Tiểu ban C: Ghi đo xạ, An toàn xạ Quan trắc môi trường Section C: Radiation measurement, Radiation safety and Environmental MÔ PHỎNG LAN TRUYỀN CỦA Cs-137 TRONG NƯỚC VỚI NGUỒN THẢI RƠI LẮNG TỪ KHƠNG KHÍ DISPERSION SIMULATION OF CESIUM-137 IN WATER FROM AIR DEPOSITION SOURCE TRẦN QUANG THIỆN,*, NGUYỄN TRỌNG NGỌ, VŨ DUY VĨNH2, PHẠM KIM LONG3 Viện nghiên cứu hạt nhân, 01 Nguyên Tử Lực, Đà Lạt, Việt Nam Viện tài nguyên môi trường biển, Viện hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam Viện lượng nguyên tử Việt Nam, 59 Lý Thường Kiệt, Hoàn Kiếm, Hà Nội, Việt Nam * Email: tqthien0613104@yahoo.com Tóm tắt: Các mơ hình mơ lan truyền phóng xạ mơi trường nước chủ yếu sử dụng kịch thải phóng xạ trực tiếp từ nhà máy điện hạt nhân áp dụng nhiều cho cố Fukushima Kịch đơn giản tính tốn khơng phù hợp với thực tế phóng xạ phát tán từ Fukushima từ khơng khí Trong cố Fukushima, nhân phóng xạ có mặt nước biển chủ yếu rơi lắng từ khơng khí kết hợp với nguồn thải trực tiếp Sự thiếu liên kết kết rơi lắng từ khơng khí làm kịch mơ lan truyền phóng xạ mơi trường nước bị hạn chế Báo cáo trình bày kết kết hợp hai mơ hình mơ lan truyền phóng xạ khơng khí Flexpart nước biển Delft-3D để mơ lan truyền phóng xạ Cs-137 mơi trường biển với nguồn thải rơi lắng từ khơng khí Kịch sử dụng báo cáo từ cố hạt nhân cấp giả định nhà máy điện hạt nhân Phịng Thành, Trung Quốc Mơ hình Flexpart sử dụng để mơ rơi lắng phóng xạ Cs-137 từ khơng khí xuống mơi trường biển Vịnh Bắc Bộ liệu rơi lắng Cs-137 sau đưa vào mơ lan truyền môi trường nước biển phần mềm Delft-3D Kết nghiên cứu cho thấy, kịch mô rơi lắng Cs-137 từ khơng khí cần ngày, phóng xạ Cs-137 bao phủ 70% diện tích Vịnh Bắc Bộ với kịch thải trực tiếp phóng xạ Cs-137 biển cần đến 15 ngày để bao phủ diện tích tương tự Từ khóa: mơ lan truyền nước, rơi lắng khơng khí, Flexpart, Delft-3D Abstract: The Fukushima event has been widely utilized to simulation models of radiation dispersion in the aquatic environment, which mostly assume the scenario of direct radioactive discharge from nuclear power stations The calculations for such a scenario would be reasonable, but it would be logically inconsistent because the radiation discharged from Fukushima not only from direct discharged but also arrived from the atmosphere deposition The lack of connection between the pollution source of atmospheric deposition and direct discharge in the aquatic environment results may not be reliable This work integrated two radioactivity dispersion simulation models, Flexpart in atmospheric and Delft-3D in seawater environment to simulate Cs-137 radioactive dispersion in the marine environment with the sources from the atmospheric deposition The report's scenario is based on a hypothetical accident at China's Fangcheng nuclear power plant Flexpart was used to simulate radioactive Cs-137 deposition from the air into the marine environment in the Gulf of Tonkin, and Delft-3D was utilized to simulate propagation in the aquatic environment According to the study results, it only takes days for Cs-137 dispersion to cover 70% of the Gulf