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
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)
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
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
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
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.
chúng phụ thuộc chủ yếu vào độ cao của lớp khí quyển so với mặt đất.
Khí quyển của trái đất qui
ước chia thành 5 lớp từ dưới lên trên gọi là tầng:
tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng giữa, tầng nhiệt quyển và tầng quyển ngoài.
• Tầng đối lưu: Là lớp khí quyển gần mặt đất có độ cao tại xích đạo 16 - 18km,
tại các cực 7 - 9km (tại các vĩ tuyến trung bình 10 - 12km). Các công trình nghiên
cứu cho thấy trong tầng đối lưu bao gồm 9/10 toàn bộ khối lượng khí quyển, không
khí ở tr
ạng thái luôn luôn chuyển động. Nhiệt độ không khí trong tầng đối lưu càng
xa mặt đất càng giảm, và ở độ cao 10 - 15km đạt -5 đến -6
0
C.
• Tầng bình lưu: Tầng khí quyển này đạt độ cao 50 - 60km và đặc trưng bằng
mật độ không khí thấp. Mặc dù tầng bình lưu chiếm không gian nhiều nhưng nó chỉ
chiếm khoảng 5% khối lượng khí quyển. Người ta đã xác định: trong tầng bình lưu,
chuyển động của không khí thường xuyên mạnh và vận tốc của nó có thể đạt
100km/h hoặc lớn hơn. Nhiệt độ không khí ở đây không gi
ảm, mà trái lại càng xa
mặt đất càng tăng. Nhiệt độ tăng trung bình 0,1 - 0,2
0
C/100m.
• Tầng giữa: Tại lớp khí quyển này, nhiệt độ khối không khí càng xa mặt đất
càng giảm. Tại giới hạn trên của tầng giữa, ở độ cao khoảng 80km, nhiệt độ đạt
-80
0
C đến -90
0
C. Các công trình khảo sát cho thấy vận tốc chuyển động của các
khối không khí trong tầng giữa cũng rất cao, đạt hàng trăm km/h.
• Tầng nhiệt quyển: Tầng này được đặc trưng bằng nhiệt độ tăng không ngừng
ứng. Lượng phóng xạ được tung vào môi trường ở trạng thái lỏng và hơi phóng xạ
(khí). Sự gây ô nhiễm phóng xạ đối với môi trường qua trạng thái khí từ các lò phản
ứng hoạt động bao gồm các khí trơ, các á kim và kim loại thường sống dưới dạng
các hỗn hợp khí.
1.3. Tác động của chất ô nhiễm không khí
Ô nhiễm không khí có thể được
định nghĩa như bất cứ điều kiện khí quyển
nào mà trong đó có mặt một số chất với nồng độ cao có thể tác động không tốt đối
với con người và môi trường xung quanh. 11
Trong giới hạn đề tài, tác giả chỉ quan tâm một phần đó là tác 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 anpha có năng lượng nhỏ hơn tia
bêta nhưng lại có khả năng ion hóa mạnh hơn. Mật độ ion hóa của tia gamma và tia
Rơnghen gây ra tương đối nhỏ, nhưng độ thâm nhập lại lớn hơn, nên chúng không
những tác dụng lên các tế bào ở l
ớp ngoài mà còn có khả năng tác dụng lên các tế
bào ở sâu trong cơ thể.
Hiện tượng ion hóa có thể dẫn đến những biến đổi phân tử và tạo ra các liên
kết hóa học có thể làm hỏng các chất nhiễm sắc thể, biến đổi cấu trúc cũng như chức
năng của tế bào. Trong cơ thể người, những biến đổi này là những nguyên nhân
chính gây ra các bệnh lâm sàng như bệnh bức xạ, bệnh
đục thủy tinh thể, bệnh ung
thư…
bảo vệ môi trường không khí.
