田灣核電站1、2號機組操作干預水平OIL1、OIL2的確定

(江蘇核電有限公司,江蘇 連云港 222000)

核事故一般可分為三個階段，即早期、中期和后期。事故時可針對各發(fā)展階段的不同特點采取相應的防護措施。防護行動一般包括隱蔽、撤離、服碘、臨時性避遷、永久性再定居以及食物及飲用水限制。當核電站發(fā)生核事故時，電站可通過操作干預水平(簡稱“OIL”)來確定場外公眾防護行動。操作干預水平實際是將周圍環(huán)境劑量率和標記核素(131I、137Cs)活度濃度作為采取防護行動的指標值。核事故發(fā)生時，大量放射性核素釋放到環(huán)境中，如果通過環(huán)境測量儀器得到的監(jiān)測結(jié)果達到了操作干預水平，應當考慮采取相應的防護行動。

田灣核電站1、2號機組早期使用的操作干預水平為2005年發(fā)布的，其技術路線主要參照IAEA-TECDOC-955中的計算方法制定的，但制定過程未充分考慮田灣核電站機組設計特點以及廠址環(huán)境特征。另外田灣核電站已實施了長周期換料，機組一回路總源項以及各典型事故的源項發(fā)生了變化，早期確定的操作干預水平默認值也需要重新論證(見表1)。操作干預水平共有9條(見表2)，確定適合于廠址和設施特征(事故源項、氣象條件等)的OIL值，特別是用于事故早期行動的OIL1和OIL2，有助于在事故早期快速作出決策，也是核電廠在核事故初期情況下提出公眾防護建議的主要依據(jù)之一。

表1(A) 田灣核電站1、2號機組原有操作干預水平(OIL)默認值

表2 IAEA給出核電站事故工況下OIL的缺省值

適用條件：低架釋放；用于距釋放源1～3 km距離范圍，亦可偏安全地用于3～5 km距離范圍；預期煙羽照射時間4 h；無降水。

表1(B) 田灣核電站1、2號機組原有操作干預水平(OIL)默認值

適用條件：低架和高架釋放；用于距釋放源約5～10km距離范圍，亦可近似用于10～25km距離范圍；預期煙羽照射時間4小時；無降水。

1 田灣核電站廠址氣象條件的分析

田灣核電站廠址地處江蘇省淮河-蘇北灌溉總渠一線以北的徐淮地區(qū)，為北溫帶半濕潤季風氣候區(qū)。氣候基本特征是季風氣候顯著：冬冷夏熱，四季分明，具有海洋性和大陸性氣候雙重特點。

廠址所在區(qū)域的天氣條件是由于高空天氣系統(tǒng)如東亞大槽、西太平洋副熱帶高壓等和地面天氣系統(tǒng)如氣旋、冷鋒等活動造成的，而常年氣候特征基本上由大氣環(huán)流決定。

1.1 降雨量

廠址區(qū)域雨日的季節(jié)分布為夏季最多，冬季最小，春秋居中。根據(jù)2017年1月至2018年12月兩整年的氣象塔梯度觀測數(shù)據(jù)以及地面站觀測數(shù)據(jù)，廠址兩年降水量分布為927.3 mm、648.3 mm。觀測期間2018年7月23日降水量最多，為90.3 mm，2017年7月降水量最小，為0.9 mm。

1.2 廠址地區(qū)風向及風速統(tǒng)計

廠區(qū)氣象觀測系統(tǒng)觀測期間(2017年1月至2018年12月)10 m、30 m、70 m和100 m全年的風頻和平均風速進行分析，可以得出鐵塔氣象站10 m層、30 m層、70 m層、100 m層最多風向均為NNE-ENE方位，風向頻率分別為29.84%、30.46%、28.25%和28.99%；10 m層和30 m層的次多風向為WSW-WNW，風向頻率分別為25.63%和25.04%；70 m層次多風向為SSW-WNW，風向頻率為27.42%；100 m層的次多風向為SW-W，風向頻率為24.26%。