of Tonkin in the simulated scenario of deposition Cs-137 from the atmosphere This results is faster than direct discharge when it takes 15 days to cover the same area Keywords: water dispersion modeling, air deposition, Flexpart, Delft-3D I GIỚI THIỆU Sóng thần sau trận động đất lớn xảy phía Đơng Nhật Bản ngày 11/03/2011 làm Nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) Fukushima Dai-ichi bị hư hỏng Do hậu cố, lượng đáng kể phóng xạ thải mơi trường khơng khí, đất liền biển Trước cố Fukushima xảy ra, số loại mô hình hồn lưu đại dương phát triển để mơ hoạt độ hạt nhân phóng xạ nước biển đường chúng đại dương LAMER, SEA-GEARN Tuy nhiên, áp dụng mơ hình để mơ lan truyền phóng xạ từ cố Fukushima, cho thấy nhiều vấn đề cần khắc phục [1, 2] Đầu tiên lưới tính mơ hình lớn (200x200 km2, LAMER) Thứ hai kịch mô phát tán, lan truyền phóng xạ mơi trường biển chưa sát với thực tế Trong trường hợp cố Fukushima, lượng phóng xạ chủ yếu phát tán khơng khí sau rơi lắng xuống mơi trường biển Các mơ hình sử dụng kiện đầu vào lại lượng phóng xạ thải trực tiếp vào môi trường biển từ Fukushima với tổng lượng thải tổng hoạt độ nguồn rơi lắng thải trực tiếp Cách mô không với thực tế phóng xạ lan truyền thải trực tiếp biển di chuyển chậm mơi trường nước, đường khơng khí rơi lắng khơng khí di chuyển nhanh nhiều 231 Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Cơng nghệ hạt nhân tồn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 Con đường di chuyển phóng xạ khơng khí rơi lắng từ khơng khí lan nhanh rộng, đó, tính tốn mơ lan truyền phóng xạ mơi trường biển, cần tính tốn lượng bổ cấp theo thời gian khơng gian từ khơng khí xuống Hầu hết chương trình mơ lan truyền mơi trường biển khơng có chức tính tốn rơi lắng từ khơng khí để bổ cấp vào số hạng nguồn Báo cáo trình bày kết hợp chương trình mơ lan truyền rơi lắng phóng xạ mơi trường khơng khí nước FLEXPART (khơng khí) DELFT-3D (nước) Trong đó, FLEXPART sử dụng để mơ phát tán phóng xạ khơng khí rơi lắng từ khơng khí xuống môi trường biển Các liệu rơi lắng theo không gian thời gian từ FELXPART đưa vào input chương trình DELFT-3D để mơ lan truyền phóng xạ môi trường biển Kịch sử dụng nghiên cứu cố hạt nhân cấp xảy NMĐHN Phòng Thành, Trung Quốc II PHƯƠNG PHÁP Mơ hình phát tán hạt Lagrangian phần mềm FLEXPART ban đầu thiết kế vào năm 1998 nhằm tính tốn phân tán tầm xa trung bình chất nhiễm phóng xạ khơng khí từ nguồn điểm, chẳng hạn sau vụ tai nạn NMĐHN Sau này, FLEXPART phát triển thành cơng cụ tồn diện để lập mơ hình, phân tích lan truyền rơi lắng phóng xạ khí [3] Cơ sở tốn học cho tính tốn phát tán, rơi lắng khô rơi lắng ướt mô tả tài liệu tham khảo [3, 4] Trong báo cáo này, FLEXPART sử dụng để tính toán cho kịch cố hạt nhân xảy NMĐHN Phòng Thành, Trung Quốc thời điểm xảy cố giả định vào ngày 6/5/2018 Đồng vị phóng xạ mơ Cs-137 với tổng hoạt độ 10 PBq phát thải liên tục 24 Các tính tốn mơ lan truyền mơi trường biển thực với chương trình DELFT3D DELFT-3D mơ hình hồn chỉnh tính tốn chiều yếu tố thủy động lực, chất lượng nước sinh thái Viện Thủy lực Delft-Hà Lan (WL/Delft Hydraulic) Các