后處理廠應(yīng)急操作干預(yù)水平分析與計(jì)算

徐瀟瀟， 張建崗， 王學(xué)新， 李國強(qiáng)， 孫洪超， 莊大杰

(中國輻射防護(hù)研究院， 山西 太原，030006)

0 引言

操作干預(yù)水平是核事故情況下以環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)實(shí)施響應(yīng)行動(dòng)的準(zhǔn)則，可利用監(jiān)測(cè)結(jié)果迅速比對(duì)確定人員的防護(hù)行動(dòng)，因此在福島核事故之后，國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)出版的“安全標(biāo)準(zhǔn)叢書”第GSR Part 7號(hào)《核或輻射應(yīng)急的準(zhǔn)備與響應(yīng)》[1]中，明確要求使用操作干預(yù)水平作為核與輻射應(yīng)急戰(zhàn)略的依據(jù)之一。

我國已建成后處理中試廠，后處理示范工程已批準(zhǔn)建設(shè)，之后還將建造大型商用后處理廠。2016年6月環(huán)保部發(fā)布了《民用核燃料循環(huán)設(shè)施分類原則和基本要求(試行)》，把后處理設(shè)施歸為一類設(shè)施，即高度風(fēng)險(xiǎn)，具有顯著的潛在廠外輻射后果。因此后處理廠的應(yīng)急響應(yīng)需要考慮公眾防護(hù)行動(dòng)。

我國核電廠已經(jīng)使用操作干預(yù)水平，用于核事故情況下人員的防護(hù)行動(dòng)的指導(dǎo)。而乏燃料后處理設(shè)施在事故類型、釋放方式、持續(xù)時(shí)間以及釋放的放射性物質(zhì)以及廠址環(huán)境(主要影響的是再懸浮因子)與核電廠有所不同，本文針對(duì)后處理廠的特點(diǎn)，開展事故條件下操作干預(yù)水平的分析與計(jì)算。

1 后處理廠操作干預(yù)水平制定的特點(diǎn)

我國還未見文獻(xiàn)有針對(duì)后處理廠事故進(jìn)行操作干預(yù)水平的分析計(jì)算，盡管國內(nèi)核電廠都制定事故下操作干預(yù)水平值，但后處理廠不能參考使用，主要的問題是：

(1) 事故類型和情景不同。

后處理核設(shè)施與反應(yīng)堆核設(shè)施相比，不涉及反應(yīng)堆等高溫高壓工藝過程，新燃料的放射性和衰變熱相對(duì)較小，但是后處理廠處理對(duì)象涉及易裂變材料、裂變產(chǎn)物、易燃有機(jī)溶劑和有毒物質(zhì)，核安全和化學(xué)安全問題并存與整個(gè)后處理過程中。目前世界上大型后處理廠差不多采用PUREX流程，在該濕法工藝過程中涉及大量化學(xué)反應(yīng)，有些反應(yīng)還會(huì)產(chǎn)生氣體和熱量，對(duì)后處理廠安全運(yùn)行造成影響。

后處理廠是將核電廠產(chǎn)生的乏燃料剪切并進(jìn)行化學(xué)處理，放射性物質(zhì)隨著化工工藝的流程分布在工藝系統(tǒng)及產(chǎn)品、廢物之中，產(chǎn)生的廢物集中了乏燃料99%以上的放射性物質(zhì)；而在核電廠，99%以上的放射性物質(zhì)被包容在反應(yīng)堆內(nèi)的堆芯燃料組件內(nèi)。

從已發(fā)生的事故來看，核電廠已發(fā)生的嚴(yán)重核事故有1979年的美國三哩島核事故、1986年的前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故和2011年的日本福島核事故；后處理廠的嚴(yán)重事故有1957年前蘇聯(lián)南烏拉爾高放大罐爆炸事故和1999年日本東海村后處理廠臨界事故。

按照國際核事件分級(jí)，切爾諾貝利核事故和福島核事故為7級(jí)，三哩島核事故為5級(jí)，南烏拉爾高放大罐爆炸事故為6級(jí)。

核電廠嚴(yán)重事故主要是堆芯熔化，安全殼損壞，放射性物質(zhì)大量釋放到環(huán)境中，產(chǎn)生的煙羽會(huì)持續(xù)時(shí)間由數(shù)天至數(shù)十天；后處理廠嚴(yán)重事故主要是火災(zāi)、爆炸，火災(zāi)或爆炸后放射性物質(zhì)釋放的持續(xù)時(shí)間一般數(shù)小時(shí)至數(shù)天。