田灣核電站廠區(qū)鐵塔氣象站各層的年平均風速分別為：10 m層為2.7 m/s；30 m層為3.5 m/s；70 m層為4.1 m/s；100 m層為4.4 m/s。

平均風速隨高度的增加而增大，100 m層和10 m層年平均風速差為1.7 m/s，是10 m層年均風速的63%。

廠址地區(qū)10 m層、30 m層、70 m層、100 m層全年靜風頻率分別為2.66%、1.92%、 2.88%和2.21%。

1.3 聯(lián)合頻率

按照《核電廠廠址選擇的大氣彌散問題》(HAD101/02)導則要求，在聯(lián)合頻率統(tǒng)計中，風向分16個方位，靜風風向延續(xù)前一時刻風向。將風速劃分為6級，即：風速小于0.5 m/s按靜風處理，作為第一級風速；0.5～1.9 m/s為第二級風速；2.0～2.9 m/s為第三級風速；3.0～4.9 m/s為第四級風速；5.0～5.9 m/s為第五級風速；大于6.0 m/s為第六級風速。

田灣核電站廠區(qū)鐵塔氣象站2017年1月至2018年12月按照Pasquill六類大氣穩(wěn)定度統(tǒng)計得到的風向、風速、大氣穩(wěn)定度聯(lián)合頻率分布。統(tǒng)計結(jié)果分別按有雨和無雨、有雨、無雨三種情況給出。得到廠址地區(qū)各穩(wěn)定度所占比例分別為：A類：0.84%;B類：1.44%;C類：3.10%;D類：69.96%;E類：20.36%;F類：4.31%。

1.4 混合層高度

中國輻射防護研究院曾于1997年夏季和冬季為田灣一期工程在廠址一帶開展過短期低空探測，用干絕熱上升法由逐一探空溫度廓線和地面溫度確定各時刻混合層高度的平均值。夏季正午前后混合層達到最高，冬季混合層高度異常低。究其原因是夜間和早晚時分貼地層或是逆溫或是近等溫。

利用射陽探空站的1991年至1995年和2001年至2005年逐日的早8時探空和當日最高氣溫觀測資料確定的最大混合層高度，結(jié)果顯示兩組數(shù)據(jù)確定的最大混合層年高度比較接近，年平均值分別為911 m和925 m。

參照GB/T3840-91《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法》推薦的中性穩(wěn)定度混合層高度計算公式的中性穩(wěn)定度的混合層高度775 m。

根據(jù)采用探空資料得到的最大混合層高度和采用GB/T 3840—91推薦的中性穩(wěn)定度混合層高度計算公式的計算結(jié)果，又根據(jù)這些混合層高度特征值的大小范圍及大氣邊界層越不穩(wěn)定混合層發(fā)展越旺盛的一般概念，綜合考察上列數(shù)據(jù)，給出正常工況評價的混合層高度取800 m(A、B類穩(wěn)定度)，和600 m(C、D類穩(wěn)定度)，該取值是偏保守和合理的。

1.5 擴散參數(shù)

田灣核電站廠址區(qū)域擴散參數(shù)的測量采用了SF6示蹤實驗、鐵塔湍流測量和風洞室內(nèi)模擬三種方法。對上述三種獲得的中性天氣(D類)橫向擴散參數(shù)和縱向擴散參數(shù)隨下風距離變化的曲線進行比較，可知三種方法得出的σy值(擴散質(zhì)點隨濃度中心軸距離的濃度分布的均方差，是大氣擴散能力的度量)吻合得很好，對于σz而言，SF6實驗結(jié)果與湍流測量結(jié)果幾乎一致。因此，鑒于P-G擴散參數(shù)在IAEA《安全叢書》50-SG-S3和HAD101/02中均有推薦，且已廣泛應用于核電站氣載放射性流出物大氣彌散計算，因此，其擴散參數(shù)具有較為普遍的適用性，結(jié)合多個核電站廠址大氣環(huán)境影響評價經(jīng)驗，田灣核電站一期工程推薦采用P-G擴散參數(shù)曲線進行大氣彌散估算。