Vận tốc gió
Tốc độ gió được chia thành các cấp theo bậc thang Bofort do tổ chức khí
tượng thế giới (WMO) thông qua, được thể hiện bảng 1.1
[2,11]
Bảng 1.1. Các cấp gió theo thang BofortCấp
gió
Tên gọi Đặc trưng
Vận tốc
(m/s)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Lặng gió
Gió rất nhẹ
Gió nhẹ
Gió yếu
Gió vừa
Gió mạnh vừa
Gió mạnh
Bão rất to
Nhà tốc mái - ống khói gãy
Cây trốc gốc - nhà đổ
Tàn phá mạnh
Tàn phá dữ dội
18.3-21.5
21.6-25.1
25.2-29.0
>29
Đối với sự khuếch tán chất ô nhiễm trong khí quyển thì vận tốc nguy hiểm là
lặng gió - cấp 0 và gió rất nhẹ - cấp 1.
1.4.2. Tính ổn định đứng của khí quyển – Chuyển động đứng của không khí
trong khí quyển
1.4.2.1. Khái niệm về tính ổn định đứng: Mặc dù khí quyển có độ cao rất lớn
nhưng chỉ có tầng đối lưu là có ảnh hưởng đến thời tiết. Tầng đối l
ưu tương đối
không ổn định vì tại đây thường xuất hiện các dòng không khí chuyển động theo
phương đứng, gây nên các hiện tượng ngưng tụ hơi nước và tạo thành mây, mưa.
Vận tốc chuyển động của không khí theo chiều đứng so với vận tốc ngang không
lớn chỉ đạt khoảng 0.7m/s.
Đặc điểm của khối không khí chuyển động (hay khuếch tán) phụ thuộc chủ
yếu vào s
ự phân bố nhiệt độ theo chiều đứng. Nếu khối không khí chuyển động
(bốc) lên cao, nó sẽ chịu tác động của áp suất mỗi lúc một giảm. Do đó, nó sẽ dãn
nở và nhiệt độ hạ thấp. Ngược lại, nếu khối không khí chuyển động (hạ) xuống thấp,
nó sẽ bị nén ép áp suất tăng và kéo theo nhiệt độ tăng, đây là quá trình dãn nở hay
nén ép của không khí.
Sự thay đổi nhiệt
độ của không khí trên mỗi 100m độ cao gọi là gradient
= 0,00976(K/m) ≈ 1(K)/100(m)
Đối với khí quyển có mật độ đồng nhất (ρ = const): β = 3,4(K)/100(m)
Trường hợp
ρ = const không tìm được giá trị trong khí quyển thực, ngoại trừ
lớp không khí rất mỏng trên bề mặt đủ nóng, ví dụ khi lớp không khí gần mặt đất có
chiều dày khoảng một vài mét bị bức xạ mặt trời nung nóng.
Đối với khí quyển đẳng nhiệt (T = const): β = 0
Trong 3 trường hợp đặc biệt trên đây, khí quyển có mật độ đồng nhất chỉ có
tầm quan trọng về mặt lý thuyết và khí quyển đẳng nhiệt chỉ có thể áp dụng cho khí
quyển loãng với nhiệt độ không đổi xuất hiện trong khí quyển thực. Khí quyển đoạn
nhiệt mang tính thực tiễn quan trọng hơn cả.
Trong khí quyển thực luôn luôn có trị số
β trung bình, giá trị của nó thấp hơn
β
k
, về cơ bản là không phải hằng số theo độ cao. Tuy nhiên ta có thể xác định một
khí quyển có gradient nhiệt độ không thay đổi – là hằng số, gần với trường hợp
trung bình của khí quyển thực.
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, pha loãng trong khí quyển một cách thuận lợi. Khí quyển ở trạng thái
này là khí quyển không ổn định.
16
Trường hợp β > β
k
(hình 1.1a): Khí quyển có trị số gradient nhiệt độ lớn hơn
trị số gradient nhiệt độ đoạn nhiệt khô (β > β
k
) là khí quyển trên đoạn nhiệt.