(2) 釋放源項(xiàng)不同。

壓水堆核電廠通常在較高的溫度、壓力和大流量下運(yùn)行，在運(yùn)行異常時(shí)則會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)性瞬變，在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的裂變產(chǎn)物；在后處理廠中，所處理的乏燃料元件已放置了很長(zhǎng)時(shí)間，裂變產(chǎn)物已經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的衰變，短壽命核素含量較少。

并且，由于后處理廠嚴(yán)重事故釋放到環(huán)境的主要放射性核素主要是α和β衰變鏈，這樣應(yīng)急情況下公眾受照劑量主要是來源于內(nèi)照射，而核電廠嚴(yán)重事故應(yīng)急情況下公眾受照劑量有很大部分是來源外照射。

(3) 廠址環(huán)境。

目前我國核電廠主要分布在沿海地區(qū)，后處理廠主要在內(nèi)陸戈壁地區(qū)。核電廠與后處理廠不同的環(huán)境，導(dǎo)致影響公眾外照劑量的懸浮因子有量級(jí)上的差別(見表1)。

(4) 人口的差異。

我國核電廠位于經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)(以福清核電廠為例，廠址半徑5 km范圍涉及6個(gè)行政村，共有人口達(dá)到了1 萬多人)；后處理廠目前主要在內(nèi)陸、經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)，廠區(qū)外居民點(diǎn)很少。

(5) 由于后處理廠在事故類型、事故情景、釋放源項(xiàng)、廠址環(huán)境和人口上都與核電廠存在較大的差異。因此后處理廠操作干預(yù)水平制定時(shí)需要考慮后處理廠的特點(diǎn)。

表1 不同環(huán)境條件下的再懸浮因子[2]

2 后處理廠操作干預(yù)水平的計(jì)算方法

目前我國核電廠操作干預(yù)水平計(jì)算方法主要來自IAEA-TECDOC-955技術(shù)文件，IAEA最新的操作干預(yù)水平技術(shù)文件是2017年出版的《Operational Intervention Levels for Reactor Emergencies》(IAEA EPR-NPP-OIL)報(bào)告[2]。

IAEA-TECDOC-955技術(shù)文件與IAEA EPR-NPP-OIL報(bào)告，在操作干預(yù)水平制定使用的劑量準(zhǔn)則、監(jiān)測(cè)對(duì)象、監(jiān)測(cè)類別、防護(hù)行動(dòng)限值、計(jì)算方法等方面有所區(qū)別。

IAEA EPR-NPP-OIL報(bào)告提供的操作干預(yù)水平的默認(rèn)值，是依據(jù)IAEA 《輻射防護(hù)與輻射源安全：國際基本安全標(biāo)準(zhǔn)》(IAEA GSR 3)中為減少隨機(jī)效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的防護(hù)行動(dòng)和其它響應(yīng)行動(dòng)的通用準(zhǔn)則導(dǎo)出的，目前國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)《核或輻射應(yīng)急準(zhǔn)備與響應(yīng)通用準(zhǔn)則》中采用的為減少隨機(jī)性效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的隨機(jī)性效應(yīng)閾劑量與IAEA GSR 3中通用準(zhǔn)則一致。

IAEA-TECDOC-955技術(shù)文件報(bào)告提供的操作干預(yù)水平的默認(rèn)值，是依據(jù)IAEA《國際電離輻射防護(hù)和輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(BSS 115)中應(yīng)急照射情況下通用優(yōu)化干預(yù)水平導(dǎo)出的，我國現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)《電離輻射防護(hù)和輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18871—2002)[3]是以BSS 115為基礎(chǔ)修訂的，其中，對(duì)于應(yīng)急照射下劑量控制的基本要求與BSS 115一致。

2.1 IAEA-TECDOC-955的方法

IAEA-TECDOC-955中導(dǎo)出操作干預(yù)水平的準(zhǔn)則與GB 18871—2002附錄E中E2應(yīng)急照射情況下的通用優(yōu)化干預(yù)水平和行動(dòng)水平[3]一致，其中緊急防護(hù)行動(dòng)(隱蔽、撤離)使用的通用優(yōu)化干預(yù)水平是10 mSv，考慮的是在核事故情況下，公眾采取隱蔽、撤離的防護(hù)行動(dòng)可避免10 mSv的劑量。