1.6 田灣核電站廠址典型氣象條件

降水類型的劃分為無降水、小雨、中雨、大雨，其中對有降雨時的降雨量劃分，按InterRAS分為小雨(<2.54 mm/h)、中雨(2.54～7.62 mm/h)、大雨(> 7.62 mm/h)三類情況來處理。根據(jù)田灣核電站廠址2017年1月到2018年12月兩整年逐時觀測資料，統(tǒng)計出各降水類型的概率如表3所示?？梢钥闯?，田灣核電無降水情況占大多數(shù)，在降雨情況下小雨占大部分，而中雨和大雨總共只占0.90%。同時考慮到采用小雨作為降雨情況的代表是偏保守的，因此在田灣核電操作干預水平速查手冊中對降雨類型的考慮分為無降水和有降雨兩種情況。

表3 田灣核電站廠址降雨類型出現(xiàn)概率Table 3 The occurrence probability of rainfall type atTianwan nuclear power plant site

同時統(tǒng)計出各降雨類型下穩(wěn)定度-風速聯(lián)合頻率見表4。

表4 田灣核電站廠址風速-雨量-穩(wěn)定度聯(lián)合頻率(%)

從上表可以看出，田灣核電站廠址無降水、風速級在2～4 m/s、D類穩(wěn)定度出現(xiàn)概率最高，為26.44%。因此，田灣核電站OIL1和OIL2性質(zhì)分析中考慮的典型氣象條件為：無降水、D類穩(wěn)定度、風速級為2～4 m/s、混合層高度600 m。

2 田灣核電站設計特點及引用技術路線的分析

2.1 放射性源項

核電廠的各類放射性物質(zhì)均源于反應堆燃料芯塊內(nèi)的鏈式裂變反應。正常運行工況下裂變產(chǎn)生的放射性裂變產(chǎn)物絕大部分都包容在燃料元件的包殼內(nèi)，只有極少量的裂變產(chǎn)物通過燃料棒包殼缺陷泄漏到一回路冷卻劑中；同時裂變產(chǎn)生的中子使一回路冷卻劑、硼酸和其它結(jié)構(gòu)材料及其腐蝕產(chǎn)物受到激活而產(chǎn)生活化產(chǎn)物。這些泄漏出的裂變產(chǎn)物和一回路冷卻劑中的活化產(chǎn)物形成反應堆冷卻劑中的放射性源。它們通過冷卻劑的凈化、蒸汽發(fā)生器傳熱管束的泄漏等將放射性物質(zhì)轉(zhuǎn)移到核輔助系統(tǒng)和二回路系統(tǒng)。

2.2 典型嚴重事故源項

田灣核電站1、2號機組操作干預水平的估算，考慮典型的嚴重事故研究成果，包括壓水堆核電機組美國《反應堆安全研究》(WASH-1400)確定的PWR1～PWR9九種放射性釋放類，結(jié)合田灣核電站最終安全分析報告中的嚴重事故源項，同時選取典型設計基準事故源項。

根據(jù)田灣核電站一期工程《環(huán)評報告》，各類設計基準事故中主蒸汽管斷裂和蒸汽發(fā)生器一根傳熱管破口事故(MSLB)后果最嚴重，選擇該事故作為典型設計基準事故。

根據(jù)田灣核電站1、2號機組最終安全分析報告，采用大破口失水事故疊加全廠24 h斷電事故(LLOCA+SBO)作為確定田灣核電站操作干預水平的嚴重事故源項。

