三代核電氣、液態(tài)流出物計(jì)算及在內(nèi)陸廠址條件下環(huán)境影響優(yōu)化

陳 誠(chéng)，張立波，張君南，王曉亮

(1.中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100822； 2.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

國(guó)家能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃中明確指出：在沿海地區(qū)開(kāi)工建設(shè)一批先進(jìn)三代壓水堆核電項(xiàng)目。積極開(kāi)展內(nèi)陸核電項(xiàng)目前期論證工作，加強(qiáng)廠址保護(hù)[1]。在今后我國(guó)核電發(fā)展中，新開(kāi)工的機(jī)組將以華龍一號(hào)和AP1000等三代核電技術(shù)為主，隨著沿海廠址資源的開(kāi)發(fā)程度逐步加深，可用的沿海廠址數(shù)量逐步減少，加之內(nèi)陸用電需求的增長(zhǎng)，可以預(yù)見(jiàn)在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)有一批三代核電機(jī)組在內(nèi)陸廠址開(kāi)工建設(shè)。通過(guò)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的優(yōu)化降低排放，對(duì)內(nèi)陸核電的發(fā)展和增加公眾可接受性具有重要意義。

流出物排放是指由實(shí)踐或?qū)嵺`中的源(反應(yīng)堆)的正常運(yùn)行所產(chǎn)生的放射性核素，經(jīng)過(guò)廢物處理系統(tǒng)或控制設(shè)備(包括就地貯存和衰變)處理到足以滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之后，按照預(yù)定的途徑以氣載(氣體、氣溶膠)或液態(tài)流出物的形式向環(huán)境的排放[2]。流出物排放的計(jì)算需要考慮放射性物質(zhì)在反應(yīng)堆中的產(chǎn)生、輸運(yùn)、三廢設(shè)施的作用、衰變等多個(gè)環(huán)節(jié)。流出物排放的計(jì)算是校核和反饋電廠設(shè)計(jì)的一種重要手段，也是評(píng)估核電廠正常運(yùn)行工況下公眾可能受到的輻射劑量的基礎(chǔ)。氣液態(tài)流出物通過(guò)大氣彌散和在受納水體中的擴(kuò)散能夠直接對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響并通過(guò)外照射和進(jìn)入生物圈被人攝入而形成內(nèi)照射最終對(duì)人體產(chǎn)生影響。

美國(guó)、法國(guó)等國(guó)的核電建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明，內(nèi)陸核電和濱海核電主要差異在于自然環(huán)境的不同，從而引起對(duì)冷卻方式、廠址可行性及安全評(píng)價(jià)所關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)不同[3]。我國(guó)內(nèi)陸幅員遼闊，內(nèi)陸核電廠址的自然條件與沿海廠址相比有著較大的差異，且不同內(nèi)陸廠址之間的環(huán)境條件差別也比較大。一方面我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)，尤其是北方，水資源通常緊缺，核電廠址面臨受納水體流量較小、季節(jié)性變化大的問(wèn)題，另一方面內(nèi)陸核電廠址有相當(dāng)一部分的年均風(fēng)速較低、靜風(fēng)頻率較高，同時(shí)內(nèi)陸地區(qū)還面臨著受納條件季節(jié)性變化大等問(wèn)題。這給氣態(tài)、液態(tài)流出物的受納帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，為降低其對(duì)環(huán)境和人體的影響，需要我們通過(guò)計(jì)算方法正確評(píng)價(jià)影響，為工藝設(shè)備、排放策略等方面優(yōu)化提出建議，從而實(shí)現(xiàn)在考慮了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素之后，個(gè)人受照劑量的大小、受照射的人數(shù)以及受照射的可能性均保持在可合理達(dá)到的盡量低水平。

