AP1000核電廠煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分初步研究

黃 挺，曲靜原，李 紅，曹建主

（清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084）

應(yīng)急計(jì)劃是核安全縱深防御原則的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)核電廠周邊的公眾安全具有十分重要的意義。應(yīng)急計(jì)劃區(qū)是制定應(yīng)急計(jì)劃的重要技術(shù)基礎(chǔ)，是應(yīng)急計(jì)劃制定中需考慮的主要問(wèn)題之一。AP1000作為第三代核電機(jī)組，其設(shè)計(jì)采用了非能動(dòng)安全設(shè)施，且提高了安全系統(tǒng)的可靠性，使嚴(yán)重事故的發(fā)生概率顯著降低［1］。由于核電廠應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分與反應(yīng)堆的事故特性有密切關(guān)系，因此，就AP1000核電廠而言，其應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的大小應(yīng)如何確定是需進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

本文首先對(duì)應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的一般方法進(jìn)行介紹，并結(jié)合我國(guó)相關(guān)法規(guī)要求提出適用于AP1000核電廠煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分方法和準(zhǔn)則。然后以某濱海廠址為例，使用PAVAN［2］和 MACCS［3］程 序 對(duì) AP1000 核 電 廠 煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的大小進(jìn)行測(cè)算，并給出初步研究的結(jié)果。

1 應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的一般方法與準(zhǔn)則

1.1 應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的概念

應(yīng)急計(jì)劃區(qū)是指為在核電廠發(fā)生事故時(shí)能及時(shí)有效地采取保護(hù)公眾的防護(hù)行動(dòng)，事先在核電廠周圍建立的、制定了應(yīng)急計(jì)劃并做好應(yīng)急準(zhǔn)備的區(qū)域［4］。應(yīng)急計(jì)劃區(qū)一般包括煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)和食入應(yīng)急計(jì)劃區(qū)。我國(guó)的煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)又分為內(nèi)、外兩區(qū)，在內(nèi)區(qū)應(yīng)做好采取應(yīng)急撤離等緊急防護(hù)措施的準(zhǔn)備。由于食入和飲用水控制不屬于“緊急”的防護(hù)對(duì)策，且食入應(yīng)急計(jì)劃區(qū)與煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分方法類似，因此本文主要研究和討論AP1000核電廠煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分。

1.2 應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的一般方法

應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的一般方法是：確定應(yīng)考慮的事故類型及源項(xiàng)，并根據(jù)廠址氣象條件計(jì)算場(chǎng)外公眾的個(gè)人劑量，然后與干預(yù)水平相對(duì)比確定應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的大小。應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分方法通常分為確定論方法和概率論方法。確定論方法一般只考慮事故的后果，而概率論方法則同時(shí)考慮事故后果和發(fā)生概率。

1978年，美國(guó)核管會(huì)（NRC）發(fā)表了《國(guó)家和地方政府用于制定輕水反應(yīng)堆輻射應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃的基礎(chǔ)》（NUREG－0396）［5］報(bào)告，其中研究討論了應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的基礎(chǔ)、原理和方法，形成了應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的準(zhǔn)則，并確定了美國(guó)應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的大小。報(bào)告在應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的研究中，同時(shí)考慮了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故譜。對(duì)于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故中的DBA－LOCA采用確定論評(píng)價(jià)方法，計(jì)算了129個(gè)核電機(jī)組95%氣象條件下2h內(nèi)的場(chǎng)外個(gè)人劑量，并與防護(hù)行動(dòng)指南值（PAG）相比較；對(duì)于嚴(yán)重事故譜（壓水堆堆熔事故PWR1～7和沸水堆堆熔事故BWR1～4），采用了概率論評(píng)價(jià)方法，先計(jì)算每個(gè)事故發(fā)生情況下場(chǎng)外個(gè)人劑量超過(guò)指定劑量的氣象條件概率，再根據(jù)各事故的發(fā)生概率得出條件概率的加權(quán)平均值。

我國(guó)在早期秦山和大亞灣核電廠應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分研究中基本參照了美國(guó)NRC的方法［6］。

1.3 我國(guó)應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分準(zhǔn)則

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB／T17680.1—2008《核電廠應(yīng)急計(jì)劃與準(zhǔn)備準(zhǔn)則：應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分》［4］中規(guī)定：確定核電廠應(yīng)急計(jì)劃區(qū)時(shí)，既應(yīng)考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，也應(yīng)考慮嚴(yán)重事故。并應(yīng)遵循以下安全準(zhǔn)則。

在煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)之外，所考慮的后果最嚴(yán)重的嚴(yán)重事故序列使公眾個(gè)人可能受到的最大預(yù)期劑量不應(yīng)超過(guò)GB 18871［7］所規(guī)定的任何情況下預(yù)期均應(yīng)進(jìn)行干預(yù)的劑量水平（表1）。

表1 任何情況下預(yù)期均應(yīng)進(jìn)行干預(yù)的劑量行動(dòng)水平［7］Table 1 Dose action levels for expected intervention in any situation［7］

在煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)之外，對(duì)于各種設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和大多數(shù)嚴(yán)重事故序列，相應(yīng)于特定緊急防護(hù)行動(dòng)的可防止的劑量一般應(yīng)不大于GB 18871所規(guī)定的相應(yīng)的通用優(yōu)化干預(yù)水平（表2）。

一般來(lái)說(shuō)，在煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的研究中，確定內(nèi)區(qū)時(shí)參照撤離通用優(yōu)化干預(yù)水平，確定外區(qū)時(shí)同時(shí)考慮隱蔽通用優(yōu)化干預(yù)水平、碘防護(hù)通用優(yōu)化干預(yù)水平和急性照射的劑量行動(dòng)水平。

表2 緊急防護(hù)行動(dòng)的通用優(yōu)化干預(yù)水平［7］Table 2 General optimization intervention levels for emergency protective action［7］

2 AP1000核電廠應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的測(cè)算方法

2.1 事故及源項(xiàng)選取

根據(jù)美國(guó)NRC的方法以及我國(guó)法規(guī)規(guī)定，在AP1000核電廠應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分中應(yīng)考慮各種設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故的完整事故譜。

對(duì)于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，選取具有包絡(luò)性的大LOCA事故進(jìn)行分析。AP1000的大LOCA事故釋放源項(xiàng)數(shù)據(jù)主要參考美國(guó)NRC的管理導(dǎo)則RG1.183［8］進(jìn)行計(jì)算。其中有關(guān)假定為：堆芯中100%的惰性氣體、40%的鹵素和30%的堿金屬釋放到安全殼的大氣中，堆芯釋放分為兩個(gè)階段，前0.5h為燃料棒間隙活度釋放，后1.3h為壓力容器早期釋放；釋放的碘中粒子碘占95%，有機(jī)碘占0.15%，元素碘占4.85%；放射性核素在安全殼大氣中的去除主要考慮非能動(dòng)的自然去除機(jī)制，元素碘去除常數(shù)為1.7h－1，粒子碘前24h內(nèi)去除常數(shù)在0.43～0.72h－1間變化，不考慮有機(jī)碘和惰性氣體的去除；安全殼第1天泄漏率為1%。

對(duì)于嚴(yán)重事故，則考慮AP1000核電機(jī)組概率安全評(píng)價(jià)（PSA）報(bào)告中的堆芯熔化釋放類［9］，釋放類型的描述列于表3。源項(xiàng)數(shù)據(jù)參考現(xiàn)階段AP1000核電機(jī)組PSA報(bào)告的研究結(jié)果。

表3 AP1000嚴(yán)重事故釋放類型［9］Table 3 AP1000severe accident release categories［9］

2.2 計(jì)算方法

對(duì)于大氣擴(kuò)散模式，PAVAN和 MACCS程序均采用了修正的高斯直線軌跡模型。模型中考慮了建筑物尾流和混合層高度對(duì)大氣擴(kuò)散的影響。

對(duì)于劑量計(jì)算模式，由于無(wú)法精確得到應(yīng)急防護(hù)措施的效益來(lái)計(jì)算可防止劑量，因此，一般通過(guò)計(jì)算預(yù)期劑量來(lái)代替準(zhǔn)則中對(duì)可防止劑量的要求。

由于煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)是針對(duì)煙羽照射途徑而建立的，因此主要考慮事故早期的放射性照射，即在預(yù)期劑量的計(jì)算中只考慮煙云外照射、地面外照射和吸入內(nèi)照射這3種照射途徑。3種途徑的預(yù)期劑量可按下列公式進(jìn)行計(jì)算。

煙云：

地面：

吸入：

其中：Dcld、Dgrd和Dinh分別為3種途徑中的輻射劑量；Ccld，i和Cgrd，i為煙羽軸線上核素i近地面空氣時(shí)間積分濃度和地面沉積濃度；fcld，i、fgrd，i和finh，i分別為核素i在3種途徑中相應(yīng)的劑量轉(zhuǎn)換因子；Scld、Sgrd和Sinh分別為3種途徑的屏蔽因子；Br為人的呼吸率。

