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1 1/16 H24.3.6:JAEA 公開ワークショップ 福島第一原子力発電所事故による環境放出と拡散プロセスの再構築 原子力機構の活動報告 Ⅱ 大気拡散プロセスの解析 日本原子力研究開発機構永井晴康 茅野政道 寺田宏明 堅田元喜 中山浩成 太田雅和

2 原子力機構の大気拡散解析 WSPEEDI-Ⅱ による大気拡散解析 局地詳細計算によるプラント北西地域の線量上昇プロセスの解析 6 月 13 日プレス発表 : ( 論文発表 : G. Katata, et al., 2012: J. Environ. Radioactiv. ( 事故発生後 2 ヶ月間の日本全国の被ばく線量を暫定的に試算 6 月 15 日原子力機構 HP 技術解説 ( 東日本域の大気降下量の試算と推定放出量の確認 8 月 31 日厚労省プレス発表 9 月 6 日原子力機構 HP 技術解説 ( 放射性物質の拡散シミュレーションの動画 11 月 11 日原子力機構原子力基礎工学研究部門 HP に公開 ( 2/16

3 WSPEEDI-Ⅱ のモデル 3/16 MM5(PSU/NCAR 開発 ) 領域気象力学モデル - 雲 降水 大気放射等の各種物理過程を考慮 - 気流 乱れ 降雨 雲量等の気象気象変数の予測 GEARN( 原子力機構開発 ) ラグランジュ型粒子拡散モデル - 放射性核種の移流 拡散 沈着 崩壊を考慮 - 大気中濃度 地表沈着量 被ばく線量の予測 地球規模地理データ 広域 広域 MM5 3 次元気象場 放出情報 GEARN 気象庁地球規模数値予報 (GPV) 狭域 狭域 参考文献 : 寺田 他 : 緊急時環境線量情報予測システム ( 世界版 )WSPEEDI 第 2 版の開発, 日本原子力学会和文論文誌, 7[3], (2008). 大気中濃度 地表沈着量 被ばく線量

4 WSPEEDI-Ⅱ の大気拡散モデル :GEARN 4/16 座標系水平 : 地図投影面上での距離直交座標 (x, y) 鉛直 : 地形準拠座標 (z ) 移流拡散方程式 (+マップファクター 沈着 放射性崩壊を考慮 ) C t C C = u v w x y C z + K x x C x + K y y C y + z K ラグランジュ型輸送計算 : 多数の仮想粒子の位置を追跡, x = x + uδt + R x, y, z : 粒子位置 [m] t+δt t x yt t = yt + vδt + Ry, u, v, w : 風速 [m/s] +Δ Δt : 時間増分 [s] zt+δ t = zt + w Δt + R z R : 拡散項 [m] R x, y, z z C z 横山 (1992) ランダムウォーク法による拡散項 (Ahlstrom, 1977) 水平 : 鉛直 : R x R z = R y = K = z 24K h Δ t + Δt ( 0.5 R( 0) ) 24 K Δ t, ( 0.5 R ( 0 ) ) z t R z K h K z R (0) Δd = σ = 2K RMS h h Δt : 水平拡散係数 [m 2 /s] : 鉛直拡散係数 [m 2 /s] を使用 :0 から 1 までの一様乱数

5 乾性沈着 5/16 dq dt n = kv g q n q n v g q :n 番目の粒子の放射能 [Bq] : 乾性沈着速度 [m/s] - G. A. Sehmel, Atmos. Environ., 14, (1980) に基づく -ヨウ素: m/s セシウム: m/sに設定 - 森林への沈着の場合はそれぞれ5 倍とした k = 2 Δz 1 z p Δz : 各粒子の寄与率 ( 高度に依存 ) z p Δz : 粒子の地上高度 (m) : 鉛直セル最下層の厚さ (m)

