核事故應(yīng)急情況下快速確定輻射劑量率場(chǎng)的方法及其應(yīng)用

仲崇軍，茍全錄，張鵬飛，李 冰

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

核事故應(yīng)急情況下快速確定輻射劑量率場(chǎng)的方法及其應(yīng)用

仲崇軍，茍全錄，張鵬飛，李 冰

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

介紹并分析了在核事故應(yīng)急情況下，應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)和事故后果評(píng)價(jià)兩種確定輻射劑量率場(chǎng)的方法及存在的不足，根據(jù)估算照射率場(chǎng)分布的方法引出快速估算輻射劑量率場(chǎng)的計(jì)算方法，并對(duì)其在事故應(yīng)急和演習(xí)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

核事故；輻射；應(yīng)急；劑量率場(chǎng)

在核事故應(yīng)急情況下及時(shí)掌握輻射劑量率的分布情況有利于及時(shí)、正確地決策防護(hù)行動(dòng)。在放射性釋放期間，主要是根據(jù)γ劑量率值對(duì)照操作干預(yù)水平[1-2]確定或調(diào)整防護(hù)行動(dòng)。目前獲取γ劑量率分布的方法主要為通過(guò)大面積環(huán)境輻射巡測(cè)或事故后果評(píng)價(jià)軟件計(jì)算方法。但是在事故早期，由于時(shí)間和人力等限制，不可能在短期內(nèi)組織大量的監(jiān)測(cè)隊(duì)伍在大面積的污染區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)；同時(shí)由于惡劣天氣等外部條件的限制，甚至無(wú)法開(kāi)展輻射巡測(cè)工作。而事故后果評(píng)價(jià)軟件的誤差又很大，且目前開(kāi)發(fā)的事故后果評(píng)價(jià)軟件無(wú)法根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射劑量率場(chǎng)的重新評(píng)估。本文提供一種快速估算輻射劑量率場(chǎng)的方法，方便在事故應(yīng)急時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)輻射劑量率數(shù)據(jù)估算輻射劑量率場(chǎng)，同時(shí)也可以利用這種方法在演習(xí)中設(shè)計(jì)輻射劑量率場(chǎng)，便于真實(shí)模擬事故輻射情景，從而達(dá)到鍛煉應(yīng)急隊(duì)伍的目的。

1 目前核電廠確定輻射劑量率場(chǎng)的一般方法及存在的不足

根據(jù)核電廠制定的核事故應(yīng)急計(jì)劃和相關(guān)程序，嚴(yán)重核事故發(fā)生以后，一般情況下核電廠將首先根據(jù)事故工況確定防護(hù)行動(dòng)，同時(shí)開(kāi)展場(chǎng)區(qū)及場(chǎng)外環(huán)境（一般指5 km以內(nèi)區(qū)域）輻射監(jiān)測(cè)工作，以便為預(yù)估輻射劑量率場(chǎng)和調(diào)整或結(jié)束防護(hù)行動(dòng)提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。事故早期主要監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括γ劑量率巡測(cè)、地面沉積巡測(cè)、空氣取樣分析等。其中對(duì)于早期防護(hù)行動(dòng)決策有重要實(shí)效性的測(cè)量主要是γ劑量率巡測(cè)。

這種方法要求組織巡測(cè)隊(duì)伍在較大的范圍開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作，同時(shí)利用已建立的固定輻射監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并將這些得到的測(cè)量值記錄在表格中或標(biāo)繪在地圖上，由環(huán)境輻射分析人員根據(jù)這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并參照地理與氣象等信息綜合分析得出輻射劑量率分布情況。一般情況下至少有兩支巡測(cè)隊(duì)伍，在場(chǎng)區(qū)和場(chǎng)外同時(shí)開(kāi)展巡測(cè)工作，測(cè)量的重點(diǎn)區(qū)域是下風(fēng)向5 km以內(nèi)的區(qū)域。根據(jù)事故類型、序列和規(guī)模、釋放源項(xiàng)以及響應(yīng)時(shí)可能出現(xiàn)的特殊環(huán)境條件，這種方法將提供精確的數(shù)據(jù)。但是為得到這些數(shù)據(jù)需要數(shù)支放射性測(cè)量隊(duì)伍同時(shí)開(kāi)展測(cè)量工作，并經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的大面積測(cè)量，同時(shí)配備精確的測(cè)量?jī)x表和通過(guò)培訓(xùn)并取得資質(zhì)的測(cè)量人員，而且應(yīng)急監(jiān)測(cè)常常是時(shí)間緊、任務(wù)重和情況不明或情況多變，因此在設(shè)備的響應(yīng)速度、測(cè)量?jī)?nèi)容、測(cè)量量程、環(huán)境條件等方面都可能出現(xiàn)與正常情況不同的要求，也可能在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)響應(yīng)資源嚴(yán)重超負(fù)荷的情況。同時(shí)由于惡劣天氣等外部條件等的限制，甚至無(wú)法開(kāi)展輻射巡測(cè)工作。這顯然不利于事故早期對(duì)防護(hù)行動(dòng)的決策及優(yōu)化調(diào)整。

