某壓水堆煙羽應(yīng)急計劃區(qū)劃分初步研究

陳迎鋒，林曉玲，楊永新

（1.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084；2.92609部隊，北京 100077）

應(yīng)急計劃區(qū)是指為在核事故時能及時、有效地采取保護公眾的防護行動，事先在核設(shè)施的周圍建立的制定有應(yīng)急計劃并做好應(yīng)急準(zhǔn)備的區(qū)域［1］。根據(jù)照射的途徑不同，應(yīng)急計劃區(qū)可分為煙羽應(yīng)急計劃區(qū)和食入應(yīng)急計劃區(qū)。煙羽應(yīng)急計劃區(qū)是以煙羽照射途徑的受照劑量為基礎(chǔ)建立的，通常分為內(nèi)區(qū)和外區(qū)，在內(nèi)區(qū)需做好撤離、服用穩(wěn)定碘片等應(yīng)急準(zhǔn)備；在外區(qū)需做好隱蔽和服用碘片的準(zhǔn)備。食入應(yīng)急計劃區(qū)是以食入照射途徑的受照劑量為基礎(chǔ)建立的。在食入應(yīng)急計劃區(qū)需做好食品、水等相關(guān)方面的應(yīng)急準(zhǔn)備。應(yīng)急計劃區(qū)的建立目的是預(yù)先劃分出最可能需要采取公眾防護措施的區(qū)域，在其中做好應(yīng)急準(zhǔn)備，以便在實際核事故發(fā)生時，能迅速、及時有效地采取干預(yù)行動，最大限度地保護公眾健康安全，降低事故對環(huán)境和公眾造成的危害。

不同國家和地區(qū)在針對不同核設(shè)施應(yīng)急計劃區(qū)劃分的區(qū)域各不相同，但其確定的方法卻是類似的，通常分3個步驟來執(zhí)行：確定劃分應(yīng)急計劃區(qū)需考慮事故類型及釋放源項；預(yù)估事故早期通過煙羽照射途徑對公眾所造成的個人預(yù)期劑量以及采取必要的防護措施后的可防止劑量、預(yù)估可能污染的食品和飲用水污染水平；根據(jù)劑量以及污染水平的估算結(jié)果與規(guī)定的通用優(yōu)化干預(yù)水平或行動水平相比較，確定應(yīng)急計劃區(qū)范圍［2］。劃分應(yīng)急計劃區(qū)的方法與核事故放射性源項的估算方法相對應(yīng)，包括確定論方法和概率論方法。確定論方法以選定事故類型為前提，概率論方法以事故發(fā)生的概率來計算事故序列發(fā)生某種劑量水平的概率來確定。本文采用確定論方法對某200 MW 壓水堆發(fā)生嚴(yán)重事故——中破口初因?qū)е露研救刍鹿实妮椛浜蠊M行計算，并據(jù)此與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的干預(yù)水平進行比較，初步確定該壓水堆應(yīng)急計劃區(qū)的范圍。

1 輻射后果估算模式及參數(shù)

1.1 源項

源項是指發(fā)生核事故時，反應(yīng)堆向外環(huán)境釋放的放射性，包括釋放的成分和活度等［3-4］。在充分考慮該反應(yīng)堆的運行史、堆型以及壓水堆嚴(yán)重事故現(xiàn)狀后，本文選用中破口初因?qū)е露研救刍鹿首鳛閼?yīng)急計劃區(qū)劃分的源項。采用ORIGEN 2 程序計算放射性核素堆芯積存量［3］，據(jù)此估算的反應(yīng)堆發(fā)生中破口初因事件導(dǎo)致的堆芯熔化事故情況下，向環(huán)境釋放的主要放射性核素及其活度列于表1。

1.2 大氣彌散因子

采用PAVAN 程序?qū)Υ髿鈴浬⒁蜃舆M行估算。PAVAN 程序是由美國太平洋西北實驗室為美國核管委員會開發(fā)的計算機程序，該程序利用風(fēng)向、風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度聯(lián)合頻率資料，給出各方位禁區(qū)邊界和低人口區(qū)外邊界在各時間段的相對空氣濃度，用戶可選定地面釋放或獨立煙囪高架釋放模式。程序中考慮了建筑物尾流的附加彌散、低風(fēng)速條件下的煙羽搬動，以及考慮非直線煙羽軌跡的修正等［4-5］。估算的大氣彌散因子包括了以事發(fā)廠址為中心，周圍16個方位的若干不同距離段。計算過程中，采用改進的外包絡(luò)線算法對獲取的風(fēng)向、風(fēng)速、穩(wěn)定度的觀測點進行曲線擬合，擬合后獲取的曲線是相對保守的曲線。

