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
原子力機構の活動報告Ⅱ「大気拡散プロセスの解析」
大気拡散プ セスの解析」
日本原子力研究開発機構
永 晴康 茅 政道 寺 宏
永井晴康、茅野政道、寺田宏明、
堅田元喜、中山浩成、太田雅和

原子力機構の大気拡散解析

2/16【WSPEEDI Ⅱによる大気拡散解析】【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：(http://www.jaea.go.jp/02/press2011/p11061302/index.html)

論文発表： G. Katata, et al., 2012: J. Environ. Radioactiv.
(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0265931X11002335)

 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(http://www.jaea.go.jp/jishin/kaisetsu03/kaisetsu03.htm)

 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(http://nsed.jaea.go.jp/fukushima/data/20110906.pdf)

 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(http://nsed.jaea.go.jp/ers/environment/envs/fukushima/index.htm)

WSPEEDI-Ⅱのモデル

3/16
地球規模
地理データ

気象庁地球規模
数値予報（GPV）

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
気流 乱れ 降雨 雲量等 気象変数の予測

MM5

広域狭域

３次元気象場
次元気象場

GEARN（原子力機構開発）

放出情報

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、大気中濃度 地表沈着量
被ばく線量の予測
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], 257-267 (2008).

GEARN

広域狭域

大気中濃度、地表沈着量、被ばく線量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（＋マップファクター、沈着、放射性崩壊を考慮）、沈着、放射性崩壊を考慮）∂C∂C∂C∂C ∂ ⎛ ∂C ⎞ ∂ ⎛ ∂C ⎞ ∂ ⎛∂C ⎞⎟⎟ + * ⎜ K z* * ⎟= −u−v− w* * + ⎜ K x⎟ + ⎜⎜ K y∂y ⎠ ∂z ⎝∂t∂x∂y∂z ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎝∂z ⎠■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,y,z：粒子位置[m]x = x + uΔt + R ,t + Δttxyt +Δt = yt + vΔt + Ry ,zt*+Δt = zt* + w*Δt + Rz*

横山(1992)u, v, w* ：風速[m/s]Δt：時間増分[s]Rx , y , z* ：拡散項[m]拡散項[ ]■ランダムウォーク法による拡散項 (Ahlstrom, 1977)
水平： Rx = Ry = 24Kh Δt (0.5 − R(0)),⎛ ∂K z* ⎞鉛直 Rz* = ⎜⎜ * ⎟⎟Δt + 24K z* Δt (0.5 − R(0))
鉛直：⎝ ∂z ⎠KhΔd RMS = σ h = 2 K h Δt を使用：水平拡散係数 [m2/s]

K z* ：鉛直拡散係数 [m2/s]
R (0) ：０から１までの一様乱数

5/16■乾性沈着dqn= −kvg qn
dt

q n ：n番目の粒子の放射能番目の粒子の放射能 [Bq][B ]v g ：乾性沈着速度 [m/s]
－ G.
G A.
A Sehmel,
Sehmel Atmos.
Atmos Environ.,
Environ 14,
14 983-1011
983 1011 (1980) に基づく
－ ヨウ素：3×10-3 m/s、セシウム：1×10-3 m/sに設定－ 森林への沈着の場合はそれぞれ5倍とした

zp ⎞2 ⎛⎜⎜ 1 −⎟⎟
k =Δz ⎝Δz ⎠：各粒子の寄与率（高度に依存）

z p ：粒子の地上高度（m）
鉛直最 層 厚さ
Δ z ：鉛直セル最下層の厚さ（m）

6/16■湿性沈着dqn= −Λqndt

q n ：ｎ番目の粒子の放射能 [Bq]
Λ ：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( x, y, z, t ) = α (γ con ⋅ Fcon + γ non ⋅ Fnon )βMM5の出力を

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： Fnon = 0
雲頂高度より上空のセル： Fcon = 0
Fcon = Fnon = 1
上記以外の場合
上記以外の場合：使用原発北西部の線量上昇解明：解析手法
数値予報データ
GPV（MSM）

MM5計算狭域
Domain 1

7/16

GEARN計算領域
Domain 2

Domaino a 2

気象デーータ同化修正
正気象場計算MM5

気象データ同化修正
Domain 3

気象場（風・雨）の再現性を確認
大気拡散計算GEARN
放出源情報修正

物理過程
積雲：Grell
雲物理：Shultz
境界層：Eta-PBL,

福島
第一
原発

Domain 3z気象データ同化（analysis/observation nudging）

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

アメダスの気象データ、
福島第福島第一・第二原発の風速・風向データ
第二原発の風速 風向デ タ
z空間解像度： 9 km (D1), 3 km (D2), 1 km (D3)z計算期間： 2011年3月14日 17時～3月17日 0時
z放出核種： 131I,
I 132Te (＋132I),
I) 134Cs,
Cs 137Cs
z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

原発北西部の線量上昇解明：線量上昇過程
降水量および131Iの鉛直積算濃度
時刻 (UTC)

8/16

空間線量率
時刻 (UTC)

mm h‐1

カラー面塗り： 降水量計算値
赤等値線：
地上から上空までの積算濃度 [Bq m‐2]

μGy h‐1

カラー面塗り： 空間線量率の計算結果○・数値：
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5021

福島第一原発における空間線量率

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

15日
午前○・数値: 測定値

0A B

6050

μGy h‐1

飯舘
402520Calc.