事故后果評(píng)價(jià)軟件可以在發(fā)生核事故時(shí)對(duì)釋放或可能釋放到環(huán)境中的放射性物質(zhì)所造成的后果進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。但事故后果評(píng)價(jià)軟件是基于已分析過(guò)的事故源項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算，與實(shí)際情況有很大的誤差，因?yàn)槭鹿使r，如管道破口尺寸、安全設(shè)施投用情況、屏障完整性等方面都會(huì)影響釋放的源項(xiàng)，因此很難準(zhǔn)確利用已分析過(guò)的源項(xiàng)來(lái)確定實(shí)際的輻射劑量率場(chǎng)，即使是相似的工況，計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際也可能有很大的差異；而且目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的事故后果評(píng)價(jià)軟件基本無(wú)法根據(jù)實(shí)測(cè)的γ劑量率數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射劑量率場(chǎng)的重新評(píng)估。因此這種方法也不能有效地確定輻射劑量率場(chǎng)。

2 快速估算輻射劑量率場(chǎng)的方法

基于以上兩種確定輻射劑量率場(chǎng)方法存在的問(wèn)題，較合適的補(bǔ)救辦法就是根據(jù)得到的一定位置上的環(huán)境輻射劑量率估算整個(gè)地區(qū)的輻射劑量率分布，以便及時(shí)確定或調(diào)整防護(hù)行動(dòng)。但是目前沒(méi)有明確的輻射劑量率估算方法，一般假設(shè)與距離平方成反比。為了在這個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上建立一種較為準(zhǔn)確的輻射劑量率場(chǎng)估算方法，我們參照了美國(guó)環(huán)保局“Manual of Protective Action for Nuclear Incident”[3]中推薦的確定照射率分布的方法。即根據(jù)在地面高度的放射性煙羽軸線上測(cè)量一些離釋放點(diǎn)已知距離處的照射率，且通過(guò)假設(shè)煙羽軸線照射率與釋放點(diǎn)的距離成反比，應(yīng)用這些數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算其他選定的下風(fēng)向距離上的照射率。計(jì)算公式具體如下:

式中， D1——在距離 R1處測(cè)量的照射率（煙羽軸線上）；

D2——在距離 R2處測(cè)量的照射率（煙羽軸線上）；

x——距離函數(shù)的擴(kuò)散率。

一般對(duì)正常的天氣而言，假x設(shè)為1.5。當(dāng)穩(wěn)定度為A或B時(shí)，可精確地應(yīng)用 x=2；當(dāng)穩(wěn)定度為C或D時(shí)，應(yīng)用 x =1.5；當(dāng)穩(wěn)定度為E或F時(shí)，應(yīng)用x=1。

同時(shí)假定對(duì)煙羽軸線計(jì)算的照射率同樣適用于整個(gè)下風(fēng)向離釋放源等距離的點(diǎn)，就可以應(yīng)用這個(gè)公式求得照射率的粗略分布。注意應(yīng)用這個(gè)方法，必須確認(rèn)所采用的是煙羽軸線上或軸線附近的照射率測(cè)量值。為了滿足這個(gè)條件，可以采用橫向分布法來(lái)確定，即在下風(fēng)向一個(gè)足夠遠(yuǎn)的一個(gè)點(diǎn)（通常離廠址1 km以上）上煙羽照射率的橫向分布來(lái)確定，測(cè)量的最大讀數(shù)應(yīng)該是在煙羽軸線上或附近的照射率。

