日本核泄漏原因與對策

1、問題重述核反應(yīng)堆屏蔽層使用一定厚度的鉛把把反應(yīng)堆四周包圍起來，用以阻擋或 減弱反應(yīng)堆發(fā)出的各種射線。在各種射線中，中子對人體的傷害最大，因此，屏 蔽設(shè)計(jì)，主要是了解中子穿透屏蔽層的百分比（或概率），問題的關(guān)鍵是：如何設(shè)計(jì)屏蔽層，是中子的穿透率最?。ㄔ诓粚θ梭w產(chǎn)生 傷害的請況下），并且是建造的造價(jià)最小。問題難點(diǎn)是：中子在屏蔽層中的運(yùn)動(dòng)分析，種子每兩次碰撞之間的路程不 確定，從而導(dǎo)致中子相對初始位置的水平位移就沒辦法確定，是問題復(fù)雜化。除 此之外，兩次碰撞后的方向也無法確定，當(dāng)然這也是造成位移無法確定的重要原 因之一。每次碰撞都是隨機(jī)的， 本文需要解決的問題有：問題一：假設(shè)屏蔽層D=3d，在大數(shù)定

2、理的意義下，中子穿透屏蔽層的百分 比是多少？對于本題利用蒙特卡羅模擬試隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)來解決，再根據(jù)M-C模 擬是一種近似求解概率的方法來確定中子傳入屏蔽層后的運(yùn)動(dòng)情況（出現(xiàn)1,：返 回反應(yīng)堆；2：中子穿透屏蔽層；3：中子在屏蔽層中被吸收。）。問題二：在實(shí)際應(yīng)用中，要求中子穿透屏蔽層的概率極小，一般數(shù)量極為10-6 - 10-10，即穿透屏蔽層的中子數(shù)若為幾百萬個(gè)，也只能有幾個(gè)中子傳出屏蔽層。多厚的屏蔽層才能使它被穿透的概率小于10-6 ?和問題一的模型一樣，并根 據(jù)問題一的結(jié)論來模擬問題二的結(jié)果，計(jì)算出多厚的屏蔽層才能使它被穿透的概 率小于10-6。問題三：根據(jù)上述估計(jì)分析，并查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)，

3、嘗試為日本福島核泄 露事件的核危機(jī)工作提出有效的預(yù)防管理和善后處理建議。模型假設(shè)與符號說明2.1模型的假設(shè)假設(shè)1：假定屏蔽層是理想的均勻鉛質(zhì)平板，平行板厚度為D = 3d，其中d 為兩次碰撞之間中子的平均游動(dòng)距離。假設(shè)2：假定中子在X軸上的位置表示為X中子運(yùn)動(dòng)的方向與X軸的夾角 為0。i假設(shè)3：以初速u0和方向角a射入屏蔽層，運(yùn)動(dòng)一段距離后，在X0處與鉛 核碰撞，速度和方向發(fā)生改變，變?yōu)椋ㄘ?0 1）。假設(shè)4：中子碰撞后的散射角服從【0,2兀的均勻分布，中子在屏蔽層內(nèi)相繼 兩次碰撞之間游動(dòng)的距離服從指數(shù)分布。假設(shè)5：假設(shè)在第10次碰撞后，中子速度下降到位某一很小數(shù)值而終止運(yùn) 動(dòng)即被吸收，因每次

4、碰撞后，中子因損失一部分能量而速度下降。假設(shè)6：假設(shè)溫度和時(shí)間對本題中子在屏蔽層中的運(yùn)動(dòng)不不產(chǎn)生影響。忽略 不計(jì)。假設(shè)7：不考慮中子之間產(chǎn)生的相互影響。2.2參數(shù)設(shè)置與說明d兩次碰撞之間中子的平均游動(dòng)距離0第/次碰撞后中子的運(yùn)動(dòng)方向與X軸方向的夾角iX第/次碰撞后中子所處位置與屏蔽層內(nèi)逼的距離ia中子入射屏蔽層的方向角。V0中子入射屏蔽層的初速度。D屏蔽層的厚度X0第一次中子碰撞從屏蔽層到屏蔽層內(nèi)部所走的水平距離01第一次碰撞后散射角。Ri中子在第i次碰撞前后的游動(dòng)距離，為均勻隨機(jī)變量V1第一次碰撞后的速度V1問題分析3.1首先，在核反應(yīng)堆屏蔽層設(shè)計(jì)問題中我們必須弄清中子的三種狀態(tài)即：返回，

