陸上小型堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分初步研究

彭 濱, 王 彪, 蔡杰進(jìn), 彭振馴, 劉 望

(1. 中山大學(xué)中法核工程與技術(shù)學(xué)院，廣州510275； 2.中科華核電技術(shù)研究院，深圳518035)

陸上小型堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分初步研究

彭 濱1, 王 彪1, 蔡杰進(jìn)1, 彭振馴2, 劉 望2

(1. 中山大學(xué)中法核工程與技術(shù)學(xué)院，廣州510275； 2.中科華核電技術(shù)研究院，深圳518035)

小型堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)(EPZ)大小作為其市場(chǎng)推廣和應(yīng)用的重要外部約束條件之一，意味著制定合適的劃分準(zhǔn)則和確立其大小范圍具有十分重大的意義。結(jié)合現(xiàn)行大堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)(EPZ)的劃分準(zhǔn)則，本文分析了國(guó)內(nèi)外小型堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)(EPZ)劃分方法，提出陸上小型堆采用劑量/距離的劃分方法。在研究中，基于MAAP程序?qū)δ承⌒投堰M(jìn)行建模計(jì)算，從中得出了較為合理的機(jī)理性應(yīng)急源項(xiàng)；并通過(guò)大氣擴(kuò)散計(jì)算軟件MACCS程序進(jìn)行煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)(EPZ)計(jì)算；同時(shí)對(duì)廠址差異進(jìn)行相關(guān)的靈敏性分析。

小型堆；嚴(yán)重事故；機(jī)理源項(xiàng)；煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)

應(yīng)急計(jì)劃是核安全縱深防御原則的最后環(huán)節(jié)，對(duì)核電廠周邊公眾安全具有重要意義。而制訂應(yīng)急計(jì)劃的前提是應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分。因此，核電廠應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的研究吸引了眾多研究人員的興趣，目前已針對(duì)EPR、AP1000、HTR等堆型開(kāi)展了較多研究工作[1-4]。

近年來(lái)，小型堆作為安全、經(jīng)濟(jì)、高效的分布式清潔能源，具有高安全性、一體化、模塊化、多用途的特點(diǎn)，受到了極大的關(guān)注[5、6]。當(dāng)今國(guó)際上相關(guān)組織和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展大量有關(guān)小型堆的應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的工作，其中重點(diǎn)對(duì)美國(guó)核管會(huì)(NRC)、美國(guó)核能協(xié)會(huì)(NEI)和西屋電氣公司(WEC)等的小型堆應(yīng)急劃分工作進(jìn)行研究[7-9]。例如，NRC針對(duì)高溫氣冷堆提出了“七策略”方法[10]以及WEC在2009年的一份出版物中建議采用風(fēng)險(xiǎn)指引法等[9]。本文參考了國(guó)際上當(dāng)前最新研究成果，提出基于劑量/距離的劃分方法，對(duì)陸上小型堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分進(jìn)行初步研究。

1 煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分方法與安全準(zhǔn)則

1.1 大型反應(yīng)堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)一般劃分方法

NUREG-0396[11]報(bào)告中指出：

1) 對(duì)于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，使用確定論方法計(jì)算場(chǎng)外95%氣象條件下事故前2h的個(gè)人預(yù)期劑量，并與相應(yīng)的防護(hù)行動(dòng)指南值(PAGs)作比較；

2) 對(duì)于嚴(yán)重事故，使用概率論方法計(jì)算發(fā)生堆芯熔化事故的情況下超過(guò)指定劑量的條件概率。

基于NUREG-0396的方法作為重要參考依據(jù)，同時(shí)，結(jié)合我國(guó)核電的實(shí)際情況，制定了我國(guó)的煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的安全準(zhǔn)則[12](GB/T17680.1—2008)，具體規(guī)定如下：

1) 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[13]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。

2) 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)定的響應(yīng)的通用優(yōu)化干預(yù)水平。

1.2 小型堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的評(píng)價(jià)方法

NRC的《開(kāi)發(fā)模塊化小型堆應(yīng)急計(jì)劃和應(yīng)急準(zhǔn)備大綱》[7]中指出：“按照《州和地方政府為輕水堆制定應(yīng)急計(jì)劃的基礎(chǔ)》[11]和《核事件防護(hù)行動(dòng)指南》[14]，以及美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA) 的防護(hù)行動(dòng)準(zhǔn)則的劑量值確定大型水堆應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的方法(劑量/距離法)，也適用于小型模塊化壓水堆和各種新型沸水反應(yīng)堆。在最新NEI的“建立小型模塊化反應(yīng)堆應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的技術(shù)基礎(chǔ)所采用的方法與準(zhǔn)則”[8]中，提出概率風(fēng)險(xiǎn)分析(PRA)的使用是必不可少的，它是滿足SECY-11-0152[7]規(guī)定的重要途徑——應(yīng)用劑量/距離方法建立小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)的EPZ。

