BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

Phạm Kim Long

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH
FLEXPART TRONG ĐÁNH GIÁ PHÁT TÁN
PHÓNG XẠ TẦM XA

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
Mã số: 9.44.01.06

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ

Hà Nội - 2019


Công trình được hoàn thành tại :
Trung tâm Đào tạo Hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên tử
Việt Nam. 140 Nguyễn Tuân ,Thanh Xuân, Hà Nội.

Người hướng dẫn khoa học:
1.
GS.TS. Phạm Duy Hiển
Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam
2.
TS. Nguyễn Hào Quang
Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam
Phản biện 1:
GS.TS. Lê Hồng Khiêm
Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam

với tính toán mô phỏng để đánh giả khả năng phát tán chất phóng xạ
từ đó có các biện pháp cảnh báo hay ứng phó sự cố kịp thời.
Do các yêu cầu cấp thiết trên tôi thực hiện đề tài "Nghiên cứu và
ứng dụng chương trình FLEXPART trong đánh giá phát tán phóng
xạ tầm xa" với mong muốn đóng góp một miếng ghép nhỏ trong lĩnh
vực quan trắc, cảnh báo và ứng phó sự cố phóng xạ môi trường. Mục
tiêu của luận án nhằm đưa ra được mô hình phù hợp để đánh giá khả
năng phát tán của các chất phóng xạ tầm xa tác động đến Việt Nam,
từ đó có những kế hoạch ứng phó hay biện pháp đảm bảo an toàn
thích ứng.
2.

Mục đích nghiên cứu của luận án

Tìm hiểu mô hình toán học và chương trình mô phỏng phù hợp
cho bài toán phát tán phóng xạ tầm xa.

1


Tìm hiểu mô hình khí tượng đáp ứng yêu cầu của chương trình
mô phỏng và các công cụ phân tích dữ liệu khí tượng.
Kiểm chứng năng lực tính toán phát tán phóng xạ trong khí
quyển thông qua tai nạn nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi.
Ứng dụng của mô hình trong đánh giá khả năng ảnh hưởng của
phóng xạ phát tán từ các nhà máy điện hạt nhân của Trung Quốc.
3.

Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu


ảnh hưởng đến Việt Nam, nhất là từ các NMĐHN gần biên giới nước
ta.
5.

Bố cục của luận án

Luận án gồm 100 trang nội dung, 18 bảng, 57 hình, 03 công trình
được công bố (02 bài báo và 01 hội nghị hạt nhân toàn quốc), 79 tài
liệu tham khảo, 6 phụ lục. Được phân bổ như sau:
Mở đầu: Giới thiệu lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng và
phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
(4 trang); Chương 1: Tổng quan về các nhà máy điện hạt nhân trong
khu vực Đông Á, về mô hình phát tán phóng xạ và đặc trưng khí
tượng (30 trang); Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm và phân
tích số liệu (37 trang); Chương 3: Các kết quả thu được từ nghiên
cứu (25 trang); Phần kết luận và các kiến nghị về hướng nghiên cứu
tiếp theo (3 trang); Cuối cùng là danh mục các công trình đã công bố
liên quan đến luận án, tài liệu tham khảo, và các phụ lục.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Việt Nam nằm trong khu vực Đông Nam Á, nơi tiếp giáp
khu vực Đông Á hiện có 04 quốc gia và lãnh thổ có nhà máy điện hạt
nhân đang hoạt động, bao gồm: Trung Quốc, Đài Loan, Nhật Bản và
Hàn Quốc (Hình 1.1). Tổng số 48 nhà máy điện hạt nhân với 157 tổ
máy [1], trong đó 116 tổ máy đang hoạt động, 20 tổ máy đang xây
dựng và 21 tổ máy đã ngừng hoạt động, không tính đến các nhà máy
có kế hoạch xây dựng.