chức bao gồm: - Mơ thủy động lực hai chiều, tính tốn dịng chảy tượng vận chuyển nước gây lực thủy triều khí tượng - Mô đun chất lượng nước (DELFT-3D WAQ) mơ hình chất lượng nước chiều, sử dụng hệ phương trình lan truyền, khuyếch tán vật chất nước - Mơ đun vận chuyển trầm tích: tính tốn tốc độ vận chuyển cân trầm tích vùng biển ven bờ Tính tốn bồi tụ xói lở đáy biển - Mơ đun sinh thái biển: tính tốn phát triển tảo, động thái dinh dưỡng tượng phú dưỡng (thủy triều đỏ) thủy vực - Mơ đun tính trường sóng biển: tính tốn, mơ dự báo độ cao hướng sóng Tính tốn dịng chảy sóng - Mơ đun tính biến động địa hình đáy biển: dự báo tác động hoạt động người đến cấu trúc hình thái địa hình vùng biển [5] Mơ hình DELF-3D khơng có module tính lan truyền phóng xạ Cs-137 trực tiếp đơn vị Bq mà thay vào đó, mơ hình chất lượng nước sử dụng tính tốn lan truyền hàm lượng kim loại Cesium hay đồng vị Cs-137 dạng khối lượng thay Sau hệ số chuyển đổi từ khối lượng sang hoạt độ dùng để chuyển đổi đơn vị: 𝐴 = 𝜆 𝑚.𝑁𝐴 𝑀 (1) Trong đó: A hoạt độ phóng xạ mẫu, đơn vị Bq (phân rã/giây); 𝜆 = ln(2) 𝑇1/2 số phân rã, đơn vị s-1 (giây-1); N số hạt nhân/nguyên tử phóng xạ có mẫu; m khối lượng mẫu (g); M khối lượng hạt nhân, nguyên tử, đơn vị u (1 u = g/mol/NA); NA số Avogadro (6,022.1023) Đối với Cs-137: T1/2 = 30,08 năm = 948602880 giây; 𝜆 = ln(2) 𝑇1/2 = 0,693147181 948602880 = 7,31 10−10 giây-1; M (Cs-137) = 136,907089.u Như công thức chuyển đổi hoạt độ khối lượng Cs-137 là: 𝐴 (𝐵𝑞) = 3,21415 × 1012 × 𝑚 (𝑔) 232 (2) Tiểu ban C: Ghi đo xạ, An toàn xạ Quan trắc môi trường Section C: Radiation measurement, Radiation safety and Environmental 𝐴 (𝐵𝑞) = 3,21415 × 1015 × 𝑚 (𝑘𝑔) (3) Cơng thức (3) dùng để chuyển đổi từ khối lượng riêng Cs-137 (kg/m3) sang hoạt độ riêng Cs137 (Bq/m3) III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN III.1 Kết mô phát tán rơi lắng phóng xạ Cs-137 từ khơng khí với mơ hình FLEXPART Kết mơ phát tán phóng xạ Cs-137 khơng khí trình bày Hình Kết tính tốn cho rơi lắng khơ rơi lắng ướt trình bày Hình Hình Kịch mô cố cấp NMĐHN Phịng Thành với lượng phát thải khơng khí 10 PBq vào 00:00 ngày 6/5/2018 Hình Kết mơ phát tán phóng xạ Cs-137 mơi trường khơng khí kịch cố NMĐHN Phòng Thành (lượng phát thải 10 PBq 24 liên tục) Hình Kết mơ rơi lắng khơ phóng xạ Cs-137 từ khơng khí xuống đất liền biển Đông kịch cố NMĐHN Phịng Thành Hình Kết mơ rơi lắng ướt phóng xạ Cs-137 từ khơng khí xuống đất liền biển Đông kịch cố NMĐHN Phòng Thành Kết cho thấy hướng di chuyển đám mây phóng xạ Cs-137 hướng gió Đơng Bắc xuống Tây Nam Nồng độ phóng xạ lên đến 10000 Bq/m3 Sau 24 giờ, đám mây phóng xạ di chuyển đến 233 Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Cơng nghệ hạt nhân tồn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 khu vực Nghệ An, Việt Nam Khu vực ảnh hưởng kéo dài từ vùng ven biển Quảng Ninh đến Nghệ An Một lượng lớn Cs-137 rơi lắng (khô ướt) xuống đất liền tổng lượng phóng xạ Cs-137 rơi lắng xuống mơi trường biển xấp xỉ ~2 PBq (20% tổng lượng phát thải khơng khí) III.2 Kết mơ phát tán phóng xạ Cs-137 mơi trường biển với mơ hình DELFT-3D Các