表1 向環(huán)境釋放的主要放射性核素及其活度Table 1 Main radionuclides and their activities released to environment

1.3 個人有效劑量

反應(yīng)堆發(fā)生核事故時，事故早期對周圍公眾產(chǎn)生的劑量貢獻主要來自于煙羽照射途徑。煙羽照射途徑包括空氣浸沒外照射、地面沉積外照射、吸入內(nèi)照射劑量3種。各煙羽照射途徑如下［4］。

1）放射性煙云浸沒外照射

反應(yīng)堆發(fā)生核事故情況下，對周圍公眾產(chǎn)生的放射性煙云浸沒外照射包括γ和β照射的貢獻，事故時由于β浸沒外照射對有效劑量的貢獻極小，因此在此次分析中對β浸沒外照射的影響不予考慮。放射性煙云浸沒γ照射的計算公式為：

其中：DAre為事故發(fā)生后第e釋放時間段內(nèi)在r距離處的煙云浸沒劑量，Sv；Qne為事故發(fā)生后第e釋放時間段內(nèi)核素n的釋放活度，Bq；（X／Q）re為事故發(fā)生后第e釋放時間段內(nèi)在r距離處的事故大氣彌散因子，s／m3；DFEn為放射性核素n的空氣浸沒劑量轉(zhuǎn)換因子［6］，（Sv·m3）／（Bq·s）。

2）地面沉積外照射

發(fā)生核事故時，由地面沉積引起的外照射劑量貢獻為：

其中：DGre為事故發(fā)生后第e 釋放時間段內(nèi)在r 距離處由地面沉積的放射性核素在tr照射時間內(nèi)形成的劑量，Sv；（e）為事故發(fā)生后第e釋放時間段核素n 在r 距離處的干沉積因子，m-2（e）=（X／Q）reVd，Vd為核素的干沉積速度，對于氣溶膠為1.5×10-3m／s，對于有機碘為1.0×10-4m／s，對于元素碘為1.0×10-2m／s；DFGn為放射性核素n 的外照射劑量轉(zhuǎn)換因子［7］，（Sv·m3）／（Bq·s）；λ為核素n 的衰變常量，s-1；te為 第e 釋 放 時 間 段 的 起 始 時 間，s；Te為第e 釋放時間段釋放持續(xù)時間，s；tr為沉積劑量的評價時間，s。

3）吸入內(nèi)照射

發(fā)生核事故時，由吸入放射性物質(zhì)引起的內(nèi)照射如下式：

其中：DIre為事故發(fā)生后第e 釋放時間段內(nèi)在r距離處由于吸入煙云中放射性物質(zhì)產(chǎn)生劑量，Sv；BRe為成人在e時間段的呼吸率，m3／s，在此按照美國核管理委員會US RS RG 1.4中的建議值，取3.47×10-4m3／s；DFIn為放射性核素n吸入內(nèi)照射劑量轉(zhuǎn)換因子，（Sv·m3）／（Bq·s）。

4）個人有效劑量

事故期間位于某邊界處公眾個人可能受到的有效劑量當(dāng)量為上述3種途徑下的綜合。

1.4 甲狀腺劑量

反應(yīng)堆發(fā)生核事故時，碘防護干預(yù)水平是隱蔽應(yīng)急計劃區(qū)和撤離應(yīng)急計劃區(qū)的參考依據(jù)。因此，應(yīng)對其發(fā)生核事故時的甲狀腺劑量進行估算，其估算模式［8］為：每單位攝入量的待積有效劑量當(dāng)量取1.4×10-8Sv／Bq；對于131I放射性核素，每單位攝入量對甲狀腺的待積有效劑量當(dāng)量取4.8×10-7Sv／Bq。