Hình 1.5. Ảnh vệ tinh toàn cảnh nhà máy điện hạt nhân Cảng Phòng
Thành (Nguồn: Google Earth, cập nhật ngày 10/5/2016)
Trên thực tế ở khu vực Đông Á, tai nạn đã xảy ra tại nhà
máy điện hạt nhân Fukushima của Nhật Bản tháng 3 năm 2011 [4].
Một lượng lớn các chất phóng xạ đã phát thải vào bầu khí quyển và
phát tán khắp Bắc Bán cầu. Nhật Bản đã nâng mức độ tai nạn
Fukushima lên cấp độ 7 thang INES [10].

6


Như chúng ta đã đã biết khi xảy ra tai nạn NMĐHN các sản
phẩm phụ không thể tránh khỏi của quá trình phân hạch là các đồng
vị phóng xạ bị phát tán ra môi trường, đặc biệt là môi trường khí.
Trong đó có các đồng vị phóng xạ đặc biệt được quan tâm trong
nghiên cứu môi trường để đánh giá mức độ của tai nạn ảnh hưởng
đến môi trường và con người.
Trong bối cảnh cấp thiết như vậy, yêu cầu đặt ra cho chúng
ta cần phải xây dựng mạng lưới quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi
trường, nghiên cứu mô hình đánh giá phát tán phóng xạ trong khí
quyển để hỗ trợ cho kế hoạch ứng phó sự cố bức xạ và hạt nhân
trong trường hợp xảy ra tai nạn nhà máy điện hạt nhân trong khu
vực.
Chúng tôi đã lựa chọn chương trình FLEXPART được phát
triển bởi Andreas Stohl [32], [42], [43] để mô phỏng phát tán phóng
xạ từ các nhà máy điện hạt nhân. FLEXPART được sử dụng cho các
mô phỏng vận chuyển tầm xa và tầm trung, khuếch tán, rơi lắng khô,
rơi lắng ướt, phân rã phóng xạ của các chất phóng xạ phát ta từ
nguồn điểm, dòng, diện tích hoặc thể tích. FLEXPART sử dụng mô
hình phát tán hạt Lagragian, so với các mô hình Gaussian và


8


2.3. Hệ thống tính toán hiệu năng cao
Trong nghiên cứu này, hệ thống tính toán hiệu năng cao
PARAM-HUST supercomputer của Trung tâm tính toán hiệu năng
cao - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội được sử dụng chính để mô
phỏng và xử lý số liệu.
2.4. Số hạng nguồn cho bài toán mô phỏng phát tán phóng xạ
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, hai nội dung chính được
thực hiện đó là:
1)

Kiểm chứng năng lực đánh giá phát tán chất phóng xạ thông

qua việc sử dụng chương trình FLEXPART cho trường hợp tai nạn
nhà máy điện hạt nhân Fukushima. Rất nhiều công trình xác định số
hạng nguồn được công bố, điển hình như Chino (2011), Stohl
(2012), Terada (2012), và Katata (2015) [5], [34], [35], [37]. Trong
nghiên cứu này, sử dụng nhân phóng xạ 137Cs và 131I với số hạng
nguồn tham khảo nghiên cứu của Katata [37] và nhóm nghiên cứu
WMO [33].
2)

Ứng dụng chương trình FLEXPART cho kịch bản phát tán

phóng xạ từ nhà máy điện hạt nhân Cảng Phòng Thành của Trung
Quốc với kiểu khí tượng đặc trưng của khu vực. Giả định số hạng
nguồn tương ứng với tai nạn cấp 7 theo thang sự cố INES [10].

quan trắc, sau khi thu thập các dữ liệu đo đạc tại các trạm quan trắc
trong khu vực. Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp đánh giá
các tính toán của một mô hình vận chuyển và khuếch tán trong khí
quyển dựa trên các nghiên cứu trước đây [42], [67]–[71]. Tiếp nối
các nghiên cứu trước, phương pháp xếp hạng dựa trên các thông số

10


thống kê của Draxler [72] được sử dụng nhiều trong đánh giá các
tính toán của một mô hình vận chuyển và khuếch tán trong khí
quyển. Phương pháp xếp hạng này được định nghĩa bởi tổng của hệ
số tương quan (R - correlation coefficient), phân số chênh lệch (FB fractional bias), hệ số phẩm chất trong không gian (FMS - figure-ofmerit in space), và thông số Kolmogorov-Smirnov (KSP Kolmogorov-Smirnov parameter).