本文對(duì)后處理廠使用可避免劑量10 mSv作為隱蔽、撤離的防護(hù)行動(dòng)準(zhǔn)則，并采用式(1)計(jì)算了俄羅斯Tomsk“紅油”爆炸事故和某后處理廠蒸發(fā)器紅油爆炸事故條件下的操作干預(yù)水平OIL1(撤離行動(dòng))的值，得到OIL1計(jì)算結(jié)果的數(shù)值很小，在常用γ劑量率儀的探測(cè)限以下。主要是原因是由于后處理廠嚴(yán)重事故釋放到環(huán)境中的放射性核素主要是α和β衰變鏈核素，應(yīng)急情況下公眾有效劑量主要是來源于內(nèi)照射，使得式(1)中外照射劑量與有效劑量比值很小。

(1)

式中，OIL1為撤離操作干預(yù)水平值，mSv/h；GILe為撤離的通用干預(yù)水平(見GB 18871附錄B)；R1為有效劑量(包括外照和內(nèi)照所致劑量)與外照射(包括煙羽外照射和地面外照射)劑量之比；Te為預(yù)期受煙羽照射時(shí)間，h。

并且對(duì)于核電廠來說，宣布場(chǎng)外應(yīng)急到大量放射性物質(zhì)釋放至少有數(shù)小時(shí)或數(shù)天的時(shí)間，這也為在放射性物質(zhì)釋放前啟動(dòng)防護(hù)行動(dòng)提供時(shí)機(jī)，這樣核電廠執(zhí)行撤離等防護(hù)行動(dòng)的可避免劑量可達(dá)到最大。而對(duì)于后處理廠操作干預(yù)水平來說，如果發(fā)生有大量放射性物質(zhì)釋放的事故(如高放廢液蒸發(fā)器爆炸)，發(fā)布場(chǎng)外應(yīng)急時(shí)，放射性物質(zhì)已經(jīng)就開始釋放到環(huán)境中。這樣后處理廠的公眾執(zhí)行撤離等防護(hù)行動(dòng)的可避免劑量實(shí)際就很小。若操作干預(yù)水平采用可避免劑量在實(shí)際操作和計(jì)算中不確定性較高，且無法考慮多重防護(hù)行動(dòng)的疊加；同時(shí)，與預(yù)期劑量相比，可避免劑量不便計(jì)算，也不利于緊急情況下和早期行動(dòng)中的決策。因此，對(duì)于后處理廠可以考慮使用IAEA EPR-NPP-OIL中使用預(yù)期劑量導(dǎo)出操作干預(yù)水平的方法。

2.2 IAEA EPR-NPP-OIL的方法

IAEA EPR-NPP-OIL采用的操作干預(yù)水平計(jì)算方法，是依據(jù)IAEA GSR 3中為減少隨機(jī)效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的防護(hù)行動(dòng)和其它響應(yīng)行動(dòng)的通用準(zhǔn)則導(dǎo)出的。應(yīng)急照射情況下，GSR 3提供了一套與20～100 mSv范圍的參考水平(用剩余劑量表示)相一致的在防護(hù)策略中采用的一套準(zhǔn)則(用預(yù)期劑量和已接受劑量表示)，用作應(yīng)急情況下為減少隨機(jī)效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)采取的具體防護(hù)行動(dòng)和其他響應(yīng)行動(dòng)通用準(zhǔn)則(見表2)。

針對(duì)減少隨機(jī)效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，GSR 3用預(yù)期劑量取代了可避免劑量。GSR 3以預(yù)期劑量與通用準(zhǔn)則進(jìn)行比較，這是通過實(shí)際使用過程中改進(jìn)的結(jié)果。我國近幾年的實(shí)際工作中，也已用預(yù)期劑量取代了可避免劑量。

表2 操作干預(yù)水平的計(jì)算準(zhǔn)則

2.2.1OIL1

操作干預(yù)水平OIL1(撤離行動(dòng))考慮地面照射情景和煙羽照射情景，后處理廠的OIL1值取兩個(gè)情景計(jì)算得到較保守的值。

(1) 地面照射情景

撤離行動(dòng)的操作干預(yù)水平OIL1(地面照射情景)由式(2)計(jì)算：

WFOIL1×DAOIL1(t)

(2)

(2) 煙羽照射情景

撤離行動(dòng)的操作干預(yù)水平OIL1(煙羽照射情景)由式(3)計(jì)算：

WFOIL1×DAOIL1(t)