1 氣、液態(tài)流出物排放源項(xiàng)的計(jì)算

排放源項(xiàng)的計(jì)算需要考慮核素在不同堆型的反應(yīng)堆一回路和二回路工藝系統(tǒng)、廠房中的產(chǎn)生、輸運(yùn)、衰變、吸附、排放的全過(guò)程最終計(jì)算得到氣、液態(tài)流出物排放源項(xiàng)。AP1000排放源項(xiàng)計(jì)算采用PWR-GALE程序，其計(jì)算依據(jù)是反應(yīng)堆的運(yùn)行數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試數(shù)據(jù)以及特定電廠為降低正常運(yùn)行中(包括預(yù)期運(yùn)行事件)可能釋入環(huán)境的放射性水平而在設(shè)計(jì)中所做的一些考慮[4]，其主干計(jì)算邏輯如圖1所示。華龍一號(hào)排放源項(xiàng)的計(jì)算采用我國(guó)自主研發(fā)的CNRADREL程序，其計(jì)算邏輯建立在對(duì)目標(biāo)電廠排放流程的模擬上。

圖1 PWR-GALE程序的主干計(jì)算邏輯

1.1 氣載流出物的計(jì)算

通常根據(jù)性質(zhì)的不同將核電廠氣載流出物中的放射性物質(zhì)分為惰性氣體、碘、長(zhǎng)壽命粒子(半衰期≥8 d)、碳-14和氚這5類。按照來(lái)源分為汽輪機(jī)廠房排放、凝汽器抽氣、輔助廠房通風(fēng)排放、廢氣系統(tǒng)排放、燃料廠房通風(fēng)系統(tǒng)排放、安全殼通風(fēng)相關(guān)系統(tǒng)排放等。AP1000機(jī)型運(yùn)行工況下(包括正常運(yùn)行和預(yù)期運(yùn)行事件)的氣載放射性流出物來(lái)源主要有廢氣處理系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)、凝汽器抽氣器排氣裝置、安全殼掃氣排氣、輔助廠房、汽輪機(jī)廠房、乏燃料水池的通風(fēng)排氣、二回路系統(tǒng)蒸汽泄漏等。表1給出了三代核電的氣載流出物計(jì)算結(jié)果。

華龍一號(hào)在保守的設(shè)計(jì)工況下的氣載流出計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。AP1000在示范工程的參數(shù)下計(jì)算結(jié)果可以滿足單臺(tái)核電機(jī)組的排放標(biāo)準(zhǔn)，但是惰性氣體、碘、氚已接近國(guó)標(biāo)GB 6249—2011中規(guī)定的限值。國(guó)標(biāo)中同時(shí)規(guī)定，對(duì)于同一堆型的多堆廠址，所有機(jī)組的年總排放量應(yīng)控制在單臺(tái)機(jī)組規(guī)定值的4倍以內(nèi)，因此對(duì)于采用示范工程的AP1000機(jī)型如在同一廠址建設(shè)4臺(tái)機(jī)組以上，則有氣載流出物超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)工藝改進(jìn)和優(yōu)化后的AP1000機(jī)型氣載流出物中惰性氣體和碘顯著降低，各項(xiàng)核素(除氚外)排放遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，給單一廠址建設(shè)多臺(tái)機(jī)組(4臺(tái)以上)帶來(lái)了可能。

1.2 液態(tài)流出物的計(jì)算

華龍一號(hào)在正常運(yùn)行工況下，硼回收系統(tǒng)將主冷卻劑經(jīng)除鹽、硼水分離蒸發(fā)后，蒸餾液進(jìn)入硼水補(bǔ)給系統(tǒng)(RBM)中等待復(fù)用。當(dāng)電站需要主動(dòng)排氚時(shí)，將蒸餾液排入廢液排放系統(tǒng)中等待排往環(huán)境。廢液處理系統(tǒng)(ZLT)主要處理來(lái)自核島疏水排氣系統(tǒng)(RVD)收集的、可能含有放射性的廢液。按廢液是否具備主冷卻劑特性、化學(xué)物質(zhì)的多少、被污染程度等分為工藝疏水、化學(xué)疏水和地面疏水。AP1000運(yùn)行狀態(tài)下(包括正常運(yùn)行和預(yù)期運(yùn)行事件)液態(tài)流出物源項(xiàng)的主要來(lái)源有：從硼回收系統(tǒng)流出而產(chǎn)生的水，臟廢物或混合廢物系統(tǒng)排放而產(chǎn)生的廢液，蒸汽發(fā)生器排污處理系統(tǒng)排放而產(chǎn)生的廢液，化學(xué)廢物與冷凝水除鹽器再生系統(tǒng)排放而產(chǎn)生的廢液，汽輪機(jī)廠房疏水坑排放而產(chǎn)生的廢液，洗衣房廢水[5]。

