應急撤離模擬在核電廠道路方案優(yōu)化中的應用

董 力，王夢溪，劉新建，劉森林

(1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.中國核電工程有限公司，北京 100840；3.國家核應急響應技術支持中心，北京 100071)

基于概率論的風險評價方法有助于更好地開展廠址應急可行性分析。美國早在20世紀90年代發(fā)布的NUREG-1150報告[1]就把三級PSA分析工具和方法應用于應急撤離模擬研究。SOARCA項目[2]在NUREG-1150報告的基礎上，分別針對未考慮緩解措施和考慮緩解措施的事故序列，結合影子撤離(shadow evacuation)、鑰匙孔撤離(keyhole evacuation)等多種撤離策略及廠址周圍人口分布信息，對場外人員劑量后果及風險進行了更現實的分析計算，以尋求更優(yōu)化的應急撤離策略。此外，英國、日本、加拿大、阿根廷等國也在各自三級PSA分析工具的基礎上，結合應急撤離時間模擬結果，對應急撤離后人員受照劑量及風險進行了模擬和研究[3]。

我國對核電廠應急撤離時間估計的相關研究及工程應用起步于日本福島核事故，目前正處于快速發(fā)展階段。《核電廠應急計劃與準備準則 場內應急計劃與執(zhí)行程序》[4]規(guī)定核電廠向場外應急組織提出應急防護行動建議時應考慮撤離時間估計的影響。楊玲等人[5]結合我國場外應急撤離管理要求現狀，借鑒美國撤離時間估算的相關經驗，對核電廠場外應急撤離時間問題進行了分析，建議我國核安全管理相關規(guī)定中增加對場外應急撤離時間的要求。本文嘗試將概率風險評價方法應用于核電廠應急撤離模擬，對應急撤離過程中人員受照劑量和風險進行了計算，并對核電廠道路設計方案進行了比選，提出技術層面的建議。

1 問題分析

核電廠應急道路一直是廠址應急可行性分析的重點。《核動力廠設計安全規(guī)定》[6]要求“設計中考慮的內、外部事件或多個事件的組合發(fā)生后，必須至少有一條路線可供位于場區(qū)內工作場所和其他區(qū)域的人員撤離”。 《核電廠總平面及運輸設計規(guī)范》[7]規(guī)定“廠外道路應設置不同方向的主要和次要進廠道路”。

兩條不同方向的撤離道路一直被業(yè)內認為是一個良好實踐。事故條件下，一條道路可能被放射性煙云覆蓋，此時若能夠選擇另外一條不同方向的道路通行，人員受到的劑量可顯著降低。這種假設在多數情況下是成立的。然而，不同方向的道路并不意味著就能夠保證人員完全避免放射性煙羽的影響，也將存在一定照射風險，這與撤離策略的選擇和當地氣象條件特別是風向的變化密切相關。比如根據當時的氣象條件，決定從某條道路撤離，但在開始行動后，風向發(fā)生了變化，導致該道路的劑量率可能更高。也有一些天氣條件下(如小靜風，風向來回擺動)，兩條道路在近距離的劑量率差別不大，此時兩條不同方向的道路并不能帶來輻射后果上的優(yōu)勢。

除了上述因素外，還必須考慮兩個因素：整個撤離過程中人員受照劑量的來源和應急撤離理念的變化。根據相關研究[8-9]，人員在應急撤離過程中受到的劑量，更多的來自集合與等待過程，而非道路通行過程。特別是在人員密集的情況下，如考慮現場有幾千人需要在短時間內撤離，此時只要有道路可用，就應該盡快通行?？桃馓暨x一條不在下風向的道路，未必是一種最優(yōu)方案。應急撤離理念的變化，主要是指撤離的時機。無論是國際原子能機構(IAEA)倡導的理念[10]，還是日本福島事故的經驗教訓[11]，都表明預防性撤離是大趨勢。大多數事故情況下，尚未有大量放射性物質釋放，核電廠已開始實施人員撤離。因此，整個過程中撤離人員一般不會受到明顯的輻射影響，也就不存在哪個方向道路更優(yōu)的問題。有必要根據廠址實際情況，開展代價利益分析，為核電廠道路方案優(yōu)化提出切實可行的建議。