6 湿性沈着 6/16 dq dt n = Λq n q n Λ :n 番目の粒子の放射能 [Bq] : 洗浄係数 [1/s] 洗浄係数 : H. D. Brenk and K. J. Vogt, Nuclear Safety, 22, (1981) に基づく Λ ( con con non non x, y, z, t) = α ( γ F + γ F ) α, β : 核種ごとに定められた定数 ( α =5 10-5, β =0.8) γ con, γ non : 対流性および非対流性降水の降水強度 [mm/h] Fnon および Fcon は各セルについての降水発生フラグであり 以下によって決定するセル内の雨水 + 雪 +あられの混合比の増加量が0: 雲頂高度より上空のセル : F con = 0 上記以外の場合 : F con F =1 = non β F non MM5の出力を使用 = 0

7 原発北西部の線量上昇解明 : 解析手法 7/16 気象デーータ同化修正 数値予報データ GPV(MSM) 気象場計算 MM5 気象場 ( 風 雨 ) の再現性を確認 気象データ同化修正 大気拡散計算 GEARN 放出源情報修正 空間線量率測定値の再現性を確認 放出量推定 + 大気拡散プロセスの再構築 MM5 計算狭域 Domain 1 Domain 2 Domain 3 物理過程積雲 :Grell 雲物理 :Shultz 境界層 :Eta-PBL, GEARN 計算領域 Domain 2 Domain 3 福島第一原発 気象データ同化 (analysis/observation nudging) アメダスの気象データ 福島第一 第二原発の風速 風向データ第二原発の風速風向デ 空間解像度 : 9 km (D1), 3 km (D2), 1 km (D3) 計算期間 : 2011 年 3 月 14 日 17 時 ~3 月 17 日 0 時 放出核種 : 131 I, 132 Te (+ 132 I), 134 Cs, 137 Cs 放出率 : Chino et al. (2011) の推定結果を基に 空間線量率測定値を再現するように調整

8 原発北西部の線量上昇解明 : 線量上昇過程 8/16 降水量および 131 I の鉛直積算濃度 時刻 (UTC) 空間線量率 時刻 (UTC) mm h 1 μgy h 1 カラー面塗り : 赤等値線 : 降水量計算値地上から上空までの積算濃度 [Bq m 2 ] カラー面塗り : 数値 : 空間線量率の計算結果空間線量率のモニタリング値 3 月 16 日以降 沈着物質からの線量の分布傾向を概ね再現した

9 大気放出量推定 : 空間線量率による推定結果 9/ 福島 Obs. Calc. Calc. Obs. 空間線量率 (3 月 16 日 21 時時点 ) 南相馬 Obs. Calc. Calc. Obs. μsv μgy h h 1 1 μgy μsv h 日午後 /15 00:00 3/15 06:00 3/15 12:00 3/15 18:00 3/16 00:00 3/16 06:00 3/16 12:00 3/16 18:00 3/17 00:00 3/15 00:00 3/15 06:00 3/15 12:00 3/15 18:00 3/16 00:00 3/16 06:00 3/16 12:00 3/16 18:00 3/17 00:00 μ 午後 郡山 Obs. Calc. Calc. Obs 飯舘 Obs. Calc. Calc. Obs. h 1 1 h 日午前 00:00 06:00 2:00 8:00 00:00 06:00 2:00 8:00 00:00 μgy μsv h /15 0 3/15 0 3/15 1 3/15 1 3/16 0 3/16 0 3/16 1 3/16 1 3/17 0 0:00 6:00 2:00 8:00 0:00 6:00 2:00 8:00 0:00 μgy μsv h 3 2 μgy μsv hh 1 1 3/ / / / / / / / / 田村 Obs. Calc. Calc. Obs μsv h 1 5 川内 Obs. Calc. Calc. Obs. μgy h 1 0 数値 : 測定値 μgy h 1 0 3/15 00:00 3/15 06:00 3/15 12:00 3/15 18:00 3/16 00:00 3/16 06:00 3/16 12:00 3/16 18:00 3/17 00:00 3/15 00:00 3/15 06:00 3/15 12:00 3/15 18:00 3/16 00:00 3/16 06:00 3/16 12:00 3/16 18:00 3/17 00:00 福島第一原発における空間線量率 A B 2 号機の圧力低下期間 A: 3 月 15 日 7~11 時期間 B: 3 月 15 日 13~15 時