kết rơi lắng phóng xạ Cs-137 xuống mơi trường biển theo thời gian không gian bổ sung vào file input từ lưới tính mơ hình DELFT-3D DELFT-3D đồng thời phép mơ nguồn thải trực tiếp Cs-137 từ NMĐHN Phòng Thành biển thời gian gió mùa Đơng Bắc mơ để so sánh Trong báo cáo này, lưới tính dùng để mơ lan truyền phóng xạ mơi trường biển lập cho tồn vùng Biển Đơng (Hình 4) Do lan truyền, phát tán phóng xạ khơng giới hạn trọng phạm vi khu vực Vịnh Bắc Bộ mà cịn cho tồn vùng biển Việt Nam khu vực lân cận khác Vì vậy, phạm vi mơ hình mở rộng tồn khu vực Biển Đơng Mơ hình tính sử dụng hệ lưới cong trực giao, với kiểu lưới tính chi tiết khu vực ven bờ, đảo thưa vùng ngồi khơi - nơi địa hình biến đổi Ưu điểm việc sử dụng hệ lưới cong trực giao đảm bảo mức độ chi tiết cần thiết đảm bảo thời gian tính tốn a) b) Hình Lưới tính (a) lưới độ sâu (b) mơ hình DELFT3d khu vực biển Đông b) ngày sau cố a) ngày sau cố c) 15 ngày sau cố d) 30 ngày sau cố Hình Kết mơ lan truyền phóng xạ Cs-137 với nguồn thải rơi lắng từ khơng khí xuống biển 234 Tiểu ban C: Ghi đo xạ, An toàn xạ Quan trắc môi trường Section C: Radiation measurement, Radiation safety and Environmental Kết tính tốn mơ lan truyền phóng xạ Cs-137 với nguồn thải rơi lắng từ khơng khí xuống biển trình bày Hình Kết tương tự cho nguồn thải trực tiếp từ NMĐHN Phịng thành biển trình bày Hình Kết cho thấy kịch sử dụng nguồn thải rơi lắng Cs-137 từ khơng khí xuống biển có tốc độ lan truyền phóng xạ nhanh so với nguồn thải trực tiếp biển cố NMĐHN Phịng Thành Điều q trình lan truyền khơng khí nhanh làm phần rơi lắng phóng xạ nhanh rộng so với kịch thải trực tiếp xuống biển sau mơ lan truyền Thời gian lượng phóng xạ Cs-137 bao phủ tồn khu vực vịnh Bắc Bộ có - ngày kịch nguồn thải rơi lắng từ khơng khí xuống biển 15 - 20 ngày kịch nguồn thải trực tiếp xuống biển a) ngày sau cố b) 15 ngày sau cố Hình Kết mơ lan truyền phóng xạ Cs-137 với nguồn thải trực tiếp xuống biển Phân bố hàm lượng phóng xạ theo thời gian số khu vực Vịnh Bắc Bộ trình bày Hình 04/08/… 30/07/… 25/07/… 20/07/… 15/07/… 10/07/… 05/07/… 30/06/… 25/06/… 20/06/… 15/06/… 10/06/… 05/06/… 26/05/… 21/05/… 16/05/… 11/05/… 06/05/… Cs-137 (Bq/m3) 1.0E+0 31/05/… Khu vực Quảng Ninh 1.0E+5 Ngày 1.0E+4 30/06/2… 05/07/2… 10/07/2… 15/07/2… 20/07/2… 25/07/2… 30/07/2… 04/08/2… 05/07/2… 10/07/2… 15/07/2… 20/07/2… 25/07/2… 30/07/2… 04/08/2… 25/06/2… 30/06/2… 20/06/2… 15/06/2… 10/06/2… 05/06/2… 31/05/2… 26/05/2… 21/05/2… 16/05/2… 1.0E+0 11/05/2… 1.0E+2 06/05/2… Cs-137 (Bq/m3) a) Khu vực Hải Phòng Ngày 25/06/2… 20/06/2… 15/06/2… 10/06/2… 05/06/2… 31/05/2… 26/05/2… 21/05/2… 16/05/2… 1.0E+0 11/05/2… 1.0E+3 06/05/2… CS-137 (BQ/M3) b) Khu vực Hà Tĩnh Ngày c) Hình Phân bố hàm lượng phóng xạ Cs-137 Vịnh Bắc Bộ theo thời gian kịch rơi lắng phóng xạ từ khơng khí cố hạt nhân cấp NMĐHN Phòng Thành 235 Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Cơng nghệ hạt nhân tồn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 Kết cho thấy tháng lượng nồng độ phóng xạ Cs-137 phân bố khu vực Vịnh Bắc Bộ từ hàng trăm 10000 Bq/m3 tùy theo khu vực Càng gần NMĐHN Phòng