2 計算原理

通常應急撤離時間估算按照圖1所示流程進行[12]。

圖1 撤離時間估計流程Fig.1 The process of evacuation time estimation

對于每一個撤離情景，主要分為兩部分的工作：一部分是成行時間的計算，基本上采取的方法都是通過一定的概率分布或者函數關系式來假設；另一部分是通行時間的計算，這一部分通常情況下依靠計算機程序的模擬來實現。即撤離時間估計值ETE(evacuation time estimation)為：

ETE=TGT+TT

(1)

式中，TGT(trip generation time)為居民在收到撤離通知后到坐上撤離車輛所經歷的時間，即成行時間；TT(travel time)為居民上車后撤離車輛在路網上的通行時間[13]。

一般的應急撤離時間估算軟件考慮的因素較多，計算模型相對復雜，每次模擬計算往往需要數分鐘甚至更長時間。而為了得到全年不同時刻的場景，就需要開展上千次(如果采用逐小時的計算，則大約為8 760次)的模擬計算，實際應用就變得極其困難。為此，本文在抓住上述主要特征的基礎上，研發(fā)了一套簡化的撤離時間估算模型。按照經驗分布模擬人員接到通知到應急集合點等待車輛的過程，車輛到達應急集合點后，人員順序上車，之后沿著指定的路徑向目的地(安置點)疏散。可根據環(huán)境的不同靈活設定車輛類型和撤離速度，過程中車輛的速度保持不變。不考慮實際道路中的交通燈、加減速等過程。

簡化模型能夠體現微觀撤離模型的特點，綜合反映成行時間、車輛速度、疏散道路對疏散過程的影響，給出每個居民在任意時刻的地理位置，便于與風向和模擬區(qū)域的劑量場(二維網格，并隨時間變化)結合，統(tǒng)計所有個體在撤離過程中所受的輻射劑量，進而對整個撤離策略進行評價。

3 工程應用

3.1 不同廠址現有應急撤離道路風險分析

根據廠址的代表性和資料獲取的便利性，本文選取河北海興、湖南桃花江、江蘇田灣和福建霞浦四個廠址作為研究對象。海興廠址和桃花江廠址分別為近海和內陸廠址，容易確定兩條不同方向的道路，前者5 km范圍內的人口數量中等，后者略多。江蘇田灣作為老核電基地，隨著周邊城鎮(zhèn)化的發(fā)展，5 km范圍內人口逐年增加，因此有一定代表性。霞浦廠址是本文重點研究的案例，在前期工作基礎上，對其應急道路上的隧道設計方案進行初步分析。

為了更好地反映廠區(qū)兩條應急道路對劑量結果的影響，假定每個廠區(qū)內有6 000名工作人員，均勻分布在兩個應急集合點。各廠址環(huán)境要素信息列于表1。

表1 代表廠址主要環(huán)境要素Tab.1 The main environmental elements for typical sites

圖2給出了四個廠址的衛(wèi)星遙感影像圖，可以大體看出廠址區(qū)域的環(huán)境特征。

(圖中左上為海興廠址，右上為桃花江廠址，左下為田灣廠址，右下為霞浦廠址)圖2 代表廠址5 km范圍內的衛(wèi)星遙感圖Fig.2 The satellite remote sensing images of 5 km around the typical sites

3.1.1計算參數

在應急撤離模擬中，無論工作人員還是公眾，接到通知后到達最近應急集合點的時間滿足泊松分布[14]，即：

(2)

式中，f為在一定時間間隔中發(fā)生x次事件的概率；λ為單位時間內事件發(fā)生的平均次數。

假定白天和晚上的集合時間均值分別為0.5 h和1 h(平均值即為λ值)，同時假定所有人員在兩個集合點一次撤離。車輛白天的平均行駛速度為15 km/h，夜間的行駛速度為10 km/h。從事故開始到非應急工作人員與公眾撤離到煙羽應急計劃區(qū)外，典型時間為4～6個小時以上，能夠反映當地煙羽方向變化的影響。

事故場景假定為RG1.183[15]LOCA事故，堆芯熔化后，放射性物質通過安全殼以設計基準泄漏率向環(huán)境釋放，在幾個小時內假定釋放速率恒定。在計算劑量時適當簡化，考慮吸入內照射和空氣浸沒外照射兩個途徑。假定事故發(fā)生時場內外人員同時收到應急撤離的通知。人員進入到應急集合點后開始計算劑量，在集合點時考慮一定的防護因子(取10)，從集合點進入車輛開始撤離時不再考慮車輛的防護作用。