總的來(lái)說(shuō)，小型堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分依舊遵循PAGs中給出的劑量安全準(zhǔn)則，其討論的重點(diǎn)在于嚴(yán)重事故序列的選取和源項(xiàng)計(jì)算的方法上，對(duì)于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和源項(xiàng)的考慮，基本與大堆的做法保持一致。嚴(yán)重事故序列的選取的基礎(chǔ)是已有二級(jí)概率安全分析(PSA)的結(jié)果和確定了一個(gè)概率截?cái)嘀?普遍推薦使用1.0×10-7/堆年)。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故源項(xiàng)是通過(guò)選取一個(gè)包絡(luò)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故作為其源項(xiàng)，從堆芯熔化比例以及放射性物質(zhì)釋放比例分析，嚴(yán)重事故源項(xiàng)能完整的包絡(luò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)源項(xiàng)。機(jī)理性源項(xiàng)方法是指，對(duì)某一特定事故造成的燃料包殼、燃料、堆芯的損傷情況而引起的裂變產(chǎn)物釋放進(jìn)行分析計(jì)算，使用最佳估算的模型分析評(píng)價(jià)裂變產(chǎn)物行為，同時(shí)考慮某些緩解措施的有效性。使用機(jī)理性源項(xiàng)方法來(lái)計(jì)算應(yīng)急源項(xiàng)在美國(guó)核工業(yè)界已基本達(dá)成共識(shí)。

2 某型號(hào)小型堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)計(jì)算

國(guó)際上最新技術(shù)文件和報(bào)告對(duì)新方法的探討都是以二級(jí)PSA分析的結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)事故發(fā)生概率，選取合適截?cái)喔怕蕘?lái)確定煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)計(jì)算所需要考慮的嚴(yán)重事故范圍。由于該型號(hào)小型堆仍處于方案設(shè)計(jì)階段，尚未開(kāi)展二級(jí)PSA分析工作，難以完全參照上述小型堆最新的劃分方法開(kāi)展計(jì)算，但本文將參考這些新方法的基本思想，特別是嚴(yán)重事故序列選取和源項(xiàng)計(jì)算方法。

2.1 某小型堆型簡(jiǎn)介

該型號(hào)小型單模塊反應(yīng)堆的熱功率為450MW，它結(jié)合大型核電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和福島后經(jīng)驗(yàn)反饋，從設(shè)計(jì)和固有安全特性上，極大地減小核電站發(fā)生事故的可能性，利用非能動(dòng)的安全系統(tǒng)，保證在事故發(fā)生時(shí)依靠自然力緩解事故，不依賴廠外電或應(yīng)急電源，具有高抗震特性、多重放射性屏蔽等安全特點(diǎn)。安全設(shè)計(jì)目標(biāo)高于三代核電水平：堆芯損壞概率CDF小于10-7/堆年；早期放射性釋放概率LERF小于10-8/堆年。

2.2 嚴(yán)重事故序列選取和源項(xiàng)計(jì)算

2.2.1 嚴(yán)重事故序列選取

由于該型號(hào)小型堆采用非能動(dòng)的安全設(shè)計(jì)理念，其主要的安全系統(tǒng)設(shè)置與AP1000類似，如都設(shè)置了自動(dòng)卸壓系統(tǒng)(ADS)、采用反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)熔融物滯留(IVR)、安全殼非能動(dòng)冷卻等，具體對(duì)比詳情見(jiàn)表1。由于此小型堆與AP1000在一些主要的嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解系統(tǒng)上是類似的，其主要的嚴(yán)重事故現(xiàn)象也基本類似，因此，在該小型堆尚未開(kāi)展詳細(xì)二級(jí)PSA分析前，目前采用AP1000二級(jí)PSA中關(guān)于釋放類的劃分的見(jiàn)解。可以預(yù)想，該小型堆的每一釋放類的概率值應(yīng)該低于AP1000的概率值。表2出自AP1000二級(jí)PSA報(bào)告采用10-8作為概率截?cái)嘀?，只有安全殼完整釋放?IC)需要考慮。另外，此小型堆二次側(cè)采用全壓設(shè)計(jì)，可以有效預(yù)防二次側(cè)旁通類事故。綜上所述，本文選擇了安全殼完整類的嚴(yán)重事故類作為煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的基準(zhǔn)事故。