5、被吸收還是穿出。其次，我們必須知道該實(shí)驗(yàn)所需要的試驗(yàn)次數(shù)即所得試驗(yàn)數(shù)據(jù) 比較精確。假設(shè)屏蔽層D = 3d，在大數(shù)定理的意義下，中子穿透屏蔽層的百分 比多少？此題是研究核反應(yīng)堆中產(chǎn)生的中子會穿透屏蔽層和如何建立數(shù)學(xué)模型 解決并考慮三種模型下的概率問題。應(yīng)用蒙特卡羅（MonteCarlo）模型（又 稱蒙特卡羅方法），結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)方法建立模型求解概率（三種情況），應(yīng)用 Matlab隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)來模擬三種中子在屏蔽層內(nèi)的游動(dòng)情況和三種情況的概率。 來求解本模型。中子在屏蔽層里隨機(jī)游動(dòng)，第/次碰撞以后按照它的位置坐標(biāo)X,可能有以 下三種情況。產(chǎn)生：中子三種狀態(tài)的判定標(biāo)準(zhǔn)G）X D，中子穿透屏蔽層，（i

6、 10）；IGb Xj D，若i 10，中子在屏蔽層內(nèi)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，若i = 10中子被屏蔽層 吸收。經(jīng)過第i次碰撞，中子在屏蔽層內(nèi)的位置是Xj = Xj1 + R cos七，i = 1，2，103.2在實(shí)際應(yīng)用中，要求中子穿透屏蔽層的概率要小于人體所接受的范圍以 免對人體造成危害，此問題的模型大致和問題一的差不多一樣，也是建立蒙特卡 羅模型，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)試驗(yàn)方法和MC模型下求解。在問題一的模型下，求解 問題二的最小解即多厚的屏蔽層才能使它被穿出的概率小于10 -8。3.3本題是提建議，主要是運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)搜集大量的資料，結(jié)合自己的解題思路、 求解過程，給本題提供合理的建議，并加上自己的想法。如何才能使日

7、本福島核 輻射對人類、環(huán)境產(chǎn)生的危害降到最小，時(shí)間降到最短。當(dāng)然，在理想狀態(tài)下是 希望做到這樣?；舅枷耄喊央S機(jī)事件(變量)的概率特征與數(shù)學(xué)分析的解聯(lián)系起來。四、模型的建立與求解4.1對實(shí)驗(yàn)?zāi)M次數(shù)確定的模型用事件A出現(xiàn)的頻率設(shè)為概率p的估計(jì)：p =今。n試驗(yàn)次數(shù)n多大時(shí)，對設(shè)定的可信度1-。(0 a 1),估計(jì)精確度設(shè)為。即使p p - p I 3= p婦-p ! 1 - a成立即可。設(shè)事件A出現(xiàn)的頻率p的估計(jì)p =七n次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)中A出現(xiàn)的次數(shù)k廣B偵p)，有中心極限定理可知 p p - p I s= pnx(p- k nx(p + TOC o 1-5 h z ns k - np 1 - a

8、vnp (1 - p )由查表可知正態(tài)分布的臨界值乙，可得n = P- P)z2 as 2 a假設(shè)屏蔽層d = 3d時(shí)，在大數(shù)定理的意義下，中子穿透屏蔽層概率模型從物理的角度來講，本題主要考慮穿透的種子個(gè)數(shù)，并且怎樣才能使它降到 最少從解題的角度分析，要想解決本題，首先、應(yīng)建立蒙特卡羅模型，求解中子 在屏蔽層中游動(dòng)所出現(xiàn)的三種狀態(tài)（即各種狀態(tài)出現(xiàn)的概率）。由于中子在屏蔽層中水平游動(dòng)的位移是典型的蒙特卡羅模型，并且一般的中 子在屏蔽層中游動(dòng)的水平位移都是指數(shù)分布，所以我們假設(shè)中子在屏蔽層中的隨 機(jī)游動(dòng)的水平位移服從指數(shù)分布。然后根據(jù)隨機(jī)模擬的數(shù)據(jù)。利用6SQ統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行卡方擬合優(yōu)度檢驗(yàn)得到如下結(jié)