(3)

(4)

式中，eair-sh,i(adult)為放射性核素i的每單位體積活度給成人造成的外部有效劑量率，(Sv/s)·(Bq/m2)-1；SFe→H*是將有效劑量率轉(zhuǎn)化為周圍劑量當(dāng)量率的換算系數(shù)(對(duì)所關(guān)注的光子能量)，無量綱，取1.4。

(3) 操作干預(yù)水平OIL1(撤離行動(dòng))考慮地面照射情景和煙羽照射情景下分別的計(jì)算值中的最小值。

2.2.2OIL2

避遷行動(dòng)的操作干預(yù)水平OIL2由式(5)計(jì)算：

WFOIL2×DAOIL2(t)

(5)

式中，WFOIL2為權(quán)重因子，用于避免按OIL2實(shí)施不正當(dāng)?shù)捻憫?yīng)行動(dòng)，取值為1；DAOIL2(t)為t時(shí)刻的釋放產(chǎn)物地面沉積濃度，Bq/m2；其它量同前。

2.2.3OIL3

早期食品限制行動(dòng)的操作干預(yù)水平OIL3由式(6)計(jì)算：

WFOIL3×DAOIL3(t)

(6)

式中，WFOIL3為權(quán)重因子，用于避免按OIL3實(shí)施不正當(dāng)?shù)捻憫?yīng)行動(dòng)，取值為5；DAOIL3(t)為t時(shí)刻的釋放產(chǎn)物地面沉積濃度，Bq/m2；其它量同前。

3 后處理廠操作干預(yù)水平計(jì)算分析

IAEA EPR-NPP-OIL報(bào)告中的操作干預(yù)水平計(jì)算方法，放射性核素釋放量是計(jì)算的唯一輸入，因此放射性核素釋放量直接影響操作干預(yù)水平計(jì)算，本文以EPR-NPP-OIL報(bào)告中所給的38種核素進(jìn)行分析，得到其中134I對(duì)OIL1和OIL2影響最大，86Rb對(duì)OIL1和OIL2影響最小。分析如下：

(1) 假設(shè)核素的釋放份額一致。將EPR-NPP-OIL報(bào)告中所給的38種核素的釋放份額取一致，計(jì)算出OIL1、OIL2的值作為標(biāo)準(zhǔn)值。將釋放份額同時(shí)擴(kuò)大或減小同樣的倍數(shù)，計(jì)算出的OIL1、OIL2值不發(fā)生變化。

(2) 將38種核素的釋放份額擴(kuò)大1 000倍，分別計(jì)算OIL1、OIL2，將38種核素OIL1、OIL2值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，得到38種核素對(duì)OIL1、OIL2影響的重要性排序列于表3。

表3 核素對(duì)操作干預(yù)水平值影響的重要性排序

由于后處理廠事故釋放到環(huán)境中放射性核素的種類和釋放量難以獲得，本文以俄羅斯Tomsk“紅油”爆炸事故環(huán)境釋放源項(xiàng)[4]為例，計(jì)算操作干預(yù)水平(OIL1，OIL2，OIL3)，結(jié)果列于表4。

表4 后處理廠操作干預(yù)水平計(jì)算結(jié)果

4 小結(jié)

本文根據(jù)后處理廠操作干預(yù)水平制定的特點(diǎn)，以俄羅斯Tomsk“紅油”爆炸事故源項(xiàng)為例，分別采用以可避免劑量和預(yù)期劑量導(dǎo)出操作干預(yù)水平的兩種方法，計(jì)算后處理廠操作干預(yù)水平。

計(jì)算結(jié)果顯示，采用可避免劑量作為隱蔽、撤離的防護(hù)行動(dòng)準(zhǔn)則，計(jì)算得到后處理廠嚴(yán)重事故操作干預(yù)水平OIL1計(jì)算結(jié)果數(shù)值很小，在常用γ劑量率儀的探測(cè)限以下。使用可避免劑量導(dǎo)出操作干預(yù)水平的計(jì)算方法時(shí)，考慮到放射性核素釋放量是計(jì)算的唯一輸入，給出了核素對(duì)操作干預(yù)水平值影響的重要性排序，并得到了操作干預(yù)水平OIL1、OIL2和OIL3的值，可以為后處理廠場(chǎng)外公眾防護(hù)行動(dòng)提供指導(dǎo)，完善后處理廠應(yīng)急準(zhǔn)備和管理。