對(duì)于大LOCA事故采用確定論方法進(jìn)行分析，計(jì)算廠址95%氣象條件下事故開始前2h的有效劑量和甲狀腺劑量，有效劑量中地面照射劑量按7d計(jì)算。然后根據(jù)撤離通用優(yōu)化干預(yù)水平50mSv確定煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的內(nèi)區(qū)，根據(jù)隱蔽通用優(yōu)化干預(yù)水平10mSv和碘防護(hù)通用優(yōu)化干預(yù)水平100mGy確定外區(qū)。大氣彌散計(jì)算使用PAVAN程序。

對(duì)于嚴(yán)重事故譜采用概率論方法進(jìn)行分析，計(jì)算各事故情況下不同距離2d和7d有效劑量、甲狀腺劑量以及所對(duì)應(yīng)的2d急性劑量。對(duì)于全身急性劑量，由于骨髓急性劑量在所有器官中起主要作用，因此在計(jì)算個(gè)人急性劑量超過(guò)指定劑量的條件概率時(shí)，以骨髓急性劑量代替全身急性劑量。

概率論的計(jì)算方法為，對(duì)于釋放類i，可通過(guò)計(jì)算距離x處的劑量余補(bǔ)累積頻率分布（CCFD）曲線求得超過(guò)指定劑量的氣象條件概率pi（x）。若釋放類i的發(fā)生概率為fi，則在距離x處，考慮完整事故譜的情況下超過(guò)指定劑量的條件概率為：

根據(jù)美國(guó)NRC的方法及我國(guó)法規(guī)的相關(guān)要求，對(duì)于2d有效劑量，選用隱蔽通用優(yōu)化干預(yù)水平10mSv作為指定劑量；對(duì)于7d有效劑量，選用撤離通用優(yōu)化干預(yù)水平50mSv作為指定劑量；對(duì)于2d骨髓急性劑量，選用骨髓急性照射的劑量行動(dòng)水平1Sv和發(fā)生嚴(yán)重確定性效應(yīng)的劑量2Sv作為指定劑量；對(duì)于甲狀腺劑量，選用碘防護(hù)通用優(yōu)化干預(yù)水平100mGy；對(duì)于甲狀腺急性劑量，選用甲狀腺急性照射劑量行動(dòng)水平5Gy和發(fā)生嚴(yán)重確定性效應(yīng)的劑量10Gy。劑量計(jì)算使用MACCS程序。

3 參數(shù)選取與計(jì)算結(jié)果

3.1 主要參數(shù)選取

選取某濱海廠址2006年5月至2007年5月整年8 760h的逐時(shí)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)作為參考?xì)庀髼l件。其中有效觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄為8 532h，數(shù)據(jù)獲取率約為97.4%，滿足計(jì)算要求。

各種照射途徑的屏蔽因子參考美國(guó)NRC對(duì)人類正?；顒?dòng)時(shí)的推薦值，即煙云外照射0.75，吸入0.41，地面外照射0.33。

對(duì)于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，呼吸率按美國(guó)NRC的管理導(dǎo)則 RG1.183［8］取為3.5×10－4m3／s（0～8h）、1.8×10－4m3／s（8～24h）、2.3×10－4m3／s（24～720h）；對(duì) 于 嚴(yán) 重 事 故，取MACCS程序默認(rèn)值2.66×10－4m3／s。

干沉降速度參考聯(lián)邦德國(guó)輻射防護(hù)委員會(huì)第17 卷 出 版 物 （SSK17）［10］，粒 子 碘 取 為0.001 5m／s，有機(jī)碘取0.000 1m／s，元素碘取為0.01m／s，其他核素（不包括惰性氣體）統(tǒng)一取為0.001 5m／s，惰性氣體不考慮沉降。濕沉降與雨量有關(guān)，與穩(wěn)定度無(wú)關(guān)。

由于該濱海廠址附近地勢(shì)平坦，周圍土地以農(nóng)田為主，因此參考國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）安全叢書第57號(hào)出版物［11］，地表粗糙度取z＝30cm。在PAVAN程序中使用平坦地形模式進(jìn)行計(jì)算；在MACCS程序中，由于默認(rèn)地表粗糙度z0＝3cm，因此使用修正公式σz＝σz0（z／z0）0.2對(duì)垂直擴(kuò)散參數(shù)σz進(jìn)行修正，修正因子為1.585。

