NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN SỰ KHUẾCH TÁN CHẤT THẢI PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THÀNH MINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN SỰ KHUẾCH TÁN CHẤT THẢI PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 604405 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. CHÂU VĂN TẠO THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2010 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ các thầy cô và bạn bè. Trước tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Châu Văn Tạo, người đã luôn theo dõi, hướng dẫn và động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Mai, trung tâm hạt nhân thành phố Hồ Chí Minh; thầy Trương Ý, trung tâm môi trường, viện nghiên c ứu hạt nhân Đà Lạt đã có nhiều ý kiến góp ý, hướng dẫn để tôi hoàn thiện nội dung luận văn. Tiếp theo tôi muốn gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Vật lý Hạt nhân thuộc trường đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian đào tạo. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơ n đến tất cả bạn bè đã động viên và giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tp.Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2010 Tác giả Nguyễn Thành Minh 1 MỤC LỤC Trang Mục lục 1 Danh mục bảng 4 Danh mục hình 5 Mở đầu 7 Chương 1: Ô nhiễm không khí - Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố chất ô nhiễm trong môi trường không khí 9 1.1. Cấu tạo của khí quyển 9 1.2. Nguồn gây ô nhiễm không khí 10 1.3. Tác động của chất ô nhiễm không khí 10 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố chất ô nhiễm trong môi trường không khí 11 1.4.1. Gió 12 1.4.2. Tính ổn định đứ ng của khí quyển – chuyển động đứng của không khí trong khí quyển 13 1.5. Khuếch tán rối của khí quyển và sự phân bố chất ô nhiễm 20 1.5.1. Khuếch tán rối của khí quyển 20 1.5.2. Phân bố chất ô nhiễm trong khí quyển – Hình dạng luồng khuếch tán rối 24 1.6. Phân loại các nguồn gây ô nhiễm 27 1.6.1. Phân loại các nguồn gây ô nhiễm theo đặc trưng lan tỏa (khuếch tán) chất ô nhiễm 27 1.6.2. Phân loại nguồn gây ô nhiễm theo các dấu hiệu khác 28 1.7. Độ dâng củ a luồng khói 28 1.7.1. Công thức của Rapp R.R 29 1.7.2. Công thức của Holland J.Z 29 1.7.3. Công thức của Berliand M.E. và một số công thức của các tác giả Liên Xô cũ 30 2 Chương 2: Tính toán khuếch tán chất ô nhiễm từ các nguồn điểm cao 32 2.1. Lý thuyết khuếch tán chất ô nhiễm trong môi trường không khí 32 2.1.1. Phương trình vi phân tổng quát của sự khuếch tán chất ô nhiễm 32 2.1.2. Phương trình vi phân rút gọn từ dạng tổng quát 33 2.2. Công thức tính toán phân bố chất ô nhiễm khí từ nguồn điểm cao theo luật phân bố chuẩn Gauss 34 2.2.1. Công thức cơ sở của hàm Gauss 34 2.2.2. Công thức Gauss áp dụng trong thực tế tính toán 35 2.2.3. Hệ số khu ếch tán Gauss (σ y , σ z ) – Các cấp ổn định của khí quyển 37 2.3. Công thức tính toán đối với sự khuếch tán của bụi (sol khí) - Sự lắng đọng bụi trong quá trình khuếch tán 39 2.4. Khuếch tán chất ô nhiễm trong điều kiện không gió 41 2.5. Công thức tính toán đối với sự khuếch tán của khí thải phóng xạ 42 2.6. Tính toán nồng độ trung bình của chất ô nhiễm trên mặt đất do các nguồn thải gây ra 42 2.6.1. Nguyên tắc chung 42 2.6.2. Hệ số trung bình ứng với số liệ u tần suất gió và tần suất lặng gió 43 2.6.3. Công thức xác định nồng độ trung bình theo tần suất gió 44 Chương 3: Chương trình tính toán sự khuếch tán chất thải trong môi trường không khí 45 3.1. Sơ đồ khối 45 3.2. Các công thức tính trong chương trình 46 3.2.1. Công thức chính (tính hàm lượng chất thải) 