的x轴坐标值；

调用核素信息矩阵和空间信息矩阵，利用沉积因子计算模型计算每种核素在每个网格处的沉积因子，其中沉积因子的计算模型为：

其中，f_d,i,k为第i种核素在第k个地理网格的沉积因子，其值为0～1之间。V_d,i为核素i的沉积速率，沉积速率与核素性质和地理环境相关；Δx为地理网格的分辨率大小。

平均风速采用现场实测风速直接给出，不必考虑风向的影响。

平均风速、网格大小、评价地理范围不会影响核素危害性排名。

在高斯烟羽模式的基础上，考虑放射性衰变和沉降的影响，建立多因素影响下的放射性核素二维大气扩散模型，可以求空间内不同位置处每种核素的气溶胶浓度。将核素信息矩阵和空间信息矩阵输入改进型二维高斯烟羽模式，从而求解每种核素在每个网格处的空气浓度，模型为：

其中，C_a,i,k为第i种核素在第k个地理网格处的浓度，y_k，z_k为第k个空间网格坐标,Q_i为第i种核素的环境释放活度，f_r,i,k为第i种核素在第k个地理网格的衰变因子，f_d,i,k为第i种核素在第k个地理网格的沉积因子，σ_y,k为第k个地理网格的水平扩散参数，σ_z,k为第k个地理网格的垂直扩散参数，

为所有地理网格平均风速，Δh为放射性烟羽抬升高度，H为释放源的高度。

Δh和H根据现场测量直接快速给出，节省时间。

Δh和H不会影响核素危害性排名。

计算空气浸没有效剂量：

D_a,i,k＝C_a,i,k·DCF_a,i

其中D_a,i,k为第i种核素在第k个网格所造成的空气浸没有效剂量，DCF_a,i为第i种核素的空气浸没剂量转换因子。

利用地面沉积模块计算每种核素在每个地理网格的地面沉积浓度：

D_g,i,k＝C_a,i,k(1-f_d,i,k)·DCF_g,i

其中D_g,i,k为第i种核素在第k个网格所造成的地面沉积有效剂量，DCF_g,i为第i种核素的地面沉积剂量转换因子。

利用剂量转换模块计算每种核素在每个地理网格的有效剂量；

D_in,i,k＝C_a,i,k·DCF_in,i·B_in

其中D_in,i,k为第i种核素在第k个网格所造成的吸入内照射有效剂量，DCF_in,i为第i种核素的吸入内照射剂量转换因子，B_in为人体呼吸率，常数。

求解有效剂量，为空气浸没有效剂量、地面沉积有效剂量和吸入有效剂量之和：

D_i,k＝D_a,i,k+D_g,i,k+D_in,i,k

其中，D_i,k为核素i在第k个网格造成的人体全身有效剂量。

S300：根据所述放射性核素二维大气扩散模型，计算每种核素在特定范围内的放射性总有效剂量；

提取每种核素在每个地理网格的有效剂量D_i,k；

将这种核素的所有地理网格的有效剂量累加，作为该核素的放射性总有效剂量，其计算模型为：

其中，D_i为第i种核素的总有效剂量，D_i,k为第i种核素在第k个网格的有效剂量，K为所有网格总数。

S400：根据各核素的放射性总有效剂量，确定各核素危害性的排名，计算各核素的危害影响占比，包括：

提取每种核素的放射性总有效剂量，此值必然大于0；

根据各核素的总有效剂量D_i，依据大小关系进行排序，D_i越大，则核素i的危害性排名越靠前，对人和环境的危害性也越大。

将所有核素的放射性总有效剂量累加，得到辐射场总有效剂量，作为放射性总危害；

将每种核素的放射性总有效剂量除以辐射场总有效剂量，作为各核素的危害影响占比，模型为：

η_i为核素i的辐射危害占辐射场总危害的比例，N为核素的总数；

也可依据各核素危害影响占比进行大小排序，得到的结果与核素的总有效剂量大小排序结果相同。

S500：根据危害性排名和危害影响占比，快速筛选合适的核素种类和数量。

确定需要的核素数量S’，或者辐射场准确度R；

方法1：直接选取危害性排名前S’名的核素；

方法2：确定危害影响占比之和，而后各核素危害性排名和影响占比，反向定位，选择所需要的核素种类和数量。若前S种核素的危害性影响占比之和大于预先设定的辐射场准确度，则确定了此S种核素。，模型为

其中，R为辐射场准确度，j为排名，S为筛选核素的数量。若排名靠前的S种核素影响占比之和大于R，即筛选出了所需要的核素种类和数量。

以往三维模式计算50多种核素，模拟时间单台服务器需要4小时左右，而本公开经过筛选后，只要计算10种核素(准确度达原来90％以上)，只需要不到1小时，便可计算完成

上述技术方案只是本发明的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (7)