Nhiệt độ khối không khí ở vị trí ban đầu (xuất phát) tại độ cao z bằng
nhiệt độ xung quanh. Do khối không khí bốc lên có nhiệt độ giảm theo đường
β
k
nên tại độ cao z + dz nhiệt độ của nó giảm đi một giá trị β
k
dz. Không khí
xung quanh có nhiệt độ giảm theo đường trên đoạn nhiệt nên tại độ cao
Hình 1.1. Các trạng thái ổn định của khí quyển
a) Không ổn định hay trên đoạn nhiệt
β > β
k
;
b) Trung tính với
β = β
k
;
c) Ổn định hay dưới đoạn nhiệt với 0 <
β < β
k
).Vì ρ của khối không khí bằng ρ xung
quanh nên nó không tiếp tục bốc lên trên (cũng như rơi xuống dưới). Ta nói:
khối không khí không chịu lực tiếp theo lực ban đầu đẩy nó càng xa vị trí ban
đầu (xuất phát) hay kéo nó trở về vị trí ban đầu (xuất phát); khối không khí
chiếm vị trí cân bằng mới.
Trường hợp 0 < β < β
k
(hình 1.1c): Khí quyển có trị số gradient nhiệt độ nhỏ
hơn trị số gradient nhiệt độ đoạn nhiệt khô nhưng lớn hơn trị số 0 (0 < β < β
k
)
là
khí quyển dưới đoạn nhiệt.
Ta có β
k
dz > βdz nên nhiệt độ khối không khí tại độ cao z + dz nhỏ hơn
nhiệt độ xung quanh (T < T
xq
).
Nếu dz < 0 thì kết quả cũng vậy nhưng theo chiều ngược lại. Nhiệt độ
khối không khí tại độ cao z – dz lớn hơn (T > T
xq
) hay ρ của khối không khí
nhỏ hơn ρ xung quanh, nó sẽ chuyển động theo chiều ngược lại, tức bốc lên
trên. Ta nói: khối không khí chịu lực tiếp theo lực ban đầu kéo nó trở về vị trí
ban đầu (xuất phát).
Vậy khí quyển dưới đoạn nhiệt là khí quyển ổn định.
Trường hợp β < 0 < β
k
(hình 1.1d): Khí quyển có trị số gradient nhiệt độ
bên trên lớp không khí lạnh, hay lớp
không khí lạnh chuyển động bên dưới
lớp không khí nóng.
Nghịch nhiệt đêm được biết như
nghịch nhiệt bức xạ, xuất hiện khi mặt
đất lạnh về ban đêm do bức xạ nhiệt vào
không gian. Do kết quả của sự giảm
nhiệt độ trên mặt đất, không khí tại lớp
thấp gần mặt đất lạnh đi vì mất nhiệt đối
lưu, dẫn nhiệt và bức xạ. Trường hợp
này xảy ra thường xuyên nhất vào ban
đêm (nên có tên gọi là nghịch nhiệt đêm).
Hình 1.2. Lớp nghịch nhiệt
a)Sát mặt đất (từ độ cao z = 0 đến z
1
)
b)Trên cao (từ độ cao z
2
đến z
3
) 19
Nghịch nhiệt lắng xảy ra thường xuyên hơn cả, do các luồng không khí nóng
lên do sự nén ép khi hạ xuống dưới. Trường hợp này xảy ra tại các vùng có áp suất
cao cận nhiệt đới. Không khí gần mặt đất tại các vùng này chảy ra xung quanh làm
cho khối không khí trên cao rơi (lắng) xuống thay thế. Trong quá trình hạ, không
khí nóng lên theo tính chất đoạn nhiệt.
Trên cùng địa điểm và trong cùng thời gian có thể xảy ra 2 lớp nghịch nhiệt:
20
1.4.2.5. Các cấp ổn định của khí quyển
[2,4,7,11]
Theo Pasquill và Gifford, các cấp ổn định khí quyển có liên quan chặt chẽ
tới sự biến thiên nhiệt độ không khí theo chiều cao và có thể chia thành 6 cấp ổn
định của khí quyển như sau :
Cấp A : Không ổn định mạnh;
Cấp B: Không ổn định vừa;
Cấp C: Không ổn định yếu;
Cấp D: Trung tính;
Cấp E: Ổn định yếu;
Cấp F: Ổn định vừa.
