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W. Scheuermann Universität Stuttgart - Kontext der Ausbreitung - 11. Apr 2023 Seite 1 von 23
Simulation der Ausbreitung radioaktiver Schadstoffe
Freisetzung und Zerfall
Inhalte der Vorlesung
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Ziele und Kontext von Ausbreitungsrechnungen
Ausbreitungsphänomene,Modellierung physikalischer Prozesse
Freisetzung, Zerfall
Topographie, Geländemodelle, Koordinatensysteme
Windfeldmodelle
Transportmodelle
Dosisberechnung, chemische Prozesse in der Atmosphäre
Simulationssysteme
Softwareparadigmen / Frameworks
Werkzeuge zur Modellierung (UML)
Architektur von ABR_V2.0
Modelle in der ABR_V2.0
Benchmarks / Validierung
Sicherheitsbarrieren
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Freisetzung
• Inventar im Reaktor– Nuklidzusammensetzung und deren Aktivität– Betriebsparameter– Abschaltzeitpunkt
• Unfallverlauf• Freisetzungsort• Freisetzungsfaktoren
• Quellterm– Menge und Art der freigesetzten Radionuklide
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Inventar
• Mit entsprechender Genauigkeit schwer bestimmbar• Abhängig von:
– Art der Brennelemente– Anreicherung– Standzeit der einzelnen Brennelemente im Reaktor– Abbrand
• Daher Definition eines Referenzinventars ausgehend von einem Gleichgewichtskern
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Inventar
• ABR– Bestimmung des Inventars durch Abbrandrechnungen auf
Basis von Beladeplänen für die Baden-Württembergischen Kraftwerke
– Tabellarische Aufbereitung» Dauer der letzten Revision: 8, 18, 28 Tage» Anzahl Vollasttage: 1, 2, 3, 10, 100, 328 Tage
– Inventarberechnung zum Zeitpunkt der Abschaltung» Durch Interpolation entsprechend der Dauer der letzten
Revision für alle Volllasttage» Durch Interpolation entsprechend der Volllasttage
– Inventarberechnung zum Zeitpunkt der Freisetzung» Berechnung der Aktivitätsänderung durch radioaktiven
Zerfall
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Liste der relevanten Nuklide
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Quelle: Leitfaden für den Fachberater Strahlenschutz
Nuklidgruppe und Leitnuklide
• Zur Vereinfachung der Handhabung werden die relevanten Nuklide zusammengefasst zu– Nuklidgruppen:
» Edelgase» Aerosole» Iod
– Leitnukliden:» Xe 133» Cs 137» I 131
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Bedeutung von Iod
• Iod spielt im Organismus hauptsächlich eine Rolle für die Produktion der Schilddrüsenhormone– Hier ins besonders das organisch gebundene Iod
• Flüchtiges Nuklid– Freisetzung in hoher Konzentration zusammen mit Edelgasen
• Aufteilung in elementares und organisch gebundenes Iod
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Betriebsparameter und Abschaltzeitpunkt
• Dauer der letzten Revision• Anzahl Volllasttage nach wieder anfahren
• Beide Parameter beeinflussen die Nuklidzusammensetzung durch– Zerfall während der Stillstandszeit– Neuproduktion durch Spaltung
• Nach Ende der Kettenreaktion ändert sich die Nuklidzusammensetzung durch Zerfall
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Freisetzung
• Unfallablauf und Freisetzungsfaktoren sind im Leitfaden für den Fachberater Strahlenschutz beschrieben– Deutsche Risikostudie A– Deutsche Risikostudie B– PSA Level 2 für GKN
• Freisetzungsort, Freisetzungshöhe– Kamin– Sicherheitsbehälter– Maschinenhaus
• Art der Quelle– Punktquelle– Flächenquelle– Volumenquelle– Linienquelle
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Bodennahe Freisetzung
Unfallverlauf und Freisetzungsfaktoren
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Quelle: Leitfaden für den Fachberater Strahlenschutz
Unfallverlauf und Freisetzungsfaktoren
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Quelle: Leitfaden für den Fachberater Strahlenschutz
Freisetzungshöhe
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effektive FreisetzungshöheH KaminhöheÜberhöhunghorizontale WindgeschwindigkeitStabilitätsparameterAbgasvolumenstromKamindurchmesserAbgastemperaturUmgebungstemperatur
• Berechnung der effektiven Quellhöhe• Empirische Formeln nach Carson-Moses und Briggs
𝐻𝑒=𝐻+∆ h𝑘
∆ h𝑘=2,6∗√𝑀𝑢 ∆ h𝑘=0 ,6∗
3√ 𝑀𝑢∗𝑠
)
∆ h𝑘=𝐷∗(𝑉𝑢
)1,4
Abgastemperatur < 30 0C Abgastemperatur > 50 0C
Zwischen 30 0C und 50 0Cgibt es derzeit kein einheitlichesVerfahren
Freisetzungshöhe
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Stabilitätsparameter
Quelle:
Freisetzungshöhe
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• Gleichungen nach:- Briggs und Anfossi
• Interpolationsvorschrift nach:- Moore
s Stabilitätsmaß adiabater Temperaturgradient𝛾𝑎
Quelle: VDI 3945 Blatt 3
Gebäudeeinfluss
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GebäudehöheGebäudebreite effektive Emissionshöhe neue effektive Emissionshöhe
• Gebäudeeinfluss• Bei niedrigen Emissionshöhe• Auswirkung auf den Aufpunkt der Wolke
𝐼𝐺=𝑚𝑖𝑛(𝐻𝐺 ,𝑏𝐺)
𝐻𝑒<(𝐻𝐺+𝐼𝐺)𝐼𝐺43∗ 𝐼𝐺
Voraussetzungen:
Quelle auf dem Dach im AbstandQuelle im Abstand von in Ausbreitungsrichtung
𝐻𝑒>𝐻𝐺
𝐻𝑒≤𝐻𝐺
h ′=0,5∗(3𝐻 𝑒− (𝐻𝐺+𝐼𝐺 ))
h ′=𝐻𝑒−0,5 𝐼𝐺 Quelle: Störfallberechnungsgrundlagen… Bundesanzeiger Nr. 222a vom 26. November 1994
Radioaktiver Zerfall
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Mit:Aktivität des Nuklids i zum Zeitpunkt tAktivität des Nuklids i zum Zeitpunkt t0Zerfallskonstante des Nuklids iZeitdifferenz (t – t0)
Zerfallsgleichung:
Mit: N Anzahl der Atomeλ Zerfallskonstante
Aktivität der Nuklide
Radioaktiver Zerfall
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Isotop Halbwertszeit spezifische Aktivität131I 8 Tage 4.600.000.000.000 Bq/mg137Cs 30 Jahre 3.300.000.000 Bq/mg239Pu 24.110 Jahre 2.307.900 Bq/mg235U 703.800.000 Jahre 80 Bq/mg238U 4.468.000.000 Jahre 12 Bq/mg232Th 14.050.000.000 Jahre 4 Bq/mg
Radioaktiver Zerfall
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Radioaktiver Zerfall
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Radioaktiver Zerfall
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Berücksichtigung eines Mutternuklids j (Vorgänger)
Mit:bv Übergangswahrscheinlichkeit beim Zerfall des Vorgängernuklids
Radioaktiver Zerfall
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Berechnung der Aktivität des k-ten Tochternuklids
Internet: Kohlrausch/Band_2/Strahlung_Radioaktivität