根據(jù)照射率與吸收劑量成線性正比[4]的關(guān)系，因此估算輻射劑量率的公式形式上應(yīng)該與（1）式相同，但其中D的含義為輻射劑量率值。公式及公式中各要素的含義如下:

式中，D1——在距離 R1處測(cè)量的輻射劑量率（煙羽軸線上）；

D2——在距離 R2處測(cè)量的輻射劑量率（煙羽軸線上）；

x——距離函數(shù)的擴(kuò)散率。

同樣注意，使用這個(gè)方法，必須確認(rèn)所采用的是煙羽軸線上或軸線附近的輻射劑量率測(cè)量值。

3 快速估算輻射劑量率場(chǎng)方法在事故應(yīng)急中的應(yīng)用

利用上述的估算公式，可以根據(jù)已經(jīng)測(cè)得的固定距離處輻射劑量率估算下風(fēng)向其他距離處的輻射劑量率，以便快速確定輻射劑量率場(chǎng)，并根據(jù)輻射劑量率場(chǎng)快速確定防護(hù)行動(dòng)。

3.1 已知下風(fēng)向某點(diǎn)（已知距離）的輻射劑量率，求下風(fēng)向其他距離處的輻射劑量率

如果已經(jīng)測(cè)得某點(diǎn)（已知距離）的輻射劑量率，尚未測(cè)量其他位置的輻射劑量率，若想了解一些重點(diǎn)區(qū)域（例如煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的內(nèi)區(qū)邊界和外區(qū)邊界等）的輻射劑量率，可以利用上述公式進(jìn)行估算。

例如，假設(shè)某核電站發(fā)生BDBA事故，假設(shè)穩(wěn)定度為D，在2 km處測(cè)得輻射劑量率水平為0.73 mSv/h，此時(shí)場(chǎng)外應(yīng)急組織想了解煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)內(nèi)區(qū)邊界4 km處的最大輻射劑量率，可以利用以上公式進(jìn)行計(jì)算:

即取 R=12 km， D=10.73 mSv/h， R=24 km，求D2的值。

求得 D2＝0.26 mSv/h

即煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)內(nèi)區(qū)邊界的最大輻射劑量率為0.26 mSv/h。

3.2 已知下風(fēng)向某點(diǎn)（已知距離）的輻射劑量率，求下風(fēng)向固定輻射劑量率（操作干預(yù)水平值）處的距離

為了確定事故早期的防護(hù)行動(dòng)，需要盡快確定達(dá)到操作干預(yù)水平的邊界，那么我們就需要根據(jù)已經(jīng)知道距離處輻射劑量率，求達(dá)到操作干預(yù)水平值的距離?？梢詫?duì)輻射劑量率估算公式進(jìn)行推導(dǎo)，導(dǎo)出求距離R2的公式，如下:

式中，R1——輻射劑量率測(cè)量值為D1處的距離（煙羽軸線上）；

R2——輻射劑量率值為D2處的距離（煙羽軸線上）；

x——距離函數(shù)的擴(kuò)散率。一般對(duì)正常的天氣而言，假x設(shè)為1.5。當(dāng)穩(wěn)定度為A或B時(shí)，可精確地應(yīng)用 x =2；當(dāng)穩(wěn)定度為C或D時(shí)，應(yīng)用x =1.5；當(dāng)穩(wěn)定度為E或F時(shí)，應(yīng)用x =1。

在事故應(yīng)急情況下，當(dāng)測(cè)量到已知距離處輻射劑量率大于干預(yù)水平值時(shí)，可以使用此公式快速估算等于干預(yù)水平輻射劑量率值的距離，以便確定防護(hù)行動(dòng)的范圍。例如，假設(shè)某核電站發(fā)生BDBA事故，假設(shè)穩(wěn)定度為D，在1.5 km處測(cè)得輻射劑量率水平為1.14 mSv/h，而撤離的操作干預(yù)水平值為1 mSv/h（采用IAEA推薦值），那么我們可以根據(jù)以上的公式求得干預(yù)的邊界。

即取 R=11.5 km， D=11.14 mSv/h，D2= 1 mSv/h，求R2的值

求得 R2＝1.64 km

即在下風(fēng)向1.64 km處輻射劑量率達(dá)到了操作干預(yù)水平撤離的干預(yù)值。我們可以據(jù)此對(duì)照操作干預(yù)水平提出在下風(fēng)向1.64 km內(nèi)所有人員采取撤離的防護(hù)行動(dòng)。