10 東日本域での降下量解析 10/16 計算領域 : 東西 690 km 南北 960 km 鉛直 10 km 空間分解能 :3 kmメッシュ 局地解析 Domain 3 計算期間 :2011 年 3 月 12 日 5 時 ~4 月 30 日 24 時 気象予測の初期 境界条件 気象庁数値予報格子点値 GPV(MSM):3h 間隔 気象庁アメダス 福島第一原発(1F) 及び第二原発における観測データの同化により予測値を修正 放出率 Chino et al.(2011) 及び原子力機構が8 月 22 日の原子力安全委員会で報告した推定値 (3 月 21 日及び30 日については さらに補正 ) 4 月 6 日以降は4 月 5 日の放出率が継続すると仮定 1F 標高 広域拡散計算と降下量測定値との比較による推定放出率の妥当性確認

11 東日本域での降下量解析 : 降下量比較 ( 統計値 ) 11/ I 日降下量の散布図 137 Cs 日降下量の散布図 1.E+06 1.E+05 Daily fallo out of I-131 (Ob bs.) [Bq/m2] 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 bs.) [Bq/m2] t of Cs-137 (O Daily fallou 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1E+01 1.E+01 1.E+00 1.E-01 1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E-01 1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 Daily fallout of I-131 (Calc.) [Bq/m2] Daily fallout of Cs-137 (Calc.) [Bq/m2] Radionuclides FA2 (%) FA5 (%) FA10 (%) Correlation coefficients 131 I Cs

12 東日本域での降下量解析 : 日降下量 降雨分布 1 12/16 日降下量分布 9JSTMar.12-9JSTMar.13 9JSTMar.14 9JSTMar.15 9JSTMar.15 9JSTMar.16 3/15 日降水量分布図中の数値は気象官署の日降水量観測値

13 東日本域での降下量解析 : 日降下量 降雨分布 2 13/16 9JSTMar.20-9JSTMar.21 9JSTMar.21 9JSTMar.22 9JSTMar.22 9JSTMar.23 日降下量分布図中の数値は文部科学省の環境放射能水準調査結果 ( 定時降下物 ) 3/20 3/21 日降水量分布図中の数値は気象官署の日降水量観測値

14 東日本域での降下量解析 : 137 Cs 沈着過程 14/16 積算値 :3 月 31 日 24 時まで文科省航空機モニタリングの 137 Cs 沈着量 環境放射能水準調査 ( 月間降下物 ) との比較 3 月 20 日湿性沈着 過小評価 過大評価 3 月 日湿性沈着 3 月 12 日乾性沈着 3 月 15 日乾性沈着 3 月 21 日湿性沈着 Bq m -2

15 東日本域での降下量解析 : 137 Cs 沈着過程 15/ Cs 沈着量分布 (4 月末まで ) の特徴 Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (FNPP1) 5 JST March 12 0 JST May 1 湿性沈着量分布 (a) Wet deposition 乾性沈着量分布 (b) Dry deposition (c) 湿性沈着量 Ratio of Wet / / Total 総沈着量 deposition Bq m 2 Bq m 2 沈着場所陸上海上計算領域外 総放出量に対する割合 37% 21% 42%

16 大気拡散解析のまとめ 16/16 解析結果 福島県中通りの線量上昇とサイト北西方向の高線量地帯は 3 月 15 日午前と午後に放出された高濃度プルームの湿性沈着で形成 放出点周辺のダストサンプリングデータや空間線量率から推定した放出率の妥当性を広域の降下量測定値と拡散解析結果の比較により確認 東日本域での降下量 線量分布の形成過程を特定 3 月 12 日乾性沈着 : 南相馬 ~ 女川原発周辺 3 月 15 日乾性沈着 : いわき市 ~ 茨城県北部 3 月 日湿性沈着 : 原発北西部 福島県中通り 栃木県 群馬県 3 月 20 日湿性沈着 : 宮城県北部 ~ 岩手県南部 3 月 21 日湿性沈着 : 茨城県南部 ~ 千葉県北西部 137 Cs 沈着割合 : 陸上 37% 海上 21% 計算領域外 ( 大部分は太平洋 )42% 今後の課題 気象 拡散モデル 沈着過程の改良による 沈着量計算の過大評価と過小評価の改善と高精度な大気拡散過程の再構築

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