大気拡散データベース計算手法の開発

-様々な条件に対する詳細な大気拡散予測結果を即座に取得できるデータベースシステムにより原子力防災計画の具体化・充実化の検討に貢献-

放射性物質が大気中を拡散する様子を予測するシステムであるWSPEEDIの計算手法を改良し、様々な気象条件に対する詳細な拡散計算結果を即座に取得し原子力防災計画の検討に利用できるデータベースシステムを開発しました。
WSPEEDIは、これまでに、東京電力(株)福島第一原子力発電所事故に対する拡散解析や北朝鮮による地下核実験時の拡散予測等の多くの応用実績があり、地形の影響や気象条件を詳細に考慮した拡散計算結果が被ばく線量評価やモニタリング計画の策定に活用されてきました。今回、これらの応用経験に基づきWSPEEDIの計算手法を改良しました。そして、毎日の定時に発せられる気象条件をもとに自動予測計算することにより、多数の拡散計算結果を長期間連続的に蓄積することで、様々な気象条件に対する詳細な拡散計算結果を即座(従来計算の30分の1の時間)に取得して利用できるデータベースシステムを開発しました。
このシステムから取得できる様々な条件に対する拡散計算結果は、原子力事故時に想定すべき大気拡散事象の把握、モニタリング計画の最適化等の事前計画の立案に利用が期待されます。

【研究開発の背景と目的】
原子力機構では、原子力事故時に迅速に放射性物質の大気拡散予測情報を提供する国の緊急時対応システムであったSPEEDIに引き続き、計算範囲を拡大するとともに、高度な気象及び拡散計算モデルを用いることで予測性能を向上した世界版緊急時環境線量情報予測システムWSPEEDIの開発と応用研究を行ってきました。
2011年3月11日に発生した東日本大震災に起因する福島第一原子力発電所事故に対しては、SPEEDIの予測範囲を超える広域についてWSPEEDIを用いた大気拡散予測結果を原子力安全委員会に提供するとともに、大気拡散計算と環境モニタリングを組合せることで、放出量の推定や大気拡散と環境汚染形成過程の解析を行ってきました。この解析において、WSPEEDIによる地形の効果や気象条件を詳細に考慮した拡散計算は、航空機モニタリングで測定された放射性核種の沈着量分布を良好に再現し、高い予測精度を示しました(大気拡散シミュレーション動画)。そして、この拡散計算結果は、環境省の「放射線の健康影響に係る研究調査事業」において、実測データによる評価が困難な事故初期段階における内部被ばく線量評価に活用されています。
また、北朝鮮による地下核実験(2009年5月、2013年2月、2016年9月、2017年9月)が実施された際には、原子力規制委員会と防衛省が行う高空の大気浮遊じん等の採取・測定を実施するための参考情報としてWSPEEDIによる大気拡散予測情報を提供してきました(原子力規制委員会ホームページ)。この対応においては、毎日の定時に発せられる気象条件をもとに自動予測計算を行い、あらかじめ多数の拡散計算の結果を作成しておくことで、核実験実施時に即座に予測結果を提供しました。
一方、中央防災会議の防災基本計画における原子力防災に関する研究等の推進には、「国は、地域防災計画・避難計画に係る具体化・充実化に当たって地方公共団体が大気中放射性物質の拡散計算を活用する場合には、専門的・技術的観点から支援を行うものとする。」とされています。そのため、原子力機構として具体的な支援の内容を提案すべきと考え、上記の実事故等への対応で得られた知見に基づき、WSPEEDIによる様々な条件に対する詳細な大気拡散計算結果を効率的に提供することを目的に、手法の考案を行いました。