表1 某小型堆與AP1000安全系統(tǒng)對(duì)比

表2 AP1000二級(jí)PSA釋放類

2.2.2 源項(xiàng)計(jì)算

小型堆嚴(yán)重事故源項(xiàng)計(jì)算將使用機(jī)理性源項(xiàng)，并結(jié)合PSA的結(jié)果，識(shí)別某些緩解設(shè)備的可用性。根據(jù)該型號(hào)小型堆的設(shè)計(jì)，對(duì)于安全殼完整類的事故類，做出以下計(jì)算假設(shè)：

a) 僅考慮RPV(反應(yīng)堆壓力容器)內(nèi)的水量，RPV內(nèi)初始水位為堆芯頂部，不考慮CMT(堆芯補(bǔ)水箱)等水箱的水量補(bǔ)充(保守假設(shè))；

b) 不向RPV內(nèi)部注水(實(shí)際情況是安全殼內(nèi)水位將淹沒(méi)堆芯，保守假設(shè)：裂變產(chǎn)物釋放沒(méi)有水洗)；

c) 100%堆芯熔化(保守假設(shè))；

d) 安全殼泄漏率為0.1%/d；

e) PCCS(非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng))有效，IVR成功(現(xiàn)實(shí)假設(shè))；

使用MAAP5建立計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，源項(xiàng)結(jié)果如表3所示。

表3 機(jī)理源項(xiàng)釋放表(GBq)

2.3 煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)邊界確定

MACCS程序是用于嚴(yán)重事故風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)，采用修正的直線高斯煙羽軌跡模型進(jìn)行放射性物質(zhì)擴(kuò)散模擬。其主要輸入?yún)?shù)的取值列于表4，計(jì)算過(guò)程中不考慮防護(hù)行動(dòng)。

表4 主要參數(shù)和假設(shè)

2.4 結(jié)果與分析

圖1—圖4所給出的模擬數(shù)據(jù)曲線可知，從整體來(lái)看，四條曲線在離堆芯原點(diǎn)比較近時(shí)，得到的劑量結(jié)果比較大，當(dāng)距離增加到一定的特定值，出現(xiàn)迅速衰減，之后隨著距離的增加，劑量值未發(fā)生較明顯的變化。從曲線的變化趨勢(shì)可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合基于高斯分布模型的MACCS程序模擬方法。其中圖1和圖3兩曲線的有效劑量值分別在250m和200m低于隱蔽通用干預(yù)水平閾值10mSv。圖2和圖4兩曲線的有效劑量值分別在150m和100m低于撤離通用干預(yù)水平閾值50mSv。表5給出了陽(yáng)江、陸豐廠址下煙羽EPZ的計(jì)算結(jié)果，可知，陽(yáng)江和陸豐為廠址的小型堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的內(nèi)、外區(qū)分別為150m、250m和100m、200m。從煙羽EPZ的結(jié)果表明，廠址條件的差異將會(huì)造成一定范圍的變化，但就其本質(zhì)而言，嚴(yán)重事故機(jī)理性源項(xiàng)在結(jié)果中起決

圖1 陽(yáng)江廠址兩天全身有效和甲狀腺劑量Fig.1 The two days whole body effective dose and thyroid dose calculated in Yangjiang site

圖2 陽(yáng)江廠址七天全身有效和甲狀腺劑量Fig.2 The seven days whole body effective dose and thyroid dose calculated in Yangjiang site

圖3 陸豐廠址兩天全身有效和甲狀腺劑量Fig.3 The two days whole body effective dose and thyroid dose calculated in Lufeng site

定性作用。同時(shí)也說(shuō)明，采用機(jī)理性源項(xiàng)計(jì)算得到的結(jié)果符合小型堆設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，能充分反映出小型堆低功率、高安全性的特點(diǎn)。

圖4 陸豐廠址七天全身有效和甲狀腺劑量Fig.4 The seven days whole body effective dose and thyroid dose calculated in Lufeng site

源項(xiàng)氣象條件煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)/m內(nèi)區(qū)(7天、50mSv)外區(qū)(2天、10mSv)機(jī)理性源項(xiàng)陽(yáng)江150250陸豐100200

根據(jù)NRC的SECY-11-0152報(bào)告[7]中提出的煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的若干建議類別(見(jiàn)表6)，對(duì)照表6可知，該型號(hào)小堆在陽(yáng)江廠址或者陸豐廠址均屬于第一類劃分準(zhǔn)則，即廠址邊界應(yīng)急。當(dāng)然具體煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)大小的劃分還得充分考慮核電站周邊的人口、交通、地形等因素。

表6 小型堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)