11


CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN

3.1. Vận chuyển của các nhân phóng xạ trong khí quyển từ
Fukushima đến Đông Nam Á
3.1.2. Thiết kế mô phỏng phát tán phóng xạ từ Fukushima đến
Tây Thái Bình Dương và Đông Nam Á
Chúng tôi sử dụng FLEXPART phiên bản 9.02 [32], [42] kết
hợp với dữ liệu khí tượng CFSv2 cung cấp bởi NCEP (lưới chia
0.5x0.5 độ) [55] để mô phỏng vận chuyển trong khí quyển của
và

137


13


Bảng 3.1. Thời gian đến của phóng xạ và các đỉnh nồng độ tại các
trạm quan trắc

Station

Fukuoka

Okinawa

Nankang

Guam

Hong
Kong
Manila

Hanoi

Dalat

HCMC
KL


3.1.2. Vận chuyển khí quyển của các chất phóng xạ từ
Fukushima đến TWP và SEA

Hình 3.9. Nồng độ 131I (µBq/m3) ở độ cao 0-2000 m

3.1.2.2. Vận chuyển phóng xạ khu vực (Regional plume)
Chùm khu vực FNPP đầu tiên được vận chuyển về phía TWP
và SEA vào ngày 18 tháng 3 khi cơn bão Siberia di chuyển về phía
Đông Nam xuất hiện trên miền Nam Nhật Bản (Hình 3.9a), buộc
đám mây phóng xạ cuốn theo chiều kim đồng hồ sau đó đi theo
hướng tây nam theo gió mùa Đông Bắc (Hình 3.4a). Chùm mô
phỏng đã đến Guam, Philippines, Okinawa, Đài Loan và miền Bắc
Việt Nam tương ứng vào các ngày 20, 22, 24, 25 và 27 tháng 3 (Hình
3.9b). Phóng xạ phát thải mạnh vào ngày 23 tháng 3 (Hình 3.9) và
cơn bão quay trở lại phía Nam Nhật Bản vào ngày 26 tháng 3 (Hình
3.4) vận chuyển chùm này vào phía tây Thái Bình Dương (Hình

16


3.9c), hạ cánh ở miền Nam Việt Nam và Malaysia từ ngày 28-29
tháng 3.
Chùm khu vực thứ hai khởi hành từ Nhật Bản vào khoảng
ngày 4 tháng 4, khi 2 xoáy nghịch di chuyển phía đông xảy ra trên
tây Thái Bình Dương với một xoáy tiếp cận Nhật Bản và một xoáy
đằng xa phía đông (Hình 3.4b). Chùm phóng xạ FNPP đã bị chặn
khỏi vận chuyển đối lưu trong vài ngày bởi xoáy nghịch phía đông.
Trong khi đó, xoáy nghịch tiếp cận Nhật Bản đã bắt chùm di chuyển
theo hướng tây nam và sau đó đi theo ảnh hưởng của gió mùa đông
bắc. Khối lượng khí phóng xạ di chuyển gần như hoàn toàn trong lớp
ranh giới biển (Hình 3.9d) và không quan sát thấy ở độ cao lớn hơn
(Hình 3.10d).
Đỉnh nồng độ phóng xạ giảm theo cấp số nhân với khoảng