3.3 使用條件

（1）煙羽在穩(wěn)定的釋放期間；

（2）測(cè)量軸線或附近的輻射劑量率；

（3）測(cè)量點(diǎn)距離反應(yīng)堆足夠遠(yuǎn)，至少1 km以上。

3.4 討論及注意事項(xiàng)

雖然一般事故早期首先基于工況情況確定了初步的防護(hù)行動(dòng)，但是根據(jù)實(shí)際的輻射劑量率情況對(duì)防護(hù)行動(dòng)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化具有很重要的意義。特別是在如下幾種情況下:

（1）已經(jīng)知道某些區(qū)域的輻射劑量率，還沒(méi)有來(lái)得及測(cè)量其他區(qū)域，但此時(shí)需要提出防護(hù)行動(dòng)；

（2）氣象條件惡劣，無(wú)法組織有效的環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，利用有限的幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)或固定站數(shù)據(jù)及距離推算輻射劑量率場(chǎng)分布，進(jìn)而確定是否需要采取防護(hù)行動(dòng)以及采取防護(hù)行動(dòng)的范圍；

（3）有充足的時(shí)間和人員組織環(huán)境監(jiān)測(cè)，可以利用此公式判斷監(jiān)測(cè)隊(duì)伍是否沿著正確的路線進(jìn)行測(cè)量，或者判斷測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性與真實(shí)性。

4 快速估算輻射劑量率場(chǎng)方法在演習(xí)中的應(yīng)用

在核事故應(yīng)急演習(xí)中，場(chǎng)外巡測(cè)只能測(cè)到本底讀數(shù)，這樣就不能模擬真實(shí)的場(chǎng)景而導(dǎo)致無(wú)法鍛煉環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)人員和數(shù)據(jù)分析人員。為了在演習(xí)中有效地鍛煉這些崗位的人員，我們可以利用上述估算方法模擬設(shè)計(jì)輻射劑量率的分布，主要思路如下:

根據(jù)上述估算方法，如果確定下風(fēng)向已知距離處的輻射劑量率，就可以估算其他距離處輻射劑量率分布情況。據(jù)此我們可以根據(jù)演習(xí)的事故源項(xiàng)和演習(xí)需要事先確定下風(fēng)向某一距離處的不同時(shí)刻輻射劑量率，然后就可以利用這個(gè)輻射劑量率估算下風(fēng)向其他位置的輻射劑量率。這里可以做一些假設(shè)，巡測(cè)人員進(jìn)行追蹤煙羽的巡測(cè)活動(dòng)，并沿著煙羽軸線方向進(jìn)行測(cè)量。

演習(xí)中監(jiān)控員可以在巡測(cè)人員完成測(cè)量動(dòng)作之后，給出事先估算的數(shù)據(jù)。如此一來(lái)，就可以讓巡測(cè)人員把可能真實(shí)的事故監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)給監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)人員，從而真正意義上鍛煉輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析人員，同時(shí)也能考察巡測(cè)人員根據(jù)輻射劑量率水平采取防護(hù)措施等方面。

下面通過(guò)某核電站的BDBA事故來(lái)演示演習(xí)中輻射劑量率確定的方法。按照以上我們的分析，根據(jù)BDBA源項(xiàng)進(jìn)行以下處理:

4.1 對(duì)源項(xiàng)進(jìn)行處理，利用INTERAS[5]計(jì)算出某km處的劑量

源項(xiàng)輸入數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，假設(shè)釋放高度為10 m，風(fēng)速為3 m/s，風(fēng)向?yàn)?70°，穩(wěn)定度為D類。利用INTERAS求得下風(fēng)向2 km處的全身有效劑量為0.73 mSv，5 km處全身有效劑量為0.19 mSv。

4.2 假設(shè)為均勻釋放，求出某km處的輻射劑量率

根據(jù)INTERAS計(jì)算結(jié)果，并假設(shè)事故均勻釋放，求得2 km、5 km的輻射劑量率分別為: 0.73 mSv/h和0.19 mSv/h。

