Thạc Sĩ Nghiên cứu thiết kế chương trình tính toán sự khuếch tán chất thải phóng xạ trong môi trường không k

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
NĂM 2010

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 đứng 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 của 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


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 khuếch tán Gauss (σy, σz) – 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 liệu 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 chất 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
3.4. 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


DANH MỤC BẢNG


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


DANH MỤC HÌNH


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 (z1 = 10 và z0 = 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 hệ số khuếch tán σy (a) và σz (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 đường 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
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


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 Đôn, 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 hạt 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.


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 chạy 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 nhiễm từ các nguồn điểm cao;
Chương 3: Chương trình tính toán sự khuếch tán khí thải trong môi trườngkhông khí.