9、果（見表4.1）返回反應(yīng)堆在屏蔽層中被吸收假設(shè)檢驗(yàn)假設(shè)檢驗(yàn)零假設(shè)服從指數(shù)分布零假設(shè)服從指數(shù)分布自由度3自由度4卡方統(tǒng)計(jì)量1.2卡方統(tǒng)計(jì)量1.6P值0.3P值0.5顯著水平0.1顯著水平0.1結(jié)果接受零假設(shè)結(jié)果接受零假設(shè)穿透屏蔽層假設(shè)檢驗(yàn)零假設(shè)服從指數(shù)分布自由度2卡方統(tǒng)計(jì)量1.0P值0.3顯著水平0.1結(jié)果接受零假設(shè)由上表可知，假設(shè)檢驗(yàn)的結(jié)果成立；每兩次碰撞之間的水平位移服從指數(shù)分布。如圖所示模擬（中子在屏蔽層中游動(dòng)的三種狀態(tài)）（見圖4.2）。為了計(jì)算每種狀態(tài)的概率，在計(jì)算機(jī)上對中子在屏蔽層內(nèi)的游動(dòng)過程進(jìn)行模擬。設(shè)中子在初次進(jìn)入屏蔽層第一次碰撞前游動(dòng)的水平距離為X,，發(fā)生碰撞后 的方向不確定，不

10、妨設(shè)碰撞后的方向與水平方向的夾角為.，又因?yàn)榍昂髢纱沃?子在屏蔽層中游動(dòng)的水平距離服從指數(shù)分布。日本核泄漏事件核危機(jī)善后處理工作建意2011年3月日本福島第一核電站因?yàn)?.11大地震引起核電站爆炸危機(jī)，核 電站的突發(fā)事件引起爆炸給日本大氣層、海洋帶來嚴(yán)重的核污染，并且核污染 進(jìn)一步擴(kuò)散到日本全國境內(nèi)以及周邊國家，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威 脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)大地震和海嘯造成直接經(jīng)濟(jì)損失16萬億至25萬億日元（約合1970 至3080億美元）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了 1995年阪神大地震是10億日元的損失。福島核電 站周邊的土地生怕在很長時(shí)間內(nèi)都沒有辦法使用，對于人與環(huán)境造成影響的俄羅 斯科學(xué)家亞布羅科夫博士的話

11、說，因福島核電站使用的汽油比切爾諾貝利核電站 多，而且有反應(yīng)堆使用了含有高毒性的钚的汽油，因此“福島核電站變亂有可能 會比切爾諾貝利帶來更嚴(yán)重的后果”。因此核泄漏事件善后處理工作及其重要。首先從中子與屏蔽層之間的關(guān)系來說，由于中子在反應(yīng)堆進(jìn)入屏蔽層和屏蔽 層有三種關(guān)系，即返回反應(yīng)堆，在屏蔽層里被吸收，穿出屏蔽層。為了減少也就 是減少中子穿透屏蔽層的概率，保證屏蔽層盡可能多的吸收或者讓中子返回反應(yīng) 堆。這就要從增加屏蔽層的厚度來說了。上述計(jì)算當(dāng)屏蔽層厚度約為30時(shí)， 屏蔽層被穿透的概率小于10-6，即輻射出來的中子對外界起不到太大的作用。核 反應(yīng)時(shí)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度很快，大約每秒可產(chǎn)生1

12、千代中子，如果不 加以控制，在極端的時(shí)間內(nèi)釋放出巨大的能量U爆炸，這就是原子彈。因此控制 調(diào)節(jié)系統(tǒng)反應(yīng)堆是關(guān)鍵的部分，用它來控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，調(diào)節(jié)反應(yīng)堆的功率， 使反應(yīng)堆開始或停止工作等。調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要是吸收中子很強(qiáng)的物質(zhì)鎘或硼制成的 控制棒和相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。當(dāng)反應(yīng)強(qiáng)烈時(shí)，反應(yīng)堆中的控制棒將插入的 深一些，使被吸收的中子增多，因而鏈?zhǔn)椒磻?yīng)減慢；反之將控制棒從活性區(qū)向外 拉出一些，反應(yīng)速度將加快。另外地震發(fā)生后，多個(gè)反應(yīng)堆溫度過高，加之多個(gè) 冷卻系統(tǒng)全部失靈，進(jìn)而造成燃料棒融化，除了注入海水來降低反應(yīng)堆的溫度， 也應(yīng)通過海水等一定途徑來降低燃料棒的溫度。核泄漏事件，主要也就是輻射問題。因