46 3.2.2. Các công thức phụ 47 3.3. Một số hình ảnh và kết quả khi chạy chương trình 49 3.3.1. Giao diện chính 49 3.3.2. Bảng giá trị tượng trưng xác định nồng độ chấ t thải trên mặt đất dọc theo hướng gió 49 3.3.3. Một số hình ảnh ghi nhận kết quả tính toán từ chương trình 50 3 3.4. Nhận xét kết quả 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC 70 Chương trình tính toán đồng độ chất thải được viết trên phần mềm Matlab 70 4 DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1. Các cấp gió theo thang Bofort 12 Bảng 1.2. Trị số n 22 Bảng 2.1. Các cấp ổn định của khí quyển (theo Pasquill F.) 38 Bảng 2.2. Các hệ số a,b,c và d 39 Bảng 3.1. Giá trị nguồn ứng với từng cấp ổn định 50 5 DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1. Các trạng thái ổn định của khí quyển 16 Hình 1.2. Lớp nghịch nhiệt 18 Hình 1.3. Phân bố vận tốc gió theo chiều cao (khí quyển trung tính) 21 Hình 1.4. Đồ thị xác định hệ số ϕ (z 1 = 10 và z 0 = 0.1) 22 Hình 1.5. Xác định độ cao hòa trộn trong ngày 24 Hình 1.6. Hình dạng luồng khuếch tán rối (luồng khói) 25 Hình 2.1. Nồng độ tức thời và nồng độ trung bình của luồng khí thải tại mặt cắt trực giao với hướng gió 32 Hình 2.2. Nguồn tức thời (a) và nguồn liên tục (b) điển hình 34 Hình 2.3. Hệ tọa độ theo mô hình Gauss khi mặt phẳng (x,y) tương ứng với mặt đất hay gốc O trùng với chân ống khói 35 Hình 2.4. Đồ thị xác định h ệ số khuếch tán σ y (a) và σ z (b) tương ứng với 6 cấp ổn định của khí quyển 37 Hình 3.1. Giao diện chính 49 Hình 3.2. Bảng giá trị nồng độ chất thải trên mặt đất theo hướng gió 49 Hình 3.3. Đồ thị đường giá trị - Cấp A 50 Hình 3.4. Đồ thị đường giá trị - Cấp B 51 Hình 3.5. Đồ thị đường giá trị - Cấp C 51 Hình 3.6. Đồ thị đường giá trị - Cấp D 52 Hình 3.7. Đồ thị đường giá trị - Cấp E 52 Hình 3.8. Đồ thị đườ ng giá trị - Cấp F 53 Hình 3.9. Hình 2D mô phỏng phân bố nồng độ trên mặt đất - Cấp A 53 Hình 3.10. Hình 2D mô phỏng phân bố nồng độ trên mặt đất - Cấp B 54 Hình 3.11. Hình 2D mô phỏng phân bố nồng độ trên mặt đất - Cấp C 54 Hình 3.12. Hình 2D mô phỏng phân bố nồng độ trên mặt đất - Cấp D 55 Hình 3.13. Hình 2D mô phỏng phân bố nồng độ trên mặt đất - Cấp E 55 Hình 3.14. Hình 2D mô phỏng phân bố nồng độ trên mặt đất - Cấp F 56 6 Hình 3.15. Hình 2D mô phỏng phân bố nồng độ theo phương đứng - Cấp A 56 Hình 3.16. Hình 2D mô phỏng phân bố nồng độ theo phương đứng - Cấp B 57 Hình 3.17. Hình 2D mô phỏng phân bố nồng độ theo phương đứng - Cấp C 57 Hình 3.18. Hình 2D mô phỏng phân bố nồng độ theo phương đứng - Cấp D 58 Hình 3.19. Hình 2D mô phỏng phân bố nồng độ theo phương đứng - Cấp E 58 Hình 3.20. Hình 2D mô phỏng phân bố nồng độ theo phương đứng - Cấp F 59 Hình 3.21. Đồ thị so sánh kết quả - Cấp A 62 Hình 3.22. Đồ thị so sánh kết quả - Cấp B 62 Hình 3.23. Đồ thị so sánh kết quả - Cấp C 63 Hình 3.24. Đồ thị so sánh kết quả - Cấp D 63 Hình 3.25. Đồ thị so sánh kết quả - Cấp E 64 Hình 3.26. Đồ thị so sánh kết quả - Cấp F 64 Hình 3.27. Đồ thị đường giá trị ứng vói D = 3m và w = 2.5m/s 65 7 LỜI MỞ ĐẦU Trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, số lượng các nhà máy công nghiệp tăng lên đáng kể. Song song với sự phát triển là việc gây ô nhiễm môi trường từ các nhà máy công nghiệp qua việc thải các chất thải ra môi trường dưới nhiều hình thức: chất thải rắn, chất thải lỏng, chất thải khí…. Trong đó, chất thải khí được thải ra từ các ống khói của các nhà máy công nghiệp có tác động đáng kể đến môi trường. Nếu như nồng độ (hàm lượng) các chất ô nhiễm cao có thể ảnh hưởng trực tiếp đến con người như các bệnh về đường hô hấp, tiêu hóa,… Trường hợp