采用2017年整年的逐時氣象數據，利用美國環(huán)境保護署(EPA)和我國生態(tài)環(huán)境部推薦的CALPUFF煙團模式[16]計算大氣彌散因子。模擬區(qū)域覆蓋廠址中心半徑6 km的范圍，水平網格分辨率為100 m。

模擬廠區(qū)和公眾撤離過程，將人員位置隨時間的變化與劑量場進行對應，計算人員在每個網格中的通過時間和受照劑量，這樣就可以統(tǒng)計每個撤離過程中的個人劑量和集體劑量。對全年8724次模擬結果的統(tǒng)計分析在下節(jié)展開。

3.1.2計算結果

圖3給出了不同概率水平條件下包含廠區(qū)工作人員的集體劑量結果(對應數值從大到小排序，如5%表示有5%的樣本會超過該數值，即對應不保證率)?？梢钥闯?，桃花江廠址集體劑量最大，這與當地人口數量最多密不可分。各種概率水平條件下的結果趨勢基本一致，從高到低依次為桃花江、田灣、霞浦和海興廠址。對計算數據進行更細致的分析，發(fā)現海興廠址廠區(qū)人員集體劑量與周邊居民集體劑量相當，但是霞浦廠址廠區(qū)工作人員集體劑量占總集體劑量的比重很高。其原因是，雖然四個廠區(qū)的工作人員數量均為6 000人，平均分配在兩個應急集合點，但兩個集合點距離事故釋放點的位置略有不同，100 m的距離差就可能導致結果相差數倍。

圖3 不同概率水平條件下集體劑量對比(含工作人員)Fig.3 Comparison of collective dose for different probability levels (staff included)

為了更好地對比四個廠址公眾的風險水平，這里將廠區(qū)工作人員排除，僅考慮公眾的集體劑量，如圖4所示。田灣和桃花江廠址集體劑量的最大值分別為46和19人·Sv，但大約20%～25%概率區(qū)間后，兩者的趨勢發(fā)生了反轉。在前20%的區(qū)間內，田灣廠址的集體劑量數值偏大；隨著概率水平的升高，如50%概率水平下，桃花江廠址的集體劑量為田灣廠址數值的2倍。而霞浦廠址由于公眾人口數量僅為1 100人，公眾集體劑量最大值為0.6人·Sv，5%概率水平下，集體劑量已經低于0.1人·Sv。

圖4 不同概率水平條件下公眾集體劑量對比Fig.4 Comparison of public collective dose for different probability levels

表2給出了各廠址公眾的最大個人有效劑量，主要受居民點距離和當地大氣彌散條件的影響?？梢钥闯?，由于霞浦廠址的居民點距離廠址中心較遠，且彌散條件較好，各種概率水平條件下，公眾最大個人有效劑量僅為1.22 mSv。對于桃花江和田灣廠址，在0.1%概率水平下，公眾的最大個人劑量也低于10 mSv。如果考慮平均個人有效劑量，數值要更低。

表2 廠址公眾最大個人有效劑量對比(mSv)Tab.2 Comparison of the maximum individual effective dose for different sites (mSv)

3.2 霞浦廠址應急撤離道路方案比選

霞浦廠址由于地理條件的限制，只能沿半島兩側設計進廠道路和應急道路，如圖5所示。北側的進廠道路為主要道路，南側的道路則作為應急道路。南側應急道路在向西時需要開挖約3 km的隧道。為了防止極端條件下該隧道不能通行，距離廠址最近的天堂村居民或者其他人員需要再返回到七尺門水道或廠址繞行的情況出現，曾在道路設計方案中提出在長門村開設一條連接進廠道路與應急道路的隧道，長度大約900 m(如圖5中黃點線所示)，工程造價極高。

圖5 霞浦廠址區(qū)域道路Fig.5 Regional roads for Xiapu NPP site

本節(jié)針對隧道設計方案，模擬天堂村居民的撤離過程并進行初步定量評價，分析是否設置隧道可能對應急撤離的影響。此外，盡管兩條道路的走向較為一致，研究中也將結合具體道路走向開展更完整的模擬分析。