4.3 利用估算法和實(shí)際的氣象條件求出其他距離處的輻射劑量率

（1）利用公式，根據(jù)2 km的輻射劑量率值求得其他距離處的輻射劑量率值，如表2所示。

（2）利用公式，根據(jù)5 km的輻射劑量率值求得其他距離處的輻射劑量率值，如表3所示。

根據(jù)以上求得的不同距離處輻射劑量率值及曲線進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)估算值基本相同，曲線基本擬合。驗(yàn)證了此估算方法與INTERAS中的復(fù)雜計(jì)算模型基本相符，是復(fù)雜計(jì)算模型的簡(jiǎn)化，且更為方便快捷地使用。

4.4 把所有待測(cè)量地點(diǎn)的輻射劑量率列在監(jiān)控單上，以便在演習(xí)時(shí)向演習(xí)人員提供

一般情況下，要求演習(xí)人員進(jìn)行追蹤煙羽的應(yīng)急輻射巡測(cè)工作，同時(shí)根據(jù)要求，3 km以內(nèi)，每500 m測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，3～5 km每1 km間隔進(jìn)行測(cè)量，可以通過(guò)以上的方法事先估算出不同距離處的輻射劑量率，在演習(xí)人員完成測(cè)量動(dòng)作之后，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)提交給他們，考察他們對(duì)數(shù)據(jù)的初步判斷與分析能力，同時(shí)考察數(shù)據(jù)分析人員根據(jù)數(shù)據(jù)提出應(yīng)急狀態(tài)分級(jí)建議、估算輻射劑量率場(chǎng)、防護(hù)行動(dòng)的建議等方面的能力。

表1 BDBA釋放源項(xiàng)Table 1 BDBA release source item

表2 根據(jù)2 km的輻射劑量率值求得的其他距離輻射劑量率值Table 2 Other radiation dose rates derived from the dose rate at 2 km position

表3 根據(jù)5 km的輻射劑量率值求得的其他距離輻射劑量率值Table 3 Other radiation dose rates derived from the dose rate at 5 km position

5 估算軟件的編制

為了便于使用上述公式，我們利用VC＋＋開(kāi)發(fā)一個(gè)輻射劑量率估算軟件，能夠簡(jiǎn)單地輸入基本要素并快速地估算出輻射劑量率或干預(yù)邊界。本文的有關(guān)計(jì)算均利用此軟件進(jìn)行估算。

6 結(jié)束語(yǔ)

快速估算輻射劑量率場(chǎng)方法的建立與應(yīng)用，給事故早期利用有限的數(shù)據(jù)推算出下風(fēng)向輻射劑量率場(chǎng)進(jìn)而決策防護(hù)行動(dòng)提供了一種快速有效的手段；同時(shí)這種方法也可以應(yīng)用在應(yīng)急演習(xí)中，模擬輻射劑量率場(chǎng)分布情況，以便檢驗(yàn)和提高輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析人員的應(yīng)急能力。

[1] 張鵬飛，仲崇軍，茍全錄，等. 核電廠核事故應(yīng)急情況下某些操作干預(yù)水平默認(rèn)值[J]. 輻射防護(hù)，2005.25（5): 263.

[2] IAEA. Generic assessment procedures for determining protective actions during a reactor accident[R]. IAEA-TECDOC-955. 1997.

[3] 美國(guó)環(huán)保局. Manual of Protective Action for Nuclear Incident[R].

[4] 輻射防護(hù)導(dǎo)論[M]. 北京:原子能出版社.

[5] 國(guó)家環(huán)?？偩趾税踩行? InterRAS1.3中文版用戶使用手冊(cè)[R]，2000.

The method of rapidly determining radiation dose rate fi eld under nuclear accident emergency situation and its application

ZHONG Chong-jun，GOU Quan-lu，ZHANG Peng-fei，LI Bing
（Jiangsu Nuclear Power Corporation，Lianyungang of Jiangsu Prov.222042，China)

The paper presents and analyzes two methods （emergency radiological monitoring and accident consequence assessment) to determine dose rate field under the nuclear accident emergency situation and their deficiencies. According to estimated irradiation rate field，the calculation method of quick estimate of dose rate field is generated and its application in emergency and maneuver is analyzed.

nuclear accident；radiation； emergency；dose rate field

TL36

A

1674-1617（2009)04-0348-06

2009－02－05

仲崇軍（1979—），男，江蘇新沂，工程師，理學(xué)學(xué)士，原子核物理及核技術(shù)專業(yè)。