華龍一號(hào)和AP1000的液態(tài)流出物計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表1)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。華龍一號(hào)廢液處理系統(tǒng)增加了絮凝注入及活性炭吸附工藝，使液態(tài)流出物的排放與二代加核電相比有了顯著降低。在國(guó)內(nèi)新AP1000項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中增設(shè)了絮凝處理裝置和兩臺(tái)離子交換床，結(jié)合ANSI/ANS 18.1對(duì)于主冷卻劑源項(xiàng)和參考電廠調(diào)整因子的變化，形成了優(yōu)化后的AP1000液態(tài)流出計(jì)算結(jié)果。我國(guó)在AP1000的工程實(shí)踐中針對(duì)AP1000三廢處理系統(tǒng)的工藝改進(jìn)以及近些年來(lái)電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)積累所帶來(lái)的參考電廠的主要核素活度濃度和調(diào)整因子的變化[6-7]，對(duì)AP1000的排放源項(xiàng)的計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化研究。最新的計(jì)算結(jié)果解決了多堆廠址排放超標(biāo)的問(wèn)題。

表1 三代核電流出物排放計(jì)算結(jié)果(Bq/a)

2 內(nèi)陸核電廠址特點(diǎn)及流出物監(jiān)管要求

氣載流出物隨風(fēng)輸送，使污染物的散布范圍不僅僅局限于排放源附近，大氣邊界層中的湍流運(yùn)動(dòng)，使污染物在隨風(fēng)輸送的同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)散。我國(guó)內(nèi)陸擬選廠址中，有相當(dāng)一部分的年均風(fēng)速較低、靜風(fēng)頻率較高，且一般處于丘陵河谷復(fù)雜地形和復(fù)雜氣象條件下(如桃花江、咸寧)。內(nèi)陸核電廠址，特別是北方內(nèi)陸核電廠址的大氣擴(kuò)散條件常顯示出明顯的季節(jié)性。中國(guó)核電工程有限公司對(duì)河北北部某廠址進(jìn)行了氣象調(diào)查分析，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，廠址的風(fēng)速和主導(dǎo)風(fēng)向也存在隨季節(jié)的顯著變化，各月平均風(fēng)速如圖2所示。

圖2 河北北部某廠址累年各月平均風(fēng)速

液態(tài)流出通常排放進(jìn)入受納水體，通過(guò)蒸發(fā)、引用、灌溉、洗浴等對(duì)生物圈產(chǎn)生影響。我國(guó)內(nèi)陸核電(或其他核設(shè)施)廠址中北方廠址通常受納水體條件不是很理想，國(guó)外個(gè)別內(nèi)陸核電廠址甚至完全沒(méi)有受納水體。南方核電廠址主要集中在長(zhǎng)江流域沿岸內(nèi)陸省份，隨著環(huán)境保護(hù)力度的加強(qiáng)，向受納水體排放液態(tài)流出物可能面臨更加嚴(yán)格的技術(shù)要求和政策規(guī)定。內(nèi)陸受納水體河流徑流量隨季節(jié)變化明顯。馬利軍等[8]研究了桃花江核電廠受納水體資水的月度變化規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，資水徑流量隨著月份的變化顯著，5—7月凈流量最大，平均值約為徑流量最小的10—1月份的3～4倍。

圖3 資水桃江站徑流量年內(nèi)分配特征

內(nèi)陸廠址和濱海廠址排放要求的區(qū)別主要集中在液態(tài)流出物的排放濃度，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對(duì)于濱海廠址，槽式排放出口處的放射性流出物中除氚和碳-14外其他放射性核素(其他核素)濃度不應(yīng)超過(guò)1 000 Bq/L；對(duì)于內(nèi)陸廠址，槽式排放出口處的放射性流出物中其核素濃度不應(yīng)超過(guò)100 Bq/L[9]。無(wú)論內(nèi)陸或是濱海廠址液態(tài)流出物年排放體積是大致相當(dāng)?shù)?，因此?nèi)陸核電的液態(tài)流出物排放濃度限值僅約為濱海廠址的1/10，這就對(duì)內(nèi)陸廠址的液態(tài)流出物中除氚和碳-14外其他放射性核素的吸附和凈化提出了更高的要求。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于核動(dòng)力廠的季度和月度排放控制也提出了要求，規(guī)定每個(gè)季度的排放總量不應(yīng)超過(guò)所批準(zhǔn)的年排放總量的1/2，每個(gè)月的排放總量不應(yīng)超過(guò)所批準(zhǔn)的年排放總量的1/5。