1.5. Khuếch tán rối của khí quyển và sự phân bố chất ô nhiễm
1.5.1. Khuếch tán rối của khí quyển
1.5.1.1. Khuếch tán rối theo chiều ngang – Gió và sự phân bố vận tốc gió theo
chiều đứng
Gió là nhân tố chính của quá trình khuếch tán rối của khí quyển theo chiều
ngang hay chuyển động rối của không khí dọc theo mặt đất với lớp không khí có thể
đạt vài km độ dày. Độ rối được thể hiện trong dao động tuần hoàn và va đập không
đều (gọi là cơn gió). Gradient nhiệt độ theo phương ngang quan hệ với độ rối trong
trường hợp này không giống chiều đứng. Độ chênh nhiệt độ theo phương ngang gây
nên trường áp suất trong vòng tuầ
n hoàn của gió.
Hướng và vận tốc gió thay đổi thường xuyên: hướng thay đổi đột ngột, còn
vận tốc theo từng cơn và lặng gió.
Vận tốc gió (và cả hướng của nó) thay đổi theo chiều cao. Vận tốc gió trực
tiếp tại mặt đất bằng 0, càng lên càng lớn. Tuy nhiên sự thay đổi này (theo luật loga)
phụ thuộc vào trạng thái (tính ổn định) của khí quyển, độ gồ ghề của mặt đất và các
v
ật cản là những công trình xây dựng (hình 1.3)
ln ln
zz
−
⎡
⎤
++
×
⎢
⎥
⎣
⎦
(1.3)
Trong đó:
z
0
là độ cao tại đó vận tốc coi như bằng 0 (z
0
= 0.1m: độ gồ ghề của
mặt đất)
z
1
= 10m (độ cao đặt máy quan trắc khí tượng);
Đồ thị xác định của hệ số
ϕ phụ thuộc vào z: từ công thức (1.3) ta có
hình 1.4
Hình 1.3. Phân bố vận tốc gió theo chiều cao (khí quyển trung tính)
a) Trường hợp mặt đất phẳng (1) và gồ ghề (2); b) Vật cản là các công trình xây dựng
Trị số của chỉ số n có giá trị từ 0
đến 1 được cho ở bảng 1.2:
Bảng 1.2.
Trị số n
Cấp ổn định khí quyển A B C D E F
Thành thị 0.15 0.15 0.2 0.25 0.4 0.6
Nông thôn 0.07 0.07 0.1 0.15 0.35 0.55
1.5.1.2. Khuếch tán rối theo chiều đứng – Cường độ khuếch tán và độ cao
hòa trộn
Khuếch tán rối theo chiều đứng hay sự chuyển động của không khí theo
chiều đứng có mức độ khác nhau gọi là
cường độ.
Cường độ khuếch tán rối phụ thuộc vào sự lan truyền nhiệt, tức gradient nhiệt
độ theo chiều đứng hay tính ổn định của không khí:
β > β
k
tức khí quyển không ổn định: Khuếch tán hay chuyển động rối
với cường độ mạnh.
β = β
k
tức khí quyển trung tính: Khuếch tán hay chuyển động rối với
cường độ vừa.
Hình 1.4. Đồ thị xác định hệ số
ϕ
( z
1
đứng của khí quyển là
độ cao hòa trộn.
Khi một phần tử không khí gần mặt đất bị nung nóng bốc lên cao, nhiệt độ
của nó giảm theo đường đoạn nhiệt và độ chênh nhiệt độ giữa nó với không khí
xung quanh sẽ giảm dần cho tới khi cân bằng. Độ cao mà nhiệt độ tại đó không khí
bốc lên trên bằng nhiệt độ xung quanh là độ cao hòa trộn. Ở độ cao hòa trộn, không
khí bốc lên do lực nâng (lực nổi) sẽ dừng lại, không tiếp t
ục bốc lên nữa.
Vì nhiệt độ môi trường không khí biến thiên thường xuyên theo thời gian
trong ngày nên độ cao hòa trộn của ngày được xác định bằng giao điểm giữa đường
đoạn nhiệt đi qua điểm có nhiệt độ lớn nhất trên mặt đất trong ngày với đường phân
bố nhiệt độ theo chiều đứng thực tế trong đêm hoặc sáng sớm (hình 1.5).
Copyright: Tài liệu đại học ©