nặng có thể gây tử vong. Trong lịch sử, trên thế giới đã từng có nhiều trường hợp tử vong do hậu quả từ việc ô nhiễm môi trường không khí gây ra. Ví dụ: ngày 5/12/1953, ở Luân Đ ôn, Anh, có khoảng hơn 3500 người chết; ngày 22/11/1953, ở New York, Mỹ, có khoảng từ 170 - 260 người chết do ô nhiễm không khí [2] ,… Đối với các nhà máy điện hạt nhân, khi hoạt động đều thải ra môi trường một lượng khí phóng xạ nhất định, hầu hết trong các lượng đó là các khí của sản phẩm phân chia. Trong trường hợp sự cố, lượng khí phóng xạ thoát ra nhiều hơn. Từ những năm 40 của thế kỷ 20 trở lại đây, người ta đã quan tâm nhiều đến vấn đề ô nhiễm môi trường khí và cũng đã có nhiều công trình khảo sát sự khuếch tán của khí thải thoát ra từ các ống khói của các nhà máy công nghiệp và nhà máy điện hạt nhân. Ở nước ta, vấn đề này cũng được quan tâm nhiều trong những năm gần đây, khi số lượng các nhà máy công nghiệp mọc lên ngày càng nhiều trong cộng đồng dân cư và cũng có những tác động tiêu cực đến môi trường do các nhà máy công nghiệp này gây ra. Đặc biệt, đến năm 2020, chúng ta sẽ có một nhà máy điện hạ t nhân, để tránh những tác động không tốt đến tâm lý của người dân, chúng ta cần phải có được những đánh giá chính xác về việc tác động của khí thải phóng xạ với môi trường và con người khi nhà máy hoạt động bình thường và những giả định khi có sự cố xảy ra. 8 Tuy nhiên, trước khi tiến hành các tính toán về tác động của khí thải đến môi trường, cần phải xác định xem nồng độ khí thải tại từng điểm trong không gian nó thay đổi như thế nào khi thoát ra ngoài khí quyển. Đây là nội dung chính của luận văn. Nội dung luận văn trình bày về mô hình tính toán sự khuếch tán khí thải ra môi trường khí qua việc thải chất thải từ các ống khói của các nhà máy công nghiệp (hạt nhân và phi hạt nhân); viết chương trình ch ạy trên máy tính cá nhân tính toán sự khuếch tán khí thải và so sánh kết quả với các kết quả có được từ chương trình Hotspot - Chương trình cung cấp các tính toán gần đúng bậc nhất về những tác động của bức xạ của quá trình khuếch tán chất thải phóng xạ vào không khí. Nội dung gồm 3 chương: Chương 1: Ô nhiễm không khí - Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố chất ô nhiễm trong môi trường không khí; Chương 2: Tính toán khuếch tán chất ô nhi ễm từ các nguồn điểm cao; Chương 3: Chương trình tính toán sự khuếch tán khí thải trong môi trường không khí. [...]... đến sự phân bố chất ô nhiễm trong môi trường không khí Sự lan truyền các chất ô nhiễm từ nguồn phát sinh đến vị trí tiếp nhận chúng là vấn đề của khí tượng học ô nhiễm môi trường không khí Có 3 khía cạnh của hiện tượng, đó là: Sự di chuyển Sự pha loãng Sự suy giảm Sự di chuyển và pha loãng, hay nói cách khác sự khuếch tán hay lan tỏa chất ô nhiễm hình thành sự phân bố chất ô nhiễm trong môi trường không. .. khí hạt nhân cũng góp một phần vào vấn đề ô nhiễm không khí Tất cả các nhà máy phát điện sử dụng năng lượng hạt nhân đều sinh ra những chất phóng xạ phát tán vào môi trường khí quyển Các chất phóng xạ được sinh ra liên tục với một lượng lớn trong các phản ứng dây chuyền phân hạch trong lò phản ứng Lượng phóng xạ được tung vào môi trường ở trạng thái lỏng và hơi phóng xạ (khí) Sự gây ô nhiễm phóng xạ. .. đặc trưng lan tỏa (khuếch tán) chất ô nhiễm[2] Phụ thuộc vào đặc trưng lan tỏa (khuếch tán) chất ô nhiễm hay vị trí của nguồn thải trong dòng không khí mà các nguồn thải được chia thành: Nguồn cao và nguồn thấp Nguồn cao: Là những nguồn thải các yếu tố có hại (chất ô nhiễm) tự do trong dòng không khí không bị biến dạng Hay nói cách khác, khi xem xét tính toán