計算參數與3.1.1節(jié)保持一致，保守估計天堂村居民為1 000人。為了得到更全面的結果，對全年開展逐時模擬計算。圖6給出了前200次模擬的個人平均劑量結果。圖中標注的四條曲線對應圖5中的四個集合點(集合點1位于廠區(qū)北側，集合點2位于廠區(qū)南側，集合點3對應天堂村位置，集合點4對應長門村)。可以看出，集合點2的工作人員幾乎都受到了相對較高的輻射照射，其中第4次模擬結果的劑量值最大，與圖7左上子圖對應，此時煙羽向南正對集合點2。大約在第135次模擬中，廠區(qū)工作人員和天堂村居民的個人劑量均出現了局部峰值，與圖7右下子圖對應，煙羽向西南方向伸展，覆蓋集合點2和3。在第145次模擬中，集合點2出現了劑量的次高值，對應圖7左下圖，此時煙羽雖然也正對集合點2，但擴散范圍更廣，對應的劑量率略低。而在第160次模擬附近，所有集合點的劑量結果相差不大，對應圖7右上子圖，此時煙羽擴散范圍最大，覆蓋廠區(qū)和場外所有集合點。

圖6 霞浦廠址個人劑量模擬結果Fig.6 The simulation results of individual dose for Xiapu site

圖7 霞浦廠址四個典型模擬樣例Fig.7 The typical simulation examples for Xiapu site

圖8給出了不同概率水平條件下的集體劑量。對于廠區(qū)工作人員，可以看出由于風向的影響，從集合點2出發(fā)并沿南側道路撤離(道路2)的集體劑量整體要高于從集合點1出發(fā)，沿北側道路撤離(道路1)的集體劑量。對于保守的5%概率分布，兩者的比值約為3；但是對于大多數(約80%)情況，兩者的集體劑量數值均不高于1人·Sv，差別不大。

圖8 廠區(qū)工作人員選擇不同撤離道路的集體劑量對比Fig.8 Comparison of staff collective doses for different evacuation roads

對于天堂村居民，為分析連接隧道的影響，考慮兩條不同的撤離道路差異：直接通過設計的連接隧道撤離(道路3，圖7深藍色路線)和返回東沖半島繞路撤離(道路4，圖7淺藍色路線)。圖9給出了兩條撤離道路情形下的人員受照劑量分布。由于道路4路程更遠，且要向著機組的方向繞行，無論集體劑量和最大個人劑量，都要略高于道路3的計算結果，但兩者的差異并不明顯。對于5%概率水平的最大個人有效劑量，兩者相差大約0.1 mSv。即使廠址后期考慮建設其他核電機組，對應的事故源項增加10倍，兩者之間的差異也仍可忽略。

圖9 天堂村居民采用兩條撤離道路的劑量對比Fig.9 Comparison of public doses of Tiantang village residents for different evacuation roads

本節(jié)針對霞浦廠址兩條應急撤離道路和天堂村居民采用不同撤離道路的劑量結果進行了對比。從統(tǒng)計結果來看，無論對于廠區(qū)工作人員或者公眾，事故條件下選擇不同的道路進行撤離，可能受到的輻射劑量差別不大。從輻射防護的角度考慮，連接隧道產生的防護效果不明顯。

4 結論

本文基于CALPUFF煙團模式和自主研發(fā)的簡化應急撤離模擬程序，將各種條件下的公眾防護行動與劑量計算有機結合，充分發(fā)揮概率風險評價方法的指導作用，為應急防護行動建議和應急道路方案優(yōu)化提供了技術支持。

本文的主要結論如下：

(1)結合國內幾個典型廠址的模擬結果可以看出，人口分布、氣象條件對應急條件下人員的受照劑量影響較大。從多廠址對比結果來看，在相同的事故場景下，霞浦廠址5 km區(qū)域內公眾集體劑量風險要明顯低于內陸廠址(以桃花江廠址為代表)。考慮到快堆本身的固有安全特性，如更低的事故發(fā)生頻率和剩余風險，其對應急道路的要求將進一步降低。

(2)通過對比霞浦廠址天堂村居民迂回撤離和隧道撤離的模擬結果，兩者都能保證99%置信水平下，人員受照劑量最大值不超過1 mSv。從輻射防護的角度考慮，額外增加隧道帶來的效果不明顯。

(3)采用概率風險評價方法能夠更全面地評估核電廠應急道路方案，通過代價利益分析，識別關鍵風險點，保證設計上的平衡，有助于更直觀地開展核電公眾溝通。