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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

Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - 11. Apr 2023

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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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Unfallverlauf und Freisetzungsfaktoren


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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



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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

http://de.wikipedia.org/wiki/Iod

http://de.wikipedia.org/wiki/Caesium

http://de.wikipedia.org/wiki/Plutonium

http://de.wikipedia.org/wiki/Uran

http://de.wikipedia.org/wiki/Thorium



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Berücksichtigung eines Mutternuklids j (Vorgänger)

Mit:bv Übergangswahrscheinlichkeit beim Zerfall des Vorgängernuklids



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Berechnung der Aktivität des k-ten Tochternuklids

Internet: Kohlrausch/Band_2/Strahlung_Radioaktivität

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