Thành, lượng phóng xạ tập trung cao Lượng phóng xạ sau tháng pha lỗng dần khu vực khác biển Đông xuống mức vài chục đến vài trăm Bq/m3 IV KẾT LUẬN Báo cáo sử dụng chương trình mơ phát tán phóng xạ cho đồng vị Cs-137 mơi trường khơng khí FLEXPART để tính tốn lượng phát tán rơi lắng xuống mơi trường biển Sau sử dụng mơ hình DELFT-3D để mơ lan truyền phóng xạ biển từ NMĐHN Phịng Thành Trung Quốc mơi trường biển vịnh Bắc Bộ nói riêng Việt Nam nói chung Kết cho phép ước tính thời gian phạm vi ảnh hưởng đồng vị phóng xạ Cs-137 phát tán xảy cố từ NMĐHN Trung Quốc, làm sở xây dựng kịch ứng phó cố Có thể nói kết nghiên cứu báo cáo tạo hướng nghiên cứu lan truyền phóng xạ mơi nói riêng nghiên cứu mơi trường nói chung LỜI CẢM ƠN Báo cáo nhận hỗ trợ đề tài cấp Quốc gia “Đánh giá trạng phông phóng xạ mơi trường biển Việt Nam, nghiên cứu khả phát tán ảnh hưởng phóng xạ từ nhà máy điện hạt nhân vận hành gần lãnh thổ Việt Nam”, Mã số: KC.05.17/16-20 Nghiên cứu sinh Trần Quang Thiện tài trợ Tập đoàn Vingroup – Cơng ty CP hỗ trợ Chương trình học bổng đào tạo thạc sĩ, tiến sĩ nước Quỹ Đổi sáng tạo Vingroup (VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn (VINBIGDATA) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Masanao Nakano, Pavel P Povinec, “Long-term simulations of the 137Cs dispersion from the Fukushima accident in the world ocean”, Journal of Environmental Radioactivity, 111, pp 109-115, 2012 [2] Hideyuki Kawamura, Akiko Furuno, Takuya Kobayashi, Teiji In, Tomoharu Nakayama, Yoichi Ishikawa, Yasumasa Miyazawa, Norihisa Usui, “Oceanic dispersion of Fukushima-derived Cs-137 simulated by multiple oceanic general circulation models”, Journal of Environmental Radioactivity, 180, pp.36-58, 2017 [3] Phạm Kim Long (2019), Nghiên cứu ứng dụng chương trình flexpart đánh giá phát tán phóng xạ tầm xa, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam [4] Kampanart Silva, Piyawan Krisanungkura, Narakhan Khunsrimek, Wasin Vechgama, Tang Jia Hao, Vitesh Krishnan, Pham Kim Long, Tom Charnock, Somboon Rassame, Tay Bee Kiat, Chung Keng Yeow, Hoang Sy Than, Nguyen Hao Quang, Pham Duy Hien, “Inter-comparison of transboundary atmospheric dispersion calculations: A summary of outputs from the ASEAN NPSR benchmark exercise”, Progress in Nuclear Energy, 135, 103718, 2021 [5] Deltares (2021), DELFT3D Functional Specifications, Version: 2.2, Published and printed by Deltares, http://www.deltares.nl, accessed 2021.09.27 236 ... nguồn thải rơi lắng Cs- 137 từ khơng khí xuống biển có tốc độ lan truyền phóng xạ nhanh so với nguồn thải trực tiếp biển cố NMĐHN Phịng Thành Điều q trình lan truyền khơng khí nhanh làm phần rơi. .. and Environmental Kết tính tốn mơ lan truyền phóng xạ Cs- 137 với nguồn thải rơi lắng từ khơng khí xuống biển trình bày Hình Kết tương tự cho nguồn thải trực tiếp từ NMĐHN Phòng thành biển trình... sang hoạt độ riêng Cs1 37 (Bq/m3) III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN III.1 Kết mô phát tán rơi lắng phóng xạ Cs- 137 từ khơng khí với mơ hình FLEXPART Kết mơ phát tán phóng xạ Cs- 137 khơng khí trình bày Hình