核輻射劑量估算在核事故應急中的應用

陳天豪，傅力凱

(1.中國人民警察大學，河北 廊坊 065000； 2.北京市消防救援總隊特勤支隊，北京 102600)

隨著核工業(yè)產業(yè)的迅速發(fā)展，當前世界對核能的利用率日益提高，核技術在各個行業(yè)的應用愈加廣泛，其中最具代表性的應用就是核電站。核能屬于清潔能源，但核燃料具有很強的放射性，核事故的發(fā)生會造成嚴重的政治影響、經(jīng)濟損失以及環(huán)境污染，導致社會公眾的恐慌和生產秩序的停頓。除此之外，另一個具有代表性的應用就是放射源，放射源對國家安全和經(jīng)濟建設起到了重要的推進作用。但由于放射源具有龐大的使用基數(shù)，且每年的替換更新會造成大量廢棄放射源的產生。因此，放射源丟失或盜竊事故在近幾十年的時間里時有發(fā)生。盡管在2003年國家對廢棄放射源進行了集中管理，消除了一定的安全隱患，但不能從根本上解決放射性事故的發(fā)生。這些丟失或被竊的放射源所造成的死傷人數(shù)甚至超過了核電站。

核事故應急處置要求迅速、準確地根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境做出防護和救援的決策。參加核與輻射事故應急響應的處置人員非常容易受到不同程度的輻射照射，造成各種輻射病，甚至導致死亡[1]。作為行動的基本依據(jù)，輻射劑量的估算是處置人員優(yōu)化行動方案，確保人員生命安全的基礎。而控制應急人員受到的輻射劑量，則是安全、順利、合理、有效地處置相關事故的重要方面。本文以核輻射劑量估算在核輻射事故應急中的應用為研究對象，利用少數(shù)幾個位置的輻射劑量測量值快速估算現(xiàn)場輻射劑量分布情況，對于研究核輻射劑量估算在核事故應急處置中的應用，減少應急處置人員在污染區(qū)接受到的輻射劑量，規(guī)劃最佳的公眾疏散路線，劃定輻射劑量分區(qū)，提高事故處置效率，促進核事故應急救援水平提升有著重要意義。

有關放射性核素或其他類型的氣溶膠擴散的研究有許多，遼寧大學的王鶴儒提出通過核素擴散的輻射模型建立應急疏散規(guī)劃和輻射劑量模擬系統(tǒng)[2]；蘇州大學的趙紅光討論了不同的外照射模式對應的不同的輻射劑量估算計算程序[3]；白玉書等人利用生物學估算劑量的方法，繪制了多條劑量效應曲線，直觀地表現(xiàn)輻射劑量的變化[4]；防化工程學院的黃偉奇等人分析了內外照射的評估方法和流程[5]；中科院核能安全技術研究所的李廷等人介紹了基于體素的人體劑量評估方法[6]；趙力將核突發(fā)事件歸類為三大類九小類，開展了基于環(huán)境監(jiān)測的內照射劑量快速估算方法研究[7]。以上這些研究對于核事故應急救援的實施都有參考作用。

1 人員輻射劑量估算

1.1 固定源核事故的人員輻射劑量估算

1.1.1 固定源核事故特點

固定源核事故的特點是放射源的位置一般固定，沒有大量放射性物質的泄漏和放射性煙云漂移，污染范圍相對固定，對環(huán)境的污染主要是電離輻射。

1.1.2 輻射劑量估算公式

固定源核事故的放射源一般可以假定為點源，固定源型核事故的劑量估算公式如下：

表1 常見的核輻射Q值

對于點源來說，其周圍劑量率分布規(guī)律相對比較簡單，劑量率與距離有近似平方反比關系，對于同一個放射源兩個不同距離所對應的輻射劑量率有如下關系：

(4)

1.1.3 處置時間估算

應急人員在核事故應急處置中需要進行劑量約束。在安全吸收劑量不高于100 mSv的條件下，由于放射源的活度、放置環(huán)境不同，放射性物質處置的最大時間不盡相同。若測得某點的輻射劑量率，且已知此點距放射源的距離，再通過測量處置放射源時所在位置的輻射劑量率，就可以估算出處置放射源的安全時間。