【研究開発内容と成果】
WSPEEDIで用いる高度な気象及び拡散予測モデルは従来のSPEEDIのモデルよりも計算時間を要するため、計算条件を設定してから予測結果を得るまでに時間を要し(3日先までの計算に数時間)、様々な条件の計算結果を比較検討するような利用は困難でした。そこで、様々な条件に対する詳細な大気拡散計算結果を即座に作成できるように、新たな拡散計算手法を開発しました。この計算手法では、原子力施設など放出点が定まっている場合に、放出条件のうち放出点以外の不確定情報である放射性核種、放出率、及び放出期間を特定することなく、単位放出条件(放出率、放出期間)の拡散計算を全計算期間に対して実施して計算結果を作成しておき、放出条件を設定するとその条件に基づく予測結果を単位放出条件の計算結果の線形結合により即座に得ることを可能としています。この計算手法の基本的な概念は従来から利用されてきたものですが、本研究では、この手法をさらに発展させ、以下の手順で計算を行います。

1)放出期間を一定の間隔で分割したそれぞれの期間について、単位放出条件(1時間で1ベクレル放出)による大気拡散を計算し、全ての放出期間ケースの結果(単位放出拡散データ)をデータベースとして保存します。
2)毎日の気象解析・予報データの更新に合わせて、上記大気拡散計算を定常的に実行し、単位放出拡散データを連続的に蓄積することにより、過去から数日先までの連続的なデータベースを整備します。
3)実際の放出条件が与えられた際には、分割期間ごとの放出条件を、単位放出拡散データに適用します。これによって得られる大気拡散計算結果を、全放出期間について合算することにより、任意の放出条件に対する大気拡散計算結果を作成します。

この計算手法で作成されるデータベースは、過去から数日先まで任意の解析期間を切り出し、任意の放出条件に対する大気拡散計算結果を即座に得ることを可能にしています。試験計算の結果、WSPEEDIを用いた通常の拡散計算の30分の1の時間で計算結果を得ることができました。さらに、この計算手法の実行と計算結果を取得するためのユーザーインターフェイスを整備し、毎日実行する計算結果を長期間連続的に蓄積することで、大気拡散予測データベースシステム(図1)を開発しました。

図 図1 新しい拡散計算手法を用いた大気拡散予測データベースシステム

【成果の活用方法】
今回新しく開発した大気拡散予測データベースシステムは、ネットワークを介してアクセスし、過去の気象条件に対する様々な仮想放出源情報による大気拡散計算結果を作成することができます(図2)。これにより、地方公共団体等が原子力防災計画・避難計画の具体化・充実化を検討するために、以下の大気拡散計算結果の活用方法が考えられます。

-気象や地形の影響による放射性プルームの移動に対する沈着量と空間線量率の分布との関係から、原子力事故時に想定すべき大気拡散事象を把握できます。
-モニタリングポスト設置地点とその周辺の計算値を比較することで、地形の特徴や気象条件との関連性を考慮した、より効率的なモニタリング方法について検討できます。
-過去の実際の気象場に対する想定事故シナリオに基づく拡散計算結果から、モニタリング地点の空間線量率の計算結果を出力し、事故時に想定される模擬モニタリングデータを作成して訓練に活用することで、緊急時におけるモニタリング実施の手順の確認や問題点の抽出を行うことができます。

図 図2 大気拡散予測データベースシステムを用いた解析の流れ

【今後の予定】
大気拡散状況は対象とする地域の地形や気象条件により大きく異なるため、地域の特性を考慮して大気拡散計算結果を活用する必要があります。そこで、日本各地の原子力施設に対して本成果を応用することで、様々な活用方法を検討する予定です。 さらに、システムの拡張としては、本計算手法と環境モニタリングで得られる実測値を組み合せて解析することにより、実測値を最も整合的に再現する放出条件を推定し、現実に即した放射性物質の時間空間分布を再構築することが可能となることに注目し、環境モニタリングの測定値からの逆解析により放出条件を推定する機能の開発を行う予定です。

【参考文献】
寺田宏明、都築克紀、門脇正尚、永井晴康、田中孝典:過去解析から短期予報まで任意の期間及び放出源情報に対する大気拡散計算結果を即座に提供可能な大気拡散データベース計算手法の開発、JAEA-Data/Code 2017-013.