17


3.1.3. So sánh nồng độ phóng xạ giữa mô phỏng và quan trắc
Hình 3.12 và 3.13 so sánh giữa đo đạc và mô phỏng nồng độ
phóng xạ 131I và 137Cs tương ứng tại 9 trạm quan trắc đặt tại TWP và
SEA. Trạm Hong Kong đã bị loại do thiếu dữ liệu đo 137Cs [74].
Thời gian đến của các chùm và các ngày có đỉnh nồng độ được dự
đoán khá tốt, trong sai số ± 2 ngày. Các hệ số tương quan có ý nghĩa
thống kê đối với hầu hết các trạm quan trắc (Bảng 3.1). Kết quả chấp
nhận tốt giữa nồng độ thu được từ mô hình và quan trắc trong mô
phỏng I với

137

phỏng II với

131

Cs có kích thước hạt lớn (dp = 0,6µm) và trong mô
I có kích thước hạt nhỏ (dp = 0,4µm).

Hình 3.12. So sánh nồng độ phóng xạ 131I quan trắc (cột lam), mô
phỏng 1 (đỏ) và mô phỏng 2 (lục) tại các trạm quan trắc

18


3.1.5. Các phát hiện mới của nghiên cứu
Qua nghiên cứu mô phỏng phát tán phóng xạ từ Fukushima đến

Chúng tôi ứng dụng FLEXPART kết hợp với mô hình khí
tượng CFSv2 [55] cho kịch bản giả định phát tán phóng xạ từ
NMĐHN Cảng Phòng Thành của Trung Quốc đến Việt Nam thời
điểm gió mùa Đông Bắc tràn về. Các thông số đầu vào về kích thước
hạt, rơi lắng khô, rơi lắng ướt thu được qua nghiên cứu Fukushima
được sử dụng cho mô phỏng này với giả thiết xảy ra tai nạn cấp 7
theo thang sự cố INES [10]. Chúng tôi mô phỏng phát tán vào
khoảng thời gian từ ngày 6/1 đến 31/1/2018, thời điểm này có hai đợt
gió mùa Đông Bắc chính tràn về Việt Nam không kể các đợt gió mùa
tăng cường. Front lạnh bắt đầu xuất hiện phía trên Cảng Phòng
Thành trong hai ngày 8/1 và 28/1 sau đó di chuyển qua vị trí nhà
máy. Các kết quả mô phỏng nồng độ của

131

I phát tán trong khí

quyển cho ở Hình 3.18. Kết quả nồng độ 131I tại 3 trạm quan trắc Hải
Phòng, Vinh và Đà Nẵng cho ở Hình 3.21 và 3.22.

Hình 3.15. Thời điểm Front lạnh đợt 1 tháng 1/2018 xuất hiện (a) và
di chuyển đến vị trí NMĐHN Cảng Phòng Thành (b)

20


Hình 3.17. Diễn biến nồng độ 137I (µBq/m3) phát tán ở lớp biên khi
Front lạnh đợt 1 di chuyển qua vị trí Cảng Phòng Thành
Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng ảnh hưởng của phóng xạ
từ NMĐHN Cảng Phòng Thành theo chu kỳ của các đợt gió mùa


I

và 137Cs trong chùm khu vực giảm theo cấp số nhân với khoảng cách
từ Fukushima và đã giảm một nửa sau khoảng cách lần lượt là 577
km và 433 km. Các đỉnh nồng độ

137

Cs giảm nhanh theo khoảng

cách cho thấy tổn hao của 137Cs do rơi lắng lớn hơn so với 131I trong
vận chuyển khí quyển, điều này có thể do kích thước hạt lớn hơn.
Kết quả phân tích của bốn chỉ số thống kê cũng cho thấy sự phù hợp
tốt hơn giữa quan trắc và mô phỏng sử dụng kích thước hạt lớn hơn
cho 137Cs và kích thước hạt nhỏ hơn cho 131I.
Sự phù hợp giữa mô hình FLEXPART và các quan trắc có thể
được coi là thỏa đáng. Do thời gian đến của các đỉnh và các ngày

22