1.一种放射性核素危害性排序方法，包括以下步骤：

S1：构建放射性事故的核素信息矩阵和空间地理网格信息矩阵；

S2：建立多因素影响下的放射性核素二维大气扩散模型，计算每种核素在每个地理网格的人体全身有效剂量；

S3：计算每种核素在特定范围内的放射性总有效剂量；

S4：基于各核素的放射性总有效剂量，对各核素危害性进行排序。

2.根据权利要求1所述的排序方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

获取放射性事故初始源项信息；

构建核素信息矩阵，包含每种核素的名称、环境释放总活度、半衰期、沉积速率、空气浸没剂量转换因子、地面沉积剂量转换因子、吸入内照射剂量转换因子：

其中，ST为核素信息矩阵名称，NUC为核素名称，Q为核素的活度，T_1/2为放射性核素的半衰期，V_d为核素的沉积速率，DCF_a为核素的空气浸没浓度剂量转换因子，DCF_g为地面沉积剂量转换因子，DCF_in为吸入剂量转换因子；下标1、2、N等分别表示核素的序号，N为初始获取的核素总数量；

以释放源为中心，将要预测的空间范围划分为规则二维地理网格；

根据地理网格，调用扩散参数计算函数，计算水平扩散参数和垂直扩散参数；

构建空间地理网格信息矩阵，包括各地理网格对应的横坐标、纵坐标、水平扩散参数、垂直扩散参数：

其中，x为待评价区域内格点的横坐标，y为纵坐标，σ_xy为水平扩散参数，σ_z为垂直扩散参数，下标1、2、K分别表示地理网格排列标识，K为网格总数。

3.根据权利要求2所述的排序方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

设定预测时间范围；

利用衰变因子计算模型计算每种核素在每个网格处的衰变因子；

利用沉积因子计算模型计算每种核素在每个网格处的沉积因子；

根据放射性烟羽模型，计算每种核素在每个网格处的空气浓度，其中，所述放射性烟羽模型包括：

其中，C_a,i,k为第i种核素在第k个地理网格处的浓度，y_k、z_k分别为第k个地理网格的纵坐标和高度坐标，Q_i为第i种核素的环境释放活度，f_r,i,k为第i种核素在第k个地理网格的衰变因子，f_d,i,k为第i种核素在第k个地理网格的沉积因子，σ_y, ^k为第k个地理网格的水平扩散参数，σ_z,k为第k个地理网格的垂直扩散参数，

为所有地理网格平均风速，Δh为放射性烟羽抬升高度，H为释放源的高度；

计算空气浸没有效剂量：

D_a,i,k＝C_a,i,k·DCF_a,i

其中D_a,i,k(x,y,z)为第i种核素在第k个地理网格所造成的空气浸没有效剂量，DCF_a,i为第i种核素的空气浸没剂量转换因子；

计算地面沉积浓度：

D_g,i,k＝C_a,i,k(1-f_d,i,k)·DCF_g,i

其中，D_g,i,k为第i种核素在第k个地理网格所造成的地面沉积有效剂量，DCF_g,i为第i种核素的地面沉积剂量转换因子；

计算吸入内照射剂量；

D_in,i,k＝C_a,i,k·DCF_in,i·B_in

其中D_in,i,k为第i种核素在第k个地理网格所造成的吸入内照射有效剂量，DCF_in,i为第i种核素的吸入内照射剂量转换因子，B_in为人体呼吸率；

计算每种核素在每个地理网格的人体全身有效剂量：

D_i,k＝D_a,i,k+D_g,i,k+D_in,i,k

其中，D_i,k为第i种核素在第k个地理网格造成的人体全身有效剂量。

4.根据权利要求3所述的排序方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

将每种核素在各个地理网格的有效剂量D_i,k累加，得到该核素的放射性总有效剂量：

其中，D_i为第i种核素的总有效剂量，D_i,k为第i种核素在第k个网格的有效剂量，K为所有网格总数。

5.根据权利要求1所述的排序方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

根据各核素的总有效剂量D_i，依据大小关系进行排序，D_i越大，则核素i的危害性排名越靠前，对人和环境的危害性也越大；

或者，将所有核素的放射性总有效剂量累加，得到辐射场总有效剂量，将每种核素的放射性总有效剂量除以辐射场总有效剂量，作为各核素的危害影响占比，依据各核素危害影响占比大小进行排序，其中，危害影响占比的计算模型包括：

η_i为核素i的辐射危害占辐射场总危害的比例，N为核素的总数。

6.根据权利要求1-5中任一所述的排序方法，还包括以下步骤：

S5：根据危害性排序，快速筛选合适的核素种类和数量。

7.根据权利要求6所述的排序方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

直接根据危害性排序，选取需要的核素；

或者，根据预先设定辐射场准确度，选取前若干种危害影响占比之和满足辐射场准确度要求的核素。

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