2 估算結(jié)果及煙羽應(yīng)急計劃區(qū)劃分

2.1 煙羽應(yīng)急計劃區(qū)的劃分方法

煙羽應(yīng)急計劃區(qū)的劃分步驟一般為：首先估算事故狀態(tài)下不同照射途徑造成的預(yù)期個人劑量水平；然后分別評估不同的防護措施可能帶來的可避免劑量；最后根據(jù)可避免劑量水平與確定的干預(yù)水平值比較確定應(yīng)急計劃區(qū)劃分。

對于某200MW 反應(yīng)堆核事故，因其堆功率小，偏安全考慮，假定由中破口初因引致的堆芯熔化事故對周圍公眾的預(yù)期有效劑量作為可避免劑量，并與確定的通用干預(yù)水平［9］比較來確定應(yīng)急計劃區(qū)范圍。

2.2 通用優(yōu)化干預(yù)水平

GB 18871—2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，執(zhí)行的通用優(yōu)化干預(yù)水平如下：

1）隱蔽的通用優(yōu)化干預(yù)水平

發(fā)生核事故后，事故2d內(nèi)的公眾個人可防止劑量為10 mSv。事故應(yīng)急的決策部門可建議在較短的時間內(nèi)、較低的干預(yù)水平條件下，對周圍公眾實施隱蔽防護措施，或為方便決策者執(zhí)行下一步的防護措施（如撤離等），采取較低的隱蔽干預(yù)水平可能是合適的。

2）撤離的通用優(yōu)化干預(yù)水平

發(fā)生事故后，在不超過7d的時間內(nèi)，周圍公眾的個人可防止劑量為50mSv，在防護措施的實施迅速、條件滿足的情況下，事故應(yīng)急的決策部門可建議在較短期間內(nèi)、較低的干預(yù)水平下實施撤離防護措施。如果撤離存在有較大的困難，如公眾數(shù)量過多或運輸能力有限等，可將撤離的干預(yù)水平適當(dāng)調(diào)高。

3）碘防護的通用優(yōu)化干預(yù)水平

發(fā)生核事故后，可防止的甲狀腺待積吸收劑量的通用優(yōu)化干預(yù)水平為100mSv。

2.3 應(yīng)急計劃區(qū)劃分

1）個人有效劑量比對

圖1示出了發(fā)生中破口初因事故導(dǎo)致的堆芯熔化事故時，以事發(fā)廠址為中心，周圍13km范圍內(nèi)平均個人有效劑量和最大個人有效劑量與撤離干預(yù)水平和隱蔽干預(yù)水平的比較。

由圖1可知：發(fā)生嚴(yán)重的典型超設(shè)計基準(zhǔn)事故，在距廠址約500 m 處，對周圍公眾的最大個人有效劑量達到了撤離的干預(yù)水平；在距廠址約300m 處，對周圍公眾的平均個人有效劑量達到了撤離的干預(yù)水平；發(fā)生嚴(yán)重的典型超設(shè)計基準(zhǔn)事故，在距廠址約1 500m 處，對周圍公眾的最大個人有效劑量達到了隱蔽的干預(yù)水平；在距廠址約900m處，對周圍公眾的平均個人有效劑量達到了隱蔽的干預(yù)水平。

2）個人甲狀腺劑量比對

圖2示出了發(fā)生中破口初因事故導(dǎo)致的堆芯熔化事故時，以事發(fā)廠址為中心，周圍13km范圍內(nèi)平均個人甲狀腺劑量和最大個人甲狀腺劑量與碘防護干預(yù)水平的比對。

由圖2可看出：發(fā)生嚴(yán)重的典型超設(shè)計基準(zhǔn)事故，在距廠址約1 100m 處，對周圍公眾的平均個人甲狀腺劑量達到了碘防護的干預(yù)水平；發(fā)生嚴(yán)重的典型超設(shè)計基準(zhǔn)事故，在距廠址約700m 處，對周圍公眾的最大個人甲狀腺劑量達到了碘防護的干預(yù)水平。