sự lan tỏa (khuếch tán) chất ô nhiễm từ nguồn... (1.14) Trong đó: ρk và ρ xq (kg/m3) là mật độ của khói và của môi trường xung quanh; D(m): Đường kính ban đầu (bằng đường kính miệng ống khói); w(m/s): Vận tốc ban đầu của luồng khói; u(m/s): Vận tốc gió 32 Chương 2: TÍNH TOÁN KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM TỪ CÁC NGUỒN ĐIỂM CAO 2.1 Lý thuyết khuếch tán chất ô nhiễm trong môi trường không khí 2.1.1 Phương trình vi phân tổng quát của sự khuếch tán chất ô... loãng trong khí quyển một cách thuận lợi Khí quyển ở trạng thái này là khí quyển không ổn định Ngược lại khi không có hòa trộn đứng, sự khuếch tán (pha loãng) chất ô nhiễm trong không khí không được thuận lợi Khí quyển trong trường hợp này là khí quyển ổn định Trạng thái hay tính ổn định của khí quyển phụ thuộc vào 3 yếu tố: độ rối cơ học, độ xáo trộn nhiệt và gradient nhiệt độ Giả sử ta có khối chất. ..9 Chương 1: Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ - CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ PHÂN BỐ CHẤT Ô NHIỄM TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ 1.1 Cấu tạo của khí quyển[2,16] Không khí trong khí quyển là hệ thống phức tạp trong mối quan hệ tương hỗ với môi trường xung quanh: bề mặt đất, đại dương, vũ trụ, bức xạ mặt trời… Mật độ, độ ẩm, nhiệt độ và thành phần hóa học của khí quyển không ổn định, chúng phụ thuộc... 1.4.2.3 Tính ổn định của khí quyển Tính ổn định của khí quyển là tiêu chuẩn đánh giá khả năng của khí quyển loại trừ các chất ô nhiễm tích tụ trong nó Sự hòa trộn đứng (hay sự khuếch tán theo chiều đứng) của không khí và các chất ô nhiễm có thể làm giảm đến mức tối thiểu hiệu quả của các chất ô nhiễm tại độ cao gần mặt đất 15 Khi không khí và chất ô nhiễm hòa trộn bốc lên cao, chất ô nhiễm được khuếch tán, ... tạp chất nhẹ (không có vận tốc lắng) w = 0 Khi có gió, có thể bỏ qua thành phần khuếch tán theo trục Ox, vì tại chiều này dòng khuếch tán nhỏ hơn so với dòng đối lưu Cuối cùng, ta chỉ tính đến sự di chuyển và pha loãng của tạp chất, tức không tính đến sự suy giảm tức sự biến đổi từ chất này sang chất khác (α mang dấu dương) hoặc sự thâm nhập thêm tạp chất (α mang dấu âm) trong quá trình khuếch tán. .. bố chất ô nhiễm hay hình dạng luồng khuếch tán rối (luồng khói) trong khí quyển chịu ảnh hưởng trực tiếp của khuếch tán rối Trường hợp điển hình nhất của khuếch tán rối là chuyển động của luồng khói trong môi trường chuyển động, tức khi có gió Khi không có gió, sự khuếch tán được thực hiện dưới tác dụng của dòng đứng Hình dạng luồng khói thoát ra từ ống khói phụ thuộc chủ yếu vào cường độ khuếch tán. .. động của chất phóng xạ đối với môi trường và con người Tác động của chất phóng xạ đối với môi trường và đối với con người: Sự khác nhau cơ bản giữa bức xạ hạt nhân và các bức xạ thường gặp khác như ánh sáng, nhiệt, … là năng lượng cao của bức xạ hạt nhân Nhờ đó, bức xạ hạt nhân có thể gây ra hiện tượng ion hóa Mật độ ion hóa phụ thuộc vào loại bức xạ, năng lượng bức xạ và bản chất của vật chất Tia . khí; Chương 2: Tính toán khuếch tán chất ô nhi ễm từ các nguồn điểm cao; Chương 3: Chương trình tính toán sự khuếch tán khí thải trong môi trường không khí. 9 Chương. xạ của quá trình khuếch tán chất thải phóng xạ vào không khí. Nội dung gồm 3 chương: Chương 1: Ô nhiễm không khí - Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố chất ô nhiễm trong môi trường không khí; . MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THÀNH MINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN SỰ KHUẾCH TÁN CHẤT THẢI PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