釋放假設(shè)為地面釋放，計(jì)算中不考慮任何緊急防護(hù)行動(dòng)。

3.2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故計(jì)算結(jié)果

圖1示出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的計(jì)算結(jié)果。在95%的氣象條件下，大LOCA事故在1km以外的有效劑量已低于50mSv的撤離通用優(yōu)化干預(yù)水平，在3km以外的有效劑量和甲狀腺劑量已分別低于10mSv的隱蔽通用優(yōu)化干預(yù)水平和100mGy的碘防護(hù)通用優(yōu)化干預(yù)水平。

考慮我國(guó)國(guó)標(biāo) GB／T 17680.1—2008中推薦半徑3km作為煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)內(nèi)區(qū)的下限，半徑7km作為煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)外區(qū)的下限，因此給出了半徑3km和7km處相應(yīng)的劑量（表4）。

由表4可知，在考慮大LOCA事故情況下，半徑3km和7km滿足我國(guó)國(guó)標(biāo)對(duì)核電站煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)內(nèi)區(qū)和外區(qū)的要求。

圖1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故計(jì)算結(jié)果與通用優(yōu)化干預(yù)水平Fig.1 Calculated results for design basis accident and general optimization intervention levels

表4 半徑3km和7km處相應(yīng)的劑量Table 4 Relevant doses at 3km and 7km radii

3.3 嚴(yán)重事故計(jì)算結(jié)果

圖2示出了嚴(yán)重事故完整事故譜的有效劑量和骨髓急性劑量的計(jì)算結(jié)果。圖3示出了甲狀腺劑量的計(jì)算結(jié)果。

圖2 有效劑量和骨髓急性劑量超過(guò)指定劑量的條件概率Fig.2 Conditional probabilities of exceeding specified effective dose and bone marrow acute dose

圖3 甲狀腺劑量超過(guò)指定劑量的條件概率Fig.3 Conditional probability of exceeding specified thyroid dose

在嚴(yán)重事故發(fā)生的條件下，距反應(yīng)堆中心半徑1、2和3km處7d有效劑量超過(guò)50mSv的條件概率分別為14.4%、8.2%和8.1%；半徑3、5和7km處2d有效劑量超過(guò)10mSv的條件概率分別為19.4%、8.8%和8.2%；半徑1、3、5km處甲狀腺劑量超過(guò)100mGy的條件概率分別為14.4%、8.1%和8.1%。這表明，在大多數(shù)嚴(yán)重事故情況下，半徑3km和7km可滿足我國(guó)國(guó)標(biāo)對(duì)核電站煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)內(nèi)區(qū)和外區(qū)的要求。

距反應(yīng)堆中心半徑3、5和7km處2d骨髓急性劑量超過(guò)1Sv的條件概率分別為2.8%、1.5%和0.6%，且在半徑7km 外隨距離迅速減?。话霃?km和5km處超過(guò)2Sv的條件概率分別為1.6%和0.3%，在半徑7km處已無(wú)超過(guò)2Sv的劑量。半徑3、5和7km處甲狀腺急性劑量超過(guò)5Gy的條件概率分別為5.7%、4.4%和3.1%，超過(guò)10Gy的條件概率分別為4.5%、2.8%和1.6%，且在半徑7km外隨距離迅速減小。這表明，在最嚴(yán)重的事故情況下，半徑7km可滿足我國(guó)國(guó)標(biāo)對(duì)核電站煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)外區(qū)的要求。

綜上可得，AP1000核電廠取半徑3km范圍作為煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的內(nèi)區(qū)、半徑7km范圍作為煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的外區(qū)是合適的。

4 結(jié)論

在AP1000核電廠應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分中，應(yīng)同時(shí)考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故譜。初步的研究結(jié)果表明，AP1000核電廠應(yīng)考慮場(chǎng)外應(yīng)急并做好相應(yīng)的應(yīng)急計(jì)劃和應(yīng)急準(zhǔn)備。對(duì)于AP1000核電廠，煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的內(nèi)區(qū)取半徑3km、外區(qū)取半徑7km是合適的。

由于不同廠址的氣象條件等因素對(duì)事故后果的計(jì)算有一定的影響，本文的測(cè)算結(jié)果僅反映了該濱海廠址的具體特征，對(duì)于其他廠址仍需根據(jù)廠址特性進(jìn)行具體分析。此外，核電廠應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分還應(yīng)考慮其他非技術(shù)性因素，如土地特征、道路分布和當(dāng)?shù)毓茌牂?quán)等，因此應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的實(shí)際邊界還應(yīng)根據(jù)具體廠址的特性進(jìn)行合理的確定。

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