應急處置人員在處置過程中受到的輻射劑量公式為：

D=DA+DB

(5)

式中，D為核應急人員受到的總輻射劑量，mSv；DA為處置人員在路線上吸收的輻射劑量，mSv；DB為處置人員在處置時吸收的輻射劑量，mSv；DS為允許的安全吸收劑量，取100 mSv。

如圖1所示，假設在輻射疏散區(qū)內選擇兩個位置a，b，其中，a是外圍應急人員出發(fā)點，b是事故處置點。

圖1 放射源處置示意圖

(6)

處置人員的移動速度為v，則上式可變形為：

處置時吸收的輻射劑量為：

(8)

將兩式結合，就可以計算出在完整處置過程中應急人員的總吸收劑量和放射性物質的處置時間：

(9)

(10)

式中，v是應急處置人員的移動速度，km·h-1；r0是輻射區(qū)的邊界與放射源的距離，km；t是放射源處置時間，h。

根據(jù)上述討論，已知劑量分布及人員行進速度可以控制放射性物質的應急處置時間；同樣也可以在應急時間一定的情況下確定應急處置的行進速度等。

1.2 擴散型核事故的人員輻射劑量估算

1.2.1 擴散型核事故特點

擴散型核事故的特點是放射性物質泄漏量大并伴隨放射性煙云漂移，污染程度因天氣條件而異。對于擴散型核事故，放射性核素會從環(huán)境空氣中和地面兩個部分對人員產生輻射，因此需要考慮放射性核素濃度的擴散分布，通過放射性核素的濃度來計算放射性煙云的外照射劑量以及放射性核素降落到地面后產生的外照射，總輻射劑量的大小即為兩者的總和。

1.2.2 煙云浸沒外照射

通過計算放射性核素的濃度可以估算受到的輻射劑率。常見的用來描述放射性核素擴散的方法有高斯模型、拉格朗日煙團模型和三位數(shù)值計算模型[8]。本文中，使用高斯模式來計算核素的擴散濃度。盡管目前有許多研究使用高斯模型來考慮放射性核素云的擴散，但由于本文旨在使用劑量估算做出決策，因此放射性衰變暫時不考慮。

假定放射源釋放處為源點，根據(jù)高斯模型，有風時的連續(xù)點源濃度分布為[9]：

(11)

由于煙云橫截面上的濃度分布為正態(tài)分布，煙云的橫向擴散系數(shù)σy和σz為：

(12)

(13)

代入(11)式，可寫成：

(14)

令z=0，可得放射性核素的地面濃度公式：

(15)

式中，c(x,y,0)為地面上一點的放射性物質濃度，Bq·m-3；Q為放射源源強，Bq·s-1；u是平均風速，m·s-1；σy和σz為湍流擴散系數(shù)，m。擴散系數(shù)σz和σy一般來自不同試驗結果的擬合，本文選用由布里格斯提出的有風時的擴散系數(shù)，見表2和表3。

表2 布里格斯擴散系數(shù)(開闊平原田野)

表3 布里格斯擴散系數(shù)(城市)

煙云浸沒外照射的輻射劑量率可由下式計算得到：

(16)

表4 放射性核素煙云外照射劑量轉換因子

1.2.3 地面沉積外照射劑量

地面沉積外照射是放射性核素在核事故發(fā)生后，從環(huán)境空氣中下降到地面的過程中產生地面沉積通量，在地面累積一定的放射性核素后，向周圍發(fā)出輻射照射到人體引起的外照射[9]。計算地面沉積外照射需要通過計算地面沉積通量，在實際情況中，地面沉積通量包括干沉積和降雨引起的濕沉積，本文中不考慮濕沉降，僅計算干沉積。地面沉積外照射有效劑量通過公式(17)計算：

Dg=FgT

(17)

