Letters (Selected Paper)
Development of Trajectory Simulator for Radioactive Plumes
2015 Volume 14 Issue 3 Pages 74-76
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2015 Volume 14 Issue 3 Pages 74-76
Under nuclear power plant accident, by the ventilation of containment vessel, suspended particulate matter (SPM) is emitted; it attracts radioactive compounds, and the plume diffuses in air. It soaks into the human body. We are required to run away from the invisible plumes. The routes do not exist at any time. We recognize status soon, and should select priority persons to escape from there. We code a real-time plume tracer, which reads 4D-winds of Meso Scale Model (MSM), calculates time-development of plumes. The precision for reach time of plumes is 3–5 min, inner 8 km points from emission.
大気中のSPMは物質を輸送する．福島第一原発事故の放射性物質も主にSPM形態で拡散した．SPM大気塊の幾何的形状をGaussianと仮定し(Gaussian puffという)，放射性SPMの流形(Plume)の各Monitoring Post (MP)到達時刻を計算する．原発周辺のMPの消失記録の一部は修復された [1]．両者を比較して3月12日の事故初期の状況を推測する．
事故時に物質が粉塵となり飛散して周辺環境が危険になることがある．その状況を実時間で予測するシミュレータを開発する．
(1) MP計測の空間線量率から放射性plumeの半値幅を決定する．
(2) 移流方程式: ∂E/∂t = u (x,y,z,t)/cos (N), ∂N/∂t = v (x,y,z,t), ∂z/∂t = w (x,y,z,t), unit{E,N,z,t} = {rad,rad,m,s}からGaussianの跡G (E,N,z,t), dt = 20sを計算する．{u,v,w}はWeather Research and Forecasting model (WRF) [2]の風速である．本論文のmeshはlongitude (E), latitude (N), time (t)について幅0.009deg, 300sである．垂直方向のmeshは10,..120,210, …8000mである．時刻は2011年3月12日0:00∼23:59, JSTである．Mesh間は4D線形補間する．移流方程式は離散化し前進方向に2nd orderのRunge-Kutta法 [3]で解いた．
(3) 乱流タイプDを仮定し，第一原発からの距離から希釈係数を推測する．希釈係数表はInternational Atomic Energy Agency (IAEA)が公表している [4]．その表を初等関数化した．
x = Log10 (distance), 1≦distance [km] ≦15 として， y0 = 0.0595 exp(-1.514 x), x < 0.477121;y1 = 0.0553 exp(-1.267 x), 0.30103 < x; {y0, y1}の重複部は値を比例配分する．R2 = 0.98である．Gaussianの有効体積をfull width at half maximum (FWHM)から計算する．Gaussianの中心(時刻と値)をpeakとする．
以上，大気中のSPM塊の運動を移流と乱流拡散から計算する．
(4) SPM塊の初期条件を次のように推測する．
原発から北で最近接の20s間隔のdataが修復されたMPは(Futaba-) Koriyama (3.08 km, 345deg)である．20s間隔の(ambient) dose rate値(精度0.1nGy/h)のピークの形は鋭くGaussianではない．7 min間の移動平均をとり，自然対数変換(Ln)するとGaussian類似となる．本論文ではその2変換後のFWHMを計算した．放射性物質は降雨がなくとも沈着する(dry deposition)．そのときplume通過後のdose rateが大きく(非対称形状)になる．その場合はplume接近時の前半の時刻を1/4値とした．Koriyama MPには風速計(per 20 s)がある．FWHMからPlumeの直径を計算する．
Table 1からKoriyamaのplume-1の継続時間は3600s，その期間の平均風速0.40m/sである．Plume-1は3 puffから構成されているので1 puff径は500mである．3 kmの大気D状態の希釈係数は2.3 × 10−5である．1方向では0.028．ゆえに発生源でのpuff径は14mである．WRFのx,y方向の風のデータmesh間隔 (1 km) と比較すると過小である．有意なsimulationのためにx,y方向の精度を落として50 m (WRF meshの1/20)z方向を12.5 m (同1/7)t方向を20s (同1/15)とした．
| MP plume # | Start** | Peak (μGy/h) | Term** | Width of plumes |
| Koriyama, plume 1 | 4:35*, 4:50 | 4:41 (563),4:59 (1441), 5:33 (7491) | 5:49 | 3600-3660s3 puff continuous structure |
| Koriyama, plume 2 | 6:22 | 6:31 | 7:00 | 2260s, 2 puff |
| Koriyama, plume 3 | 8:17 | 8:25 | 8:37 | 1200s, 1 puff |
| Shinzan, plume 1 | 4:19 | 4:34 (550) | 4:53 | There are no digital data; we read SPM continuation timing from paper charts. The scale of the charts is logarithmic, and the precision is about 5 min. FWHM is estimated in logarithm. |
| Shinzan, plume 2 | 5:30 | 5:40 (92) | 5:50 | |
| Kiyobashi, plume 1 | 4:50 | 5:15 (> 103) | 5:40 | |
| Kiyobashi, plume 2 | 5:45 | 6:00 (75) | 6:20 | |
| Namie, plume 1 | 4:50 | 5:05 (210) | 5:20 |
* 1/4 value, ** FWHM, Date is March 12, 2011, JST. Japanese of MP are Koriyama, Shinzan, Kiyobashi, Namie.
| Calc. | Calc.* | Obs. | Attribution | SPM diam | Obs. Dose | emission | ||
| MP name | emit T | nearest T | detect T | distance | at MP■ | μGy/h | Height m | (dX,dY) m |
| Koriyama | 4:19 | 4:49 | 4:41∼59 | 24 m | 0.48 km | 563∼1441 | 87.5 | (−50,-150) |
| Shinzan | 4:20 | 4:44 | 4:34 | 690 m | 0.53 | 550 | 87.5 | (−100,-150) |
| KamiHadori | 4:20 | 4:49 | None | 3.0 km | 0.59 | disable | 87.5 | (−100,-150) |
| Kiyobashi | 4:20 | 5:16 | 5:15 | 57 m | 0.81 | > 103 | 100 | (0,-100) |
| Namie | 4:20 | 5:08 | 5:05 | 1.6 km | 0.78 | 210 | 112.5 | (−100,-150) |
* Nearest time of 1st plume. Emissions of 4:19∼20 move to north direction; the radiation is detected by 4 MPs, whose times are calculated reasonably. Long distance puff gives weak detection.
■ The calculation of the diameter of SPM is based on table E8 dilution factors [4]. However, the results give too dilute distribution. We are reconstructing diffusion expressions of the turbulence now, which is based on observations at KamiHadori MP (5.9 km WNW direction from nuclear power plant).
(Figure 1)
Logarithmic and rounded dose rate of 1st, 2nd plumes at Futaba-Koriyama MP (141.02437E, 37.44806N). Fukushima 1st nuclear power plant is (141.03361E, 37.421389N) in between 1st and 2nd reactors. The point is origin. Koriyama-MP is located 3.08 km, and the orientation angle is 345 degrees.
開発した放射性plume 軌跡のためのシミュレータはWindows PCで実時間運用ができる．計算精度は読み込む4次元の風に依存する．気象観測のMSM dataを同化したWRFの風を使用するとplume到着時刻の誤差は3 ∼5 minで実用になるレベルである．同様の研究は従来も成されている [5]，しかし福島原発事故では住民の避難などにそれが有効に利用されなかった．
事後の計算ではMSMの風が利用できるが現実では予測の風しか使用できない．類似した気圧配置の既存の風dataを引用することになると思われる，その場合，予測精度が低下する．今後はその評価も行いたい．