13、此防輻射就是善后處理的最主要問題。 輻射線主要有三種射線，分別是a、p 、y射線，其中前兩種射線分別是氦核 和電子，對人體影響不大，除非放射源進(jìn)入人體內(nèi)，后一種穿透能力強(qiáng)，因此要 做好大量的防護(hù)措施，主要針對遮蔽放射線，遠(yuǎn)離放射線源，減少與核輻射接觸 時(shí)間三個(gè)方面來分析。遠(yuǎn)離放射源方面，例如在處理一個(gè)廢棄、無主的放射源時(shí)，應(yīng)盡可能用長柄 操作工具，有條件時(shí)利用機(jī)器人遙控處理放射源。除非有必要，非執(zhí)勤人員應(yīng)遠(yuǎn) 離放射源和不進(jìn)入放射性污染區(qū)。另外應(yīng)盡可能減少與核輻射接觸時(shí)間，因此應(yīng) 加緊對核輻射處理人員的訓(xùn)練，以此來縮短時(shí)間，以及不必要的損失。有效利用 屏蔽物削弱放射線的強(qiáng)度，躲進(jìn)含鉛的防護(hù)層里是

14、最好的方法。對于a粒子的輻射，由于強(qiáng)度不大，主要從防止吸收被污染的空氣和被污染 的食物，這就需要日本政府做好對放射線檢測的工作。對于P射線，由于它比前 者射線稍強(qiáng)，會引起組織表層的損傷，因此它除了前者射線的防護(hù)措施外，還要 避免皮膚損傷以及直接接觸放射性物品等問題，有必要時(shí)還要采取一定的屏蔽措 施。對于Y射線，由于其穿透能力較強(qiáng)，故應(yīng)從遮蔽放射性，遠(yuǎn)離放射源和減少 與輻射接觸時(shí)間三個(gè)方面來講。主要屏蔽物主要是含鉛，水泥，鋼筋混凝土，水 等。對于群眾方面，如果疏散人群時(shí)要求民眾躲進(jìn)屋內(nèi)，那么就應(yīng)該關(guān)緊門窗以 此來遮蔽放射線，這就是采取一定的屏蔽措施，躲進(jìn)樓房，因?yàn)闃欠坑摄U，水等 組成，對于放射線

15、起到一定的阻擋作用。另外在日本核電站周圍檢測到的放射性 物質(zhì)包括碘131。其中，碘131 一旦被人體吸入，可能會引發(fā)甲狀腺疾病。政府 部門應(yīng)向核電站附近居民發(fā)放防止碘131輻射的藥物碘片。但由于碘片有一 定的副作用，服用時(shí)應(yīng)定量服用。又由于核物質(zhì)產(chǎn)生的射線作用于人體（核輻射）， 會使機(jī)體大分子發(fā)生畸變，甚至激發(fā)體內(nèi)水分子產(chǎn)生自由基，繼而損傷生物分子， 導(dǎo)致放射病。為此，政府相關(guān)部門應(yīng)發(fā)放相關(guān)的抗輻射食品，其中包括高蛋白， 多維生素，適度脂肪，營養(yǎng)全面，數(shù)量充足。能量供給要充足，以此來提高人體 對核輻射的耐受力，降低敏感性，減輕損傷，保護(hù)機(jī)體。除了這些還要定期對周圍進(jìn)行輻射檢測以評價(jià)輻射對人員可

16、能導(dǎo)致的危害。 制定干預(yù)水平，行動(dòng)水平和應(yīng)急照射水平。凡達(dá)到或超過這些水平時(shí)，應(yīng)采取相 應(yīng)的干預(yù)和防護(hù)措施，以減少人們的受照劑量。對人員采取防護(hù)措施，包括隱蔽 和服用穩(wěn)定性碘，撤離，個(gè)人防護(hù)，控制進(jìn)出口通路，臨時(shí)避遷，消除放射性污 染源，以及對食品食用進(jìn)行干預(yù)等。對傷員盡心必要的醫(yī)學(xué)處理，依據(jù)其傷情安 排在不同水平的醫(yī)療單位分級處理，確保傷員盡可能快的康復(fù)。但對于受輻射嚴(yán) 重的人員，應(yīng)采取隔離等防護(hù)措施，如果不幸，醫(yī)救無效，掩埋后應(yīng)用鉛制防護(hù) 層進(jìn)行隔離。當(dāng)然關(guān)于核泄漏實(shí)件，我們只有加大防護(hù)力度才能減少一些不必要的損失， 對于善后處理工作也要靠全體公民共同努力才能渡過難關(guān)。設(shè)計(jì)屏蔽層的厚度為：X = mD將屏蔽層視為m層厚度均為D的平行板。由于碰撞的能量損失，中子穿過屏蔽層的平均速度會逐層下降。設(shè)WD是中 子穿過厚度為D屏蔽層的概率，則穿過整個(gè)屏蔽層的概率W滿足W Wm利用模擬結(jié)果：當(dāng) D = 3d , WD * 0.25 ,令(WD) 106 得：miog10=6 9 9 6 7log 40.