核設(shè)施安全監(jiān)管分類閾值修訂研究

彭海成

(國防科工局核技術(shù)支持中心，北京 100071)

2010年12月和2011年1月，我國有關(guān)核安全監(jiān)管部門分別發(fā)布核設(shè)施安全許可管理辦法及配套的核安全監(jiān)管分類辦法(以下簡稱《分類辦法》)，開始按照“分類管理、區(qū)別對待”的原則，以風險為指引，將有限監(jiān)管資源聚焦于高風險設(shè)施，對管轄核設(shè)施進行嚴格、但又不“一刀切”的核安全監(jiān)管，取得較好成效。根據(jù)近十年的監(jiān)管實踐，又于2020年對核設(shè)施安全許可管理辦法進行修訂。作為核設(shè)施安全許可管理辦法的技術(shù)支持文件，《分類辦法》也存在依據(jù)的基礎(chǔ)文件已更新、對設(shè)施分段后進行分類可操作性不強等問題，需要予以修訂。

1 《分類辦法》制訂基礎(chǔ)

2009—2010年，有關(guān)單位共同開展“核設(shè)施分類技術(shù)研究”課題，經(jīng)過分析驗算，證明可以原則采用美國能源部STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》[1]作為核設(shè)施安全監(jiān)管分類的技術(shù)基礎(chǔ)，并據(jù)此制定《分類辦法》?！斗诸愞k法》采用的STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》主要內(nèi)容為：

(1)將核設(shè)施按照事故后果影響分為四類。即：1類核設(shè)施發(fā)生事故后具有潛在顯著場外后果；2類核設(shè)施發(fā)生事故后具有潛在顯著場區(qū)后果；3類核設(shè)施發(fā)生事故后僅場內(nèi)局部區(qū)域具有潛在顯著后果；其他為4類核設(shè)施。

(2)等效采用STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》的核設(shè)施分類閾值。

(3)允許在滿足一定獨立性條件下，對核設(shè)施進行獨立分段，以最大分段核素存量與閾值進行比較，確定分類。

實際未采用內(nèi)容主要為：

(1)STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》對核設(shè)施分類采用兩步法，首先根據(jù)核素分類閾值進行初步分類，然后再根據(jù)核設(shè)施安全分析報告分析、調(diào)整核素釋放份額與核素閾值，進而確定核設(shè)施最終分類結(jié)果。我國《分類辦法》雖然在第十四條規(guī)定“對核設(shè)施進行分類后，可依據(jù)設(shè)施和放射性物質(zhì)的特性對設(shè)施的類別進行調(diào)整”，但并無具體方法說明，實際操作中還是根據(jù)核素分類閾值進行一步法分類。

(2)STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》允許在滿足一定條件下，分類時不考慮B類貨包所含核素。我國《分類辦法》未考慮此種情況。

對于上述差異，當時主要考慮首次在核設(shè)施中引入分類標準，從理解到落地執(zhí)行有個循序漸進過程，應簡單易執(zhí)行、標準統(tǒng)一，不宜過于復雜、主觀調(diào)整因素多。因此，我國有關(guān)核安全監(jiān)管部門未完全照搬STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》，并考慮到低豐度UF6化學危害比放射性危害更嚴重，在《分類辦法》專門規(guī)定“對于操作和貯存UF6的核設(shè)施，分類時應適當考慮UF6的化學毒性”。

2 STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》修訂情況

2.1 修訂過程

作為美國能源部1992年10月4日第5480.23號令《核安全分析報告》的配套文件，STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》于1992年12月發(fā)布，目的是為國防核設(shè)施提供統(tǒng)一的危險分類方法。1997年9月，對該標準進行修訂，包括更新和更正表A.1的核素閾值。5480.23號令于2001年被10CFR第830部分《核安全管理》B子部分取代，該部分引用STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》(1997年修訂版)，作為對核設(shè)施進行分類的方法。

2002年11月，美國能源部環(huán)境、健康和安全辦公室發(fā)布2002-2號《從3類核設(shè)施到放射性設(shè)施(編注：即4類核設(shè)施)的最終危險分類方法》核安全技術(shù)見解[2]，進一步明確可接受的3類和4類核設(shè)施最終危險分類方法。2007年5月，健康、安全和安保辦公室發(fā)布與STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》一起使用的補充指南[3]，解決需要澄清和改進的領(lǐng)域。盡管該指南回應能源部和國防核設(shè)施安全委員會關(guān)切的幾個問題，但并未正式成為能源部指令。該指南主要涉及：