3/16 122:00

3/16 12:00

3/16 06:00

3/16 06
6:00

3/16 06:00

Calc.

3/17 00:00

Obs.
Obs.
Calc.

3/17 00
0:00

Obs.
Obs.
Calc.

3/17 00:00

15

3/16 18:00

Calc.

3/16 18
8:00

25

3/16 18:00

南相馬

3/16 12:00

3/16 00:00

0

3/16 00
0:00

5

3/16 00:00

10

3/15 18:00

15

3/15 18
8:00

川内

3/15 18:00

0

3/15 12:00

10

3/15 12
2:00

20

3/15 12:00

30

3/15 06:00

0

3/15 06
6:00

20

3/15 06:00

10

3/15 00:00

‐1

Obs.

3/15 00
0:00

10μGyμSvhh‐1
μ60

3/15 00:00

‐‐1

2015日
午後

‐1
μGyμSv hh30

‐1Obs.
Calc.

μG
Gy μSv
h‐1h

Obs.
Obs.
Calc.

3/17 00:00

3/16 18:00

Obs.
Obs.
Calc.

3/17 000:00

15

3/16 18:00

3/16 12:00

Calc.

3/17 00:00

Calc.

3/16 12:00

3/16 06:00

3/16 00:00

3/15 18:00

Calc.

3/16 18:00

3/16 006:00

3/16 000:00

3/15 18:00

福島

3/16 12:00

3/16 06:00

3/16 00:00

3/15 18:00

田村
3/15 12:00

3/15 06:00

郡山

3/15 12:00

20

3/15 12:00

25

3/15 00:00

μGy h‐1

μSv h‐140

3/15 006:00

‐1‐1
μGy
μSv h h50

3/15 06:00

33/15 000:00

43/15 00:00‐1‐1μGyμSv hh

大気放出量推定：空間線量率による推定結果
9/16

空間線量率 （3月16日 21時時点）
Obs.
Obs.
Calc.

1050

東日本域での降下量解析

10/16■計算領域：東西690㎞×南北960㎞×鉛直10㎞■空間分解能：3㎞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
観 デ
値を修正

１F

標高

■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月 日以降は 月 日の放出率が継続すると仮定

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

東日本域での降下量解析：降下量比較（統計値） 11/16
131I日降下量の散布図

137Cs日降下量の散布図
1.E+05

Daily fallout of Cs-137 (O bs.) [Bq/m2]

Daily fallo
out of I-131 (Obbs.) [Bq/m2]

1.E+06

1.E+05
1.E+04
1.E+03
1.E+02
1.E+01
1.E+00

1.E+04

1.E+03

1.E+02

1 E+01
1.E+01

1.E+00

1.E-01
1.E-01

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+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+041.E+05

Daily fallout of Cs-137 (Calc.) [Bq/m2]

Daily fallout of I-131 (Calc.) [Bq/m2]

Radionuclides

FA2 (%)

FA5 (%)

FA10 (%)

Correlation
coefficients

131I

22 4
22.4

48 7
48.7

65 8
65.8

0 75
0.75

137Cs

26.5

48.5

70.6

0.72

東日本域での降下量解析：日降下量・降雨分布１12/16
9 JST Mar. 12 - 9 JST Mar. 13 9 JST Mar. 14 – 9 JST Mar. 15 9 JST Mar. 15 – 9 JST Mar. 16
日降下量分布

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

東日本域での降下量解析：日降下量・降雨分布２13/16
9 JST Mar. 20 - 9 JST Mar. 21 9 JST Mar. 21 – 9 JST Mar. 22 9 JST Mar. 22 – 9 JST Mar. 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

東日本域での降下量解析： 137Cs沈着過程

14/16

文科省航空機モニタリングの137Cs沈着量

積算値：3月31日24時まで
積算値
月時

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

過大評価
過小評価

3月15-16日
湿性沈着

3月12日
月 日
乾性沈着
3月15日
乾性沈着

3月21日
湿性沈着

Bq m-2

東日本域での降下量解析： 137Cs沈着過程

15/16

137Cs沈着量分布（4月末まで）の特徴☆ Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (FNPP1)
C 沈着量分布（4月末まで）の特徴
5 JST March 12 – 0 JST May 1(a) Wet deposition
湿性沈着量分布(b) Dry deposition
乾性沈着量分布Bq m‐2(c)湿性沈着量/総沈着量
Ratio of Wet / Total deposition

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%

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 放出さ後に放出された高濃度プルームの湿性沈着で形成
高濃度
湿性沈着 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¾ 3月12日乾性沈着：
南相馬～女川原発周辺¾ 3月15日乾性沈着：
いわき市～茨城県北部¾ 3月15-16日湿性沈着：
原発北西部、福島県中通り、栃木県、群馬県¾ 3月20日湿性沈着：宮城県北部～岩手県南部¾ 3月21日湿性沈着：
3月21日湿性沈着茨城県南部 千葉県北西部
茨城県南部～千葉県北西部■137Cs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