3 田灣核電站OIL1和OIL2初始設定值計算

OIL1和OIL2用于核事故早期階段，作為給出是否采取相應緊急防護行動建議的參考。為了確定更合理的操作干預水平初始設定值，采用InterRAS程序?qū)μ餅澈穗娬?、2號機組不同典型嚴重事故源項及各類環(huán)境特征下的估算OIL1和OIL2初始設定值。

3.1 田灣核電站OIL1特征分析

根據(jù)1.6中確定的典型氣象條件，可以計算出各典型釋放類時OIL1隨距離的變化情況，如表5所示。

表5 OIL1隨釋放類和距離的變化情況

MSLB為田灣核電站一期工程設計基準事故，本報告中將不根據(jù)本事故指導田灣核電站1、2號機組核事故應急期間操作干預水平的推薦值選取。

可以看出，在典型氣象條件，12個換料和18個換料條件下，根據(jù)各典型嚴重事故源項的OIL1計算值隨距離的變化特征均表現(xiàn)為隨距離的增加而增大。同時各距離上OIL1的平均值隨典型嚴重事故源項的變化較大。

根據(jù)在典型氣象條件下各典型嚴重事故源項OIL1計算值在各距離上的平均值，保守推薦，在田灣核電站1、2號機組核事故應急期間，事故釋放特征不清楚的情況下，12個月?lián)Q料條件下，各典型事故計算出的OIL1的平均值最小值為0.52 mSv/h，絕大數(shù)情況下計算出的OIL1的值大于最小平均值0.52 mSv/h，考慮能夠包絡大多數(shù)的限值，對OIL1推薦缺省值取0.5 mSv/h，能夠包絡；18個月?lián)Q料條件下，各典型事故計算出的OIL1的平均值最小值為0.5 mSv/h，絕大數(shù)情況下計算出的OIL1的值大于最小平均值0.5 mSv/h，考慮能夠包絡大多數(shù)的限值，對OIL1推薦缺省值取0.5 mSv/h。

3.2 田灣核電站OIL2特征分析

根據(jù)2.6中確定的典型氣象條件，可以計算出各典型釋放類時OIL2隨距離的變化情況，如表6所示。

表6 OIL2隨釋放類和距離的變化情況Table 6 OIL2 with release class and distance

可以看出，在典型氣象條件，12個換料和18個換料條件下，根據(jù)各典型嚴重事故源項的OIL2計算值隨距離的變化特征均表現(xiàn)為隨距離的增加而增大。各距離上OIL2的平均值隨典型嚴重事故源項的變化較大。

根據(jù)在典型氣象條件下各典型嚴重事故源項OIL2計算值在各距離上的平均值，保守推薦，在田灣核電站1、2號機組核事故應急期間，事故釋放特征不清楚的情況下，結(jié)合IAEA推薦值，12個月?lián)Q料條件下，各典型事故計算出的OIL2的平均值最小值為0.05 mSv/h，絕大數(shù)情況下計算出的OIL2的值大于最小平均值0.05 mSv/h，考慮能夠包絡大多數(shù)的限值，對OIL2推薦缺省值取0.05 mSv/h；18個月?lián)Q料條件下，各典型事故計算出的OIL2的平均值最小值為0.05 mSv/h，絕大數(shù)情況下計算出的OIL2的值大于最小平均值0.05 mSv/h，考慮能夠包絡大多數(shù)的限值，對OIL2推薦缺省值取0.05 mSv/h。

4 結(jié)論

通過對田灣核電站1、2號機組典型事故源項及結(jié)合壓水堆核電機組美國《反應堆安全研究》(WASH-1400)中事故源項的分析，并對田灣核電站廠址地區(qū)環(huán)境參數(shù)的分析結(jié)果，確定典型氣象條件，針對不同事故情況下，OIL1和OIL2推薦缺省值匯總?cè)缦?，見?、表8。

表7 事故情景不明確OIL1和OIL2推薦缺省值

表8 事故工況明確OIL1和OIL2推薦缺省值