式中，T為核素干沉積通量，Bq·m-2；Fg為地面沉積劑量轉換因子，mSv·m3·s-1·Bq-1；Dg為地面沉積外照射的有效劑量，mSv·h-1。

地面干沉積通量由公式(18)計算：

(18)

式中，W為放射性核素干沉積率，Bq·m-2·s-1；t0為放射性核素的總釋放時間，h。

地面干沉積率由公式(19)計算：

W=V·c(x,y,0)

(19)

式中，c(x,y,0)是核素的地面濃度，Bq·m-3；V為粒子干沉積速率，m·s-1。

結合擴散理論[2]，放射性粒子干沉積速度可以由斯托克斯公式計算：

(20)

式中，d為放射性核素的粒子直徑，m；ρ為放射性核素的密度，kg·m-3；g為重力加速度，取9.8 m·s-2；μ為空氣黏性系數(shù)，取1.8×10-5kg·s·m-1。

將式(17)～(20)結合可得到地面沉積外照射的計算公式：

(21)

1.2.4 煙羽軸線上的輻射劑量

對于放射性煙羽擴散方向(下風向)上的點，可以通過測量擴散軸線上某一已知位置的輻射劑量率，然后通過反比規(guī)律來測量同軸線上其他下風向位置點的輻射劑量率[10]。計算公式如下：

(22)

式(22)可以在現(xiàn)場用簡單的關系快速估算環(huán)境輻射劑量率場在煙羽軸線上下風向的分布，使用條件必須是煙羽軸線上或附近測量的輻射劑量率且測量距離足夠遠。

2 應用

2.1 固定源輻射事故

2.1.1 輻射劑量率分布的估算

在實際情況中，當輻射事故發(fā)生后，若需要估算某些重點區(qū)域的輻射劑量，但因為某些原因無法進入重點區(qū)域進行直接測量或者需要先行對重點區(qū)域的輻射劑量率進行估算，可以利用上述公式。通過對輻射事故現(xiàn)場某個或者幾個點的輻射劑量率測量從而計算出放射源周邊的輻射劑量率分布，如果已知某個距離的點的輻射劑量率，就可以計算重點區(qū)域的輻射劑量率。

通過計算，可得到距源500 m處重點區(qū)域的輻射劑量率是3.2 mSv·h-1，應急處理人員可以根據(jù)此劑量估算做出相應的輻射防護。除此以外，可以得到源周圍的輻射劑量率分布情況，如表5所示。

表5 輻射事故的輻射劑量率值

2.1.2 處置時間和行進速度的估算

已知輻射劑量率分布的情況下，可以控制應急處置人員在事故處置中受到輻射劑量，并對處置時間進行限制，對應急人員行進速度做出要求。

假設某固定源輻射事故中，距離源1 500 m的A點的輻射劑量率為0.1 mSv·h-1，處置人員的平均步速v為5 km·h-1，處置人員吸收的安全劑量不高于100 mSv，需要計算應急人員對放射源的處置時間。首先，確定處置人員在處置點B受到的輻射劑量率,設處置點距離放射源30 m，可得：

根據(jù)式(10)可以得到：

應急人員從干預邊界A點到達處置點后，對放射源進行處理的時間必須在0.336 h以內，即有20.16 min的處置時間。

同等的假設條件下，若已知處置時間，可以對處置人員的行進速度做出要求。假設最多需要的處置時間為15 min，那么對(9)進行變形，得到公式：

(23)

式中，v為應急處置人員的移動速度，km·h-1；t為放射源處置時間，h；DS為處置人員在處置時吸收的輻射劑量，DS取允許的最大吸收劑量，為100 mSv；r0是輻射區(qū)的邊界與放射源的距離，km。

將數(shù)據(jù)代入式(23)，得到：v>2.13 km·h-1。若要保證應急處置人員有足夠的時間對放射源進行處理，應急處置人員的平均行進速度應該不低于2.13 km·h-1。