(1)密封源和B類貨包的豁免；

(2)臨界控制措施在危險3類和4類設(shè)施中的適用性；

(3)分段方法和工藝性質(zhì)方法在最終危險分類中的應用；

(4)在最終危險分類中調(diào)整閾值。

2011年11月，美國國家核安全局發(fā)布補充指令[4]，使用最新的劑量學參數(shù)和工作人員呼吸率重新計算閾值。該補充指令于2014年5月進行修訂和更新，在美國國家核安全局各設(shè)施中使用。能源部將上述更新整合到一起，于2018年發(fā)布STD-1027—2018《能源部核設(shè)施危險分類》[5]。

2.2 主要修訂原則與內(nèi)容

STD-1027-2018《能源部核設(shè)施危險分類》不修改閾值計算方法，在計算和使用閾值時，主要基本原則和方法沒有變化，即：

(1)1類核設(shè)施為項目主管官員指定的A類反應堆或非反應堆核設(shè)施。

(2)2類核設(shè)施

①閾值計算基于下風向300 m處受體受到10 mSv劑量；

②大氣彌散因子χ/Q值取1×10-4s/m3；

③基于簡化的釋放份額；

④具有臨界可能性的設(shè)施指定為2類核設(shè)施；

⑤根據(jù)美國核管會確定的2種照射途徑造成的總劑量反推設(shè)施放射性存量。

(3)3類核設(shè)施

①閾值計算基于下風向30 m處受體受到100 mSv劑量；

②大氣彌散因子χ/Q值取7.2×10-2s/m3；

③選擇美國環(huán)保署確定的5種照射途徑中最主要的照射途徑推算設(shè)施內(nèi)放射性存量。

從上述內(nèi)容可以看出，STD-1027—2018《能源部核設(shè)施危險分類》基本原則和方法沒有變化。技術(shù)性修訂內(nèi)容主要有：

(1)使用國際放射防護委員會(ICRP)出版物最新劑量系數(shù)；

(2)使用ICRP出版物中更新的呼吸率；

(3)在初始和最終核設(shè)施危險分類中應用更新的閾值；

(4)在不改變原則的情況下，對核設(shè)施分段方法作澄清。

3 《分類辦法》修訂需要考慮的因素

隨著STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》修訂為STD-1027—2018《能源部核設(shè)施危險分類》，應研究STD-1027—2018中相關(guān)修訂內(nèi)容對我國有關(guān)核設(shè)施的適用性。

STD-1027—2018《能源部核設(shè)施危險分類》2類核素閾值計算主要考慮吸入、空氣浸沒外照射兩種途徑；3類核素閾值計算則考慮吸入、食物攝入、飲用水攝入、點源外照射和空氣浸沒外照射五種途徑。這些照射途徑主要涉及內(nèi)外照射劑量系數(shù)、大氣彌散因子、呼吸率、釋放份額等，有些數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)生變化，應重點進行分析，論證是否可以等效采用。

3.1 應用最新劑量系數(shù)計算核素閾值

內(nèi)外照射劑量系數(shù)包括吸入劑量系數(shù)、食入劑量系數(shù)和核轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)(nuclear transformation data，例如核素半衰期和平均光子能量)。根據(jù)美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室發(fā)表的ORNL/TM-2017/467《使用當代劑量學數(shù)據(jù)計算危險2/3類閾值》[6]，STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》中采用的劑量系數(shù)來源列于表1[5]。

其中，2類核設(shè)施使用的DOE/EH-0070《公眾外照射劑量率轉(zhuǎn)換因子》[7]基于ICRP第26號[8]、42號[9]出版物，DOE/EH-0071《公眾內(nèi)照射劑量轉(zhuǎn)換因子》[10]基于ICRP第26號、30號[11]、48號[12]出版物。3類核設(shè)施劑量系數(shù)則基于ICRP第30號、38號[13]出版物。