3 內(nèi)陸核電廠流出物排放和環(huán)境影響優(yōu)化

對(duì)于氣載和液態(tài)流出物，內(nèi)陸核電廠址有著其特殊的環(huán)境條件和受納限制條件，需要對(duì)其氣、液態(tài)流出物的環(huán)境排放進(jìn)行專門(mén)考慮。另一方面隨著技術(shù)的進(jìn)步，先進(jìn)的凈化設(shè)備的凈化效率不斷提高，為了實(shí)現(xiàn)“合理可行盡可能低”(As Low As Reasonably Achievable (ALARA)原則，在將來(lái)可能的內(nèi)陸核電建設(shè)中也需要采用新的技術(shù)降低氣、液態(tài)流出物的排放。

3.1 增加先進(jìn)凈化工藝

核電廠廢液處理系統(tǒng)中用于降低氚和碳-14以外核素的工藝手段主要為離子交換、蒸發(fā)技術(shù)、膜處理和化學(xué)絮凝注入等4種，后者的凈化效果最好。以AP1000為例，廠房的設(shè)計(jì)可以容納5級(jí)陽(yáng)床/廢液離子交換樹(shù)脂床，工藝改進(jìn)后WLS對(duì)碘、銫/銣、其他核素的去污因子分別達(dá)到了2 200、125 000、250 000[10]，而工藝改進(jìn)之前對(duì)這3種核素的去污因子均為1 000，可見(jiàn)去污能力顯著提升(見(jiàn)表2)。

表2 增加工藝設(shè)備后AP1000的去污因子

1)括號(hào)內(nèi)為發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)源項(xiàng)的預(yù)期運(yùn)行事件時(shí)的設(shè)備去污因子。

隨著對(duì)關(guān)鍵廠房處理設(shè)備的投入，這些原認(rèn)為在氣載流出物排放中次要的廠房已經(jīng)在氣載流出物中占據(jù)重要份額。以AP1000為例，輔助廠房(包含燃料操作區(qū)域，燃料操作區(qū)域位于輔助廠房?jī)?nèi)，在計(jì)算程序中單獨(dú)考慮)占到了非常大的比例，如圖4所示。

圖4 AP1000各廠房氣載流出物比例

內(nèi)陸核電與濱海核電廠址相比，氣象擴(kuò)散條件通常較為不利，可以考慮在新建內(nèi)陸核電中針對(duì)各輔助廠房設(shè)置活性炭吸附(效率90%)和HEPA過(guò)濾(效率99%)等設(shè)備，使氣載流出物實(shí)現(xiàn)經(jīng)吸附過(guò)濾后的受控排放，這將顯著降低氚和碳-14以外氣載流出物的排放總量。

3.2 適當(dāng)增加排放罐槽的貯存能力

華龍一號(hào)排放前設(shè)置了3×500 m3暫存槽。AP1000未在排放前設(shè)置暫存槽。華龍一號(hào)的暫存貯槽相對(duì)較大，按設(shè)計(jì)工況，現(xiàn)有設(shè)施能貯存半年左右的排放量，AP1000的暫存能力則稍弱。華龍一號(hào)廢氣處理系統(tǒng)中專門(mén)設(shè)置了衰變罐，考慮其充滿時(shí)間為30 d，衰變時(shí)間為60 d，AP1000則無(wú)相應(yīng)設(shè)置。對(duì)于氣載流出物中半衰期為8.3 d的I-131(在鈾裂變產(chǎn)物份額中占0.82%)和半衰期為5.2 d的Xe-133，華龍一號(hào)的設(shè)置衰變罐所增加的系統(tǒng)衰變時(shí)間(約90天)已經(jīng)相當(dāng)可觀。