2.2 擴散型核事故

2.2.1 輻射劑量率分布的估算

若現(xiàn)場有風，那么兩點間的輻射劑量率的關系就不再是平方反比。根據(jù)放射性煙云擴散軸線下風軸線周圍的輻射劑量率，就可以快速估算下風向擴散軸線上任意距離的輻射劑量率。距離函數(shù)的擴散率將根據(jù)大氣穩(wěn)定度的變化而變化。假設某核電站發(fā)生擴散源型事故后，大氣的穩(wěn)定度是C，此時應急處置人員測量到放射性煙羽軸線上距離輻射源約1 000 m處的輻射劑量率為0.8 mSv·h-1，需要計算煙羽軸線上距離放射源500 m處的輻射劑量率。根據(jù)式(22)，距離函數(shù)的擴散率取1.5，可以得到：

經(jīng)計算，距離放射源500 m處的輻射劑量率為2.263 mSv·h-1，下風向煙羽軸線上其他距離的點的輻射劑量率的分布如表6所示。

表6 核事故的輻射劑量率值

2.2.2 源強的估算

核事故中，放射性物質源強的確定可以幫助應急處置人員控制輻射劑量，評估事故等級。事故發(fā)生之初，放射性煙云釋放穩(wěn)定，通過測定輻射劑量率可以估算放射源的源強。根據(jù)式(16)和式(21)，得到擴散型核事故中人員受到的輻射劑量率為：

假設某131I放射源位于平原地區(qū)，發(fā)生泄漏事故，不考慮放射性核素，大氣穩(wěn)定度情況為B，平均風速為2 m·s-1。以放射源為原點，建立直角坐標系，測得點A(1000,1000)的輻射劑量率為2.5 mSv·h-1，此時事故累計發(fā)生了1 h。

2.2.3 特定輻射劑量率的位置點

在事故初期，為了確定應急人員的防護水平，及時疏散核事故附近區(qū)域的民眾，需要根據(jù)現(xiàn)場的輻射劑量來劃定警戒區(qū)，確定達到操作干預水平的邊界。通過測量已知距離放射源的輻射劑量率，可以計算固定輻射劑量率的距離，即劃定警戒區(qū)和求出干預水平的邊界，確定防護水平。

假設某核電站發(fā)生核事故，且大氣穩(wěn)定度為A，放射性煙羽穩(wěn)定釋放，在距離釋放點下風向2 km處測得輻射劑量率是0.76 mSv·h-1，根據(jù)IEAE推薦的干預缺省值，求相應的干預邊界值。劃定應急處置干預邊界一般是在事件發(fā)生的早期，此時放射性煙羽釋放穩(wěn)定，可以使用煙羽劑量估算公式，根據(jù)式(22)，可以推導出相應距離的公式：

(25)

3 結論

核事故發(fā)生的早期往往缺乏大量的輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)來構建精確的輻射劑量場分布，造成應急決策行動困難。本文根據(jù)固定源核輻射事故和擴散型核事故的特點，分析了輻射劑量的快速估算方法，并討論其在事故處置中的應用。得出結論為：(1)依據(jù)輻射劑量快速估算方法，可以在事故初期通過有限的幾個點的輻射劑量率檢測數(shù)據(jù)來估算其他重要位置的輻射劑量率，根據(jù)劑量的平方反比性質估算固定源輻射事故的輻射劑量率分布。(2)根據(jù)現(xiàn)場輻射劑量率的分布情況，對固定源輻射事故的應急處置人員吸收的總劑量做出了估算，并對事故處置時間和行進速度做出規(guī)劃。(3)核事故發(fā)生后會產生放射性核素擴散，本文利用高斯?jié)舛裙綄U散型核事故的放射性核素濃度分布做出了估算，并將核素的環(huán)境濃度轉化為輻射劑量。(4)結合大氣穩(wěn)定度，列舉了煙羽軸線上下風方向的輻射劑量率快速估算方法，劃分出事故應急干預的OIL1邊界和OIL2邊界，并提出相應的應急措施。通過對輻射劑量的估算，對于控制應急處置人員接受到的輻射劑量，劃定輻射劑量分區(qū)，提高事故處置效率，促進核事故應急救援水平提升有著現(xiàn)實意義。

圖2 應急處置干預邊界示意圖