3 結(jié)論

在現(xiàn)行大堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，結(jié)合小型堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分方法的研究成果，提出陸上小型堆采用劑量/距離的劃分方法，并重點(diǎn)進(jìn)行了應(yīng)急源項(xiàng)計(jì)算。針對(duì)陽(yáng)江和陸豐兩個(gè)參考廠址，對(duì)某型號(hào)小型堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)進(jìn)行計(jì)算分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 該型號(hào)小型堆在陽(yáng)江廠址或者陸豐廠址均屬于第一類劃分準(zhǔn)則，即廠址邊界應(yīng)急。

2) 不同廠址(陽(yáng)江、陸豐)的條件下，對(duì)小堆煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的大小產(chǎn)生較大的影響，因此，在確定煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)時(shí)一定要充分考慮實(shí)際廠址的特性。

3) 機(jī)理性源項(xiàng)能充分體現(xiàn)出小型堆低功率、高安全性的特點(diǎn)，并說(shuō)明機(jī)理性源項(xiàng)計(jì)算方法作為源項(xiàng)計(jì)算方法的適用性。

4) 在未給出二級(jí)PSA源項(xiàng)的情況下，采用劑量/距離的方法是合適、可行的。

[1] 羅海英, 王建華, 等. 臺(tái)山核電廠EPR核電機(jī)組煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)評(píng)估[J]. 核動(dòng)力工程, 2010, 31(6): 117-121.

[2] 黃挺, 曲靜原, 等. AP1000核電廠煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分初步研究[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2011, 45(12): 1472-1477.

[3] 黃挺, 曲靜原, 等. 核電廠煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分方法研究[J]. 核動(dòng)力工程, 2012, 33(2): 127-131.

[4] 王海峰, 趙鋒, 等. 基于二級(jí)PSA的EPR機(jī)組煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分[J]. 核科學(xué)與工程, 2013, 33(2): 219-224.

[5] International Atomic Energy Agency. Innovative small and medium sized reactors: Design features safety approaches and R&D trends[R]. Vienna: IAEA, 2004.

[6] International Atomic Energy Agency. Small and medium sized reactors: Status and prospects[C]. IAEA International Seminar Cairo: Egypt, 2001.

[7] US Nuclear Regulatory Commission. Development of an emergency planning and preparedness framework for small modular reactors[R]. SECY-11-0152, Washington DC: USA Nuclear Regulatory Commission, 2011.

[8] NEI. Proposed methodology and criteria for establishing the technical basis for small modular reactor emergency planning zone[R]. executive summary DC: Nuclear energy institute, 2013.

[9] Andrea Maioli. Revising the EPZ for IRIS[R]. USA: Westinghouse Electric Company, 2009.

[10] Stanley E, Ritterbusch. Next Generation Nuclear PlamEmefgency Planning Zone Definition at 400 Meters[R]. USA: Westinghouse Electric Corapany, 2009.

[11] United States Nuclear Regulatory Commission. NUREG-0396 Planning basis for the development of state and local government radiological emergency response plans in support of light water nuclear power plants[R]. Washington DC: United States Nuclear Regulatory Commission, 1978.

[12] 中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司. GB/T 17680—2008核電廠應(yīng)急計(jì)劃與準(zhǔn)備準(zhǔn)則[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[13] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB 18871—2002電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2002.

[14] USEPA. Manual of Protective Action Guides and Protective Action for Nuclear Incidents[R]. EPA-400, 1992.

Preliminary Study on Plume Emergency Planning Zone Division for the Small Reactor on Land

PENG Bin1，WANG Biao1，CAI Jie-jin1，PENG Zhen-xun2，LIU Wang2

(1. Franco-Chinese institute for nuclear energy, Sun Yat-Sen Univesity, Guangzhou of Guangdong Prov. 510275, China； 2. China nuclear power technology research institute co.ltd, Shenzhen of Guangdong Prov. 518035, China)

For the marketing promotion and application of small reactors, the plume emergency planning zone (EPZ) size is regarded as an important outside constraint, which means that it is of great significance to develop an appropriate dividing guideline and establish its size range. In this paper, combined with the current plume emergency planning zone dividing guidelines of large reactor, the domestic and international plume emergency planning zone dividing methods of small reactor are analyzed and a dividing method based on dose/distance for a small reactor is proposed. During the study, the small reactor is simulated in the MAAP, so as to acquire the reasonable emergency source term firstly. Then, the EPZ is calculated through the atmospheric diffusion calculation program MACCS. Also, some sensitivity analyses are done for the different plant sites.

Small reactor; Severe accident; Mechanism source; Plume emergency planning zone

2016-07-21

彭 濱(1988—)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，碩士，主要從事核事故廠外后果評(píng)價(jià)等方面的工作

TL364+.5

A

0258-0918(2016)06-0811-06