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Validation and verification of the Atmospheric Radionuclide Transport Model (ARTM)
Validation and verification of the Atmospheric Radionuclide Transport Model (ARTM)
Aufgrund der Tatsache, dass die Immissionen radioaktiver Nuklide, resultierend aus den Freisetzungen kerntechnischer Anlagen in Deutschland, im Vergleich zum natürlich vorkommenden radioaktiven Untergrund zu gering sind, um effizient in der Umgebung der Anlagen gemessen werden zu können, ist das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) zum Schutz der Bevölkerung dazu angehalten, deren Ausbreitung zu simulieren und die maximale Personendosis zu berechnen. Während seit den 1970er Jahren Gauß-Fahnenmodelle in Gebrauch waren, hat die Entwicklung immer neuerer und schnellerer Rechenmaschinen Anreize zur Entwicklung des realistischeren Lagrange-Teilchenmodell gesetzt, welche in naher Zukunft für behördliche Zwecke zur Bewertung der Strahlenexposition durch radioaktive Emissionen zum Einsatz kommen sollen. Eines dieser Lagrange-Teilchenmodelle – entwickelt für Langzeitausbreitungen – ist das Atmosphärische-Radionuklid-Transport-Modell (ARTM). In dieser Arbeit wird ARTM anhand realer und fiktiver Szenarien, in welchen das Programmverhalten und seine Simulationsergebnisse untersucht werden, verifiziert und validiert. Eine intensive Sensitivitätsanalyse einiger ausgewählter Modelleingabeparameter und deren Auswirkung auf die Ergebnisse wurde durchgeführt, um die programminternen mathematischen Algorithmen zu verifizieren. ARTM wurde auch zur Validierung und zur Evaluierung der Simulationsergebnisse auf zwei Szenarien angewendet, bei denen Immissionsmessdaten vorhanden waren. Diese Untersuchungen – zuzüglich eines Vergleichs mit dem Kurzzeitausbreitungsmodell LASAIR (Lagrange-Simulation der Ausbreitung und Inhalation von Radionukliden) – zeigen den Anwendungsbereich von ARTM auf und wo noch weitere Entwicklungen nötig sind., Due to the fact that the immissions resulting from the release of radioactive nuclides from nuclear facilities in Germany are too small in comparison to the natural radioactive background to be efficiently measured in their vicinity, the German Federal Office for Radiation Protection (BfS) is obliged to simulate their distribution and calculate the maximum dose rates in order to protect the population. While since the 1970’s Gaussian plume models have been in use, the advent of fast modern computing machines has triggered the development towards the more realistic Lagrangian particle models which shall be used for regulatory purposes in order to assess the radiation exposure from radioactive emissions in the near future. One of these Lagrangian models, developed for simulating long-term emissions, is the Atmospheric Radionuclide Transport Model (ARTM). In this work, ARTM is verified and validated for several real and fictive scenarios, in which both the behaviour of the programme and its simulation results are studied. An intensive sensitivity study on a selection of model input parameters and their effect on results is performed in order to verify the programme-internal mathematical algorithms. ARTM is also applied to two scenarios where measurement data were available in order to validate and evaluate the simulation results. These studies, plus a comparison with the short-term model LASAIR (Lagrange Simulation of Dispersion and Inhalation of Radionuclides), demonstrate the range of usability for ARTM and where further development is needed.
atmospheric dispersion simulation, Lagrange Particle model, emission of radionuclides, ARTM, LASAIR
Hettrich, Sebastian
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Hettrich, Sebastian (2017): Validation and verification of the Atmospheric Radionuclide Transport Model (ARTM). Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Aufgrund der Tatsache, dass die Immissionen radioaktiver Nuklide, resultierend aus den Freisetzungen kerntechnischer Anlagen in Deutschland, im Vergleich zum natürlich vorkommenden radioaktiven Untergrund zu gering sind, um effizient in der Umgebung der Anlagen gemessen werden zu können, ist das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) zum Schutz der Bevölkerung dazu angehalten, deren Ausbreitung zu simulieren und die maximale Personendosis zu berechnen. Während seit den 1970er Jahren Gauß-Fahnenmodelle in Gebrauch waren, hat die Entwicklung immer neuerer und schnellerer Rechenmaschinen Anreize zur Entwicklung des realistischeren Lagrange-Teilchenmodell gesetzt, welche in naher Zukunft für behördliche Zwecke zur Bewertung der Strahlenexposition durch radioaktive Emissionen zum Einsatz kommen sollen. Eines dieser Lagrange-Teilchenmodelle – entwickelt für Langzeitausbreitungen – ist das Atmosphärische-Radionuklid-Transport-Modell (ARTM). In dieser Arbeit wird ARTM anhand realer und fiktiver Szenarien, in welchen das Programmverhalten und seine Simulationsergebnisse untersucht werden, verifiziert und validiert. Eine intensive Sensitivitätsanalyse einiger ausgewählter Modelleingabeparameter und deren Auswirkung auf die Ergebnisse wurde durchgeführt, um die programminternen mathematischen Algorithmen zu verifizieren. ARTM wurde auch zur Validierung und zur Evaluierung der Simulationsergebnisse auf zwei Szenarien angewendet, bei denen Immissionsmessdaten vorhanden waren. Diese Untersuchungen – zuzüglich eines Vergleichs mit dem Kurzzeitausbreitungsmodell LASAIR (Lagrange-Simulation der Ausbreitung und Inhalation von Radionukliden) – zeigen den Anwendungsbereich von ARTM auf und wo noch weitere Entwicklungen nötig sind.

Abstract

Due to the fact that the immissions resulting from the release of radioactive nuclides from nuclear facilities in Germany are too small in comparison to the natural radioactive background to be efficiently measured in their vicinity, the German Federal Office for Radiation Protection (BfS) is obliged to simulate their distribution and calculate the maximum dose rates in order to protect the population. While since the 1970’s Gaussian plume models have been in use, the advent of fast modern computing machines has triggered the development towards the more realistic Lagrangian particle models which shall be used for regulatory purposes in order to assess the radiation exposure from radioactive emissions in the near future. One of these Lagrangian models, developed for simulating long-term emissions, is the Atmospheric Radionuclide Transport Model (ARTM). In this work, ARTM is verified and validated for several real and fictive scenarios, in which both the behaviour of the programme and its simulation results are studied. An intensive sensitivity study on a selection of model input parameters and their effect on results is performed in order to verify the programme-internal mathematical algorithms. ARTM is also applied to two scenarios where measurement data were available in order to validate and evaluate the simulation results. These studies, plus a comparison with the short-term model LASAIR (Lagrange Simulation of Dispersion and Inhalation of Radionuclides), demonstrate the range of usability for ARTM and where further development is needed.