新建內(nèi)陸核電中可以考慮在廢液排放系統(tǒng)中增加衰變槽數(shù)量或體積，AP1000機(jī)型可以參考華龍一號(hào)的有關(guān)設(shè)計(jì)新增氣載流出物衰變罐。這不僅有利于降低短壽命核素的排放量，也有利于內(nèi)陸核電機(jī)組排放形成季節(jié)間的調(diào)整能力，達(dá)到降低環(huán)境影響的目的。

3.3 根據(jù)環(huán)境情況適時(shí)排放

同一廠址在相同的流出物排放總量的條件下，在大氣擴(kuò)散條件、受納水體稀釋條件不同時(shí)，其對(duì)環(huán)境和公眾造成的輻射劑量會(huì)有所不同。

對(duì)于氣載流出物的排放應(yīng)考慮在核電廠址周邊設(shè)置若干氣象觀測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)氣象條件的變化，計(jì)算出實(shí)時(shí)的大氣擴(kuò)散因子數(shù)據(jù)，結(jié)合人口分布、農(nóng)作物生長(zhǎng)、養(yǎng)殖等數(shù)據(jù)，優(yōu)化計(jì)算出合理的排放方案，在大氣擴(kuò)散條件好時(shí)適當(dāng)多排，大氣擴(kuò)散條件差時(shí)適當(dāng)少排，降低氣載流出物對(duì)環(huán)境和居民的影響。

對(duì)于液態(tài)流出物的排放，內(nèi)陸核電廠址應(yīng)根據(jù)受納水體徑流量逐月的變化趨勢(shì)，結(jié)合下游取水、灌溉、養(yǎng)殖等數(shù)據(jù)優(yōu)化計(jì)算，在滿足國(guó)標(biāo)關(guān)于季度、月度排放量限值的條件下，得到環(huán)境影響最小的排放方案。

需要指出的是氣液態(tài)流出物根據(jù)環(huán)境情況的適時(shí)排放必須在對(duì)核設(shè)施運(yùn)行或活動(dòng)的開(kāi)展不存在可能引起輻射危險(xiǎn)的情況下進(jìn)行。如核電廠已具備足夠的流出物貯存能力且貯存后適時(shí)排放不影響核電廠的安全和正常運(yùn)行，才可以考慮本措施。

4 結(jié)論

以AP1000和華龍一號(hào)為代表的三代核電技術(shù)單臺(tái)機(jī)組的氣載和液態(tài)流出物排放總量能夠滿足我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的要求。經(jīng)優(yōu)化后的AP1000機(jī)組排放量顯著降低，為單個(gè)廠址4臺(tái)以上機(jī)組的建設(shè)帶來(lái)了可能。華龍一號(hào)和AP1000在氣、液態(tài)流出物的處理工藝和設(shè)備上有所不同，華龍一號(hào)的去污能力和系統(tǒng)容量更大，對(duì)于AP1000在內(nèi)陸廠址條件下，降低排放總量有很重要的參考意義。

內(nèi)陸廠址在氣載和液態(tài)流出物受納環(huán)境方面與濱海廠址相比較為不利，氣體方面體現(xiàn)在年均風(fēng)速較低、靜風(fēng)頻率較高，液態(tài)方面體現(xiàn)在水體受納能力小于海洋，且北方內(nèi)陸廠址通常缺乏受納水體。法規(guī)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于內(nèi)陸廠址液態(tài)排放提出了更高的要求，且規(guī)定了在受納水體下游的放射性濃度。

通過(guò)分析三代核電氣、液態(tài)流出物的工藝特點(diǎn)和內(nèi)陸廠址的特殊環(huán)境條件，本文提出了增加氣體和液體流出物凈化的工藝設(shè)備降低流出物排放總量；增加氣、液態(tài)流出物暫存能力，增加衰變時(shí)間，降低短壽命核素的排放量，同時(shí)使核電機(jī)組具備排放的季節(jié)調(diào)整能力；根據(jù)廠址季節(jié)大氣擴(kuò)散條件和受納水體徑流量制定優(yōu)化排放方案；將液態(tài)流出物轉(zhuǎn)為氣態(tài)排放三方面的技術(shù)優(yōu)化建議和策略方案，為進(jìn)一步減少內(nèi)陸核電的氣、液態(tài)流出物排放總量和降低環(huán)境影響提供了支撐。