由圖1、2分析可知：在以事發(fā)廠址為中心，半徑＜500m 時，由事故產(chǎn)生的公眾個人有效劑量超過了撤離的干預(yù)水平；在以事發(fā)港址為中心，半徑＜1 500m 范圍時，由事故產(chǎn)生的公眾個人有效劑量超過了隱蔽的干預(yù)水平；以事發(fā)港址為中心，半徑＜1 000m 范圍時，由事故產(chǎn)生的最大個人甲狀腺劑量超過碘防護的干預(yù)水平。

對于某200 MW 反應(yīng)堆應(yīng)急計劃區(qū)的劃分，還應(yīng)考慮事發(fā)廠址周圍的醫(yī)療、通訊、交通等因素。保守起見，建議設(shè)定以廠址為中心1km 范圍為撤離應(yīng)急計劃區(qū)（內(nèi)區(qū)）；以廠址為中心2km 范圍為隱蔽應(yīng)急計劃區(qū)。在此范圍內(nèi)，發(fā)生最嚴(yán)重典型超設(shè)計基準(zhǔn)事故——中破口初因?qū)е露研救刍鹿实淖畲髠€人有效劑量和最大甲狀腺劑量均不超過相應(yīng)的干預(yù)水平。

圖1 預(yù)期個人有效劑量與干預(yù)水平的比較Fig.1 Comparison of expected individual effective dose and intervention level

圖2 甲狀腺劑量與碘防護干預(yù)水平的比較Fig.2 Comparison of thyroid dose and iodine protection intervention level

3 結(jié)論

應(yīng)急計劃區(qū)需根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求科學(xué)地劃分。由于反應(yīng)堆功率、運行模式、結(jié)構(gòu)以及廠址特點等方面存在的差異較大，煙羽應(yīng)急計劃區(qū)的劃分不能簡單照搬既有標(biāo)準(zhǔn)和文獻資料中提供的參考范圍，應(yīng)緊密結(jié)合反應(yīng)堆的實際特點進行確定。本文通過計算得到了某200 MW 反應(yīng)堆發(fā)生典型嚴(yán)重事故——中破口初因事故導(dǎo)致的堆芯熔化事故時周圍公眾的個人有效劑量和甲狀腺劑量，并據(jù)此確定了該反應(yīng)堆應(yīng)急計劃區(qū)的劃分范圍。該結(jié)果對于保障反應(yīng)堆運行安全，以及核事故時及時采取合理有效的應(yīng)急措施意義重大，同時為反應(yīng)堆煙羽應(yīng)急計劃區(qū)的劃分提供了參考。

［1］ GB／T 17680.1—2008 核電廠應(yīng)急計劃與準(zhǔn)備準(zhǔn)則，第1部分：應(yīng)急計劃區(qū)的劃分［S］.北京：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2008.

［2］ 黃挺，曲靜原，李紅，等.AP1000 核電廠煙羽應(yīng)急計劃區(qū)劃分初步研究［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2011，45（12）：1 472-1 477.HUANG Ting，QU Jingyuan，LI Hong，et al.Preliminary study on plume emergency planning zone for AP1000［J］.Atomic Energy Science and Technology，2011，45（12）：1 472-1 477（in Chinese）.

［3］ 黃挺，曲靜原，童節(jié)娟，等.核電廠煙羽應(yīng)急計劃區(qū)劃分方法研究［J］.核動力工程，2012，33（2）：127-131.HUANG Ting，QU Jingyuan，TONG Jiejuan，et al.Study on dividing method of plume emergency planning zone for nuclear power［J］.Nuclear Power Engneering，2012，33（2）：127-131（in Chinese）.

［4］ 陳迎鋒，王建龍.噴淋系統(tǒng)啟動時機對輻射后果的影響［J］.清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，53（4）：442-446.CHEN Yingfeng，WANG Jianlong.Radiological consequences of the startup timing of containment spray system［J］.Journal of Tsinghua University：Science and Technology，2013，53（4）：442-446（in Chinese）.

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［6］ IAEA.International ionization radiological protection and radiological source safe basic standard，safety series No.115［R］.Vienna：IAEA，1997.

［7］ IAEA.Assessment of radiological consequences and evaluation of protective measures［R］.Vienna：IAEA，1991.

［8］ ICRP.Limits for intakes of radionuclides by workers，ICRP Publication 30Part 2［R］.Oxford：ICRP，1979.

［9］ GB 18871—2002 電離輻射防護與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2002.