STD-1027—2018《能源部核設(shè)施危險分類》采用的劑量系數(shù)來源列于表2[5]。

以鈾元素為例，ICRP第119號出版物[15]與DOE/EH-0071《公眾內(nèi)照射劑量轉(zhuǎn)換因子》中有關(guān)核素劑量系數(shù)對比列于表3，有的劑量系數(shù)甚至相差一個數(shù)量級。因此，有必要重新計算核素閾值。

表3 不同出版物鈾核素吸入內(nèi)照射劑量系數(shù)對比(Sv/Bq)

此外，《分類辦法》等效采用STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》中的98種核素閾值(包括32P、33P酸性溶液分類閾值)，STD-1027—2018《能源部核設(shè)施危險分類》則列出1262種核素閾值，核素閾值數(shù)量大幅增加。STD-1027—2018《能源部核設(shè)施危險分類》未列出32P、33P酸性溶液分類閾值，可以比較的96種核素分類閾值中：2類閾值增加的有36種核素，氚無變化，閾值減少的有59種；3類閾值增加的有52種核素，氚無變化，閾值減少的有43種；2類閾值變動幅度(包括正負方向變化)在100%以上的為15種，3類核素閾值變動幅度(包括正負方向變化)在100%以上的為16種，變化最為顯著是222Rn的3類核素閾值，增加了105數(shù)量級。從上述數(shù)據(jù)可以看出，《分類辦法》中核素閾值與STD-1027—2018《能源部核設(shè)施危險分類》有較大差異，需要進行更新和補充完善。

3.2 應用最新呼吸率計算核素閾值

對于2類核設(shè)施，STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》規(guī)定成年男性標準呼吸率為3.5×10-4m3/s(=21 L/min)，與ICRP第23號出版物規(guī)定的從事輕度活動的成年男性呼吸率(20 L/min)大致相同。對于3類核設(shè)施，DOE-STD-1027—92以前使用的呼吸率為環(huán)境保護署技術(shù)背景文件附錄A所規(guī)定的2.64×10-4m3/s。該值等于ICRP第23號出版物規(guī)定從事8小時工作(輕度活動)，8小時非職業(yè)活動和8小時休息的成年男性時間平均呼吸率。

1994年，ICRP第66號出版物[20]《用于放射防護的人體呼吸道模型》已更新人體呼吸道模型，定義工作人員的輕量工作為：2.5小時坐姿(呼吸率為1.5×10-4m3/s)和5.5小時輕量運動(呼吸率為4.2×10-4m3/s)。輕量工作對應的平均呼吸率為3.33×10-4m3/s。STD-1027—2018《能源部核設(shè)施危險分類》使用3.33×10-4m3/s呼吸率計算2類、3類核素閾值的主要理由是第68號出版物[21]和第72號出版物[22]中，劑量系數(shù)的推導依賴于第66號出版物中定義的人體呼吸道修訂模型。

我國職業(yè)衛(wèi)生標準GBZ/T 200.3—2014《輻射防護用參考人第3部分：主要生理學參數(shù)》[23]規(guī)定20～50歲男性在輕體力勞動時呼吸率為4.17×10-4m3/s，坐姿呼吸率為1.5×10-4m3/s，進行時間平均后為3.336×10-4m3/s，與STD-1027—2018《能源部核設(shè)施危險分類》的3.33×10-4m3/s呼吸率幾乎相等。因此，修訂《分類辦法》時可以采用3.33×10-4m3/s呼吸率計算核素分類閾值。

3.3 大氣彌散因子

利用大氣彌散因子(χ/Q)來確定放射性煙羽在到達所分析受體時的彌散程度。由于在確定2類和3類核設(shè)施閾值時，被分析受體的下風向位置不同，大氣彌散因子也會不同。美國能源部使用Pasquill穩(wěn)定度D，風速4.5 m/s作為計算大氣彌散因子的假定氣象條件。根據(jù)NUREG-1140圖1[24]，使用無浮力模型，10 mSv評估距離略小于300 m，對應的χ/Q約為1×10-4s/m3。計算3類核設(shè)施閾值的大氣彌散因子是以美國環(huán)境保護署技術(shù)背景文件的建議為基礎(chǔ)，從點源釋放到受體位置的距離假定為30 m，并假定釋放的污染物幾乎立即在煙羽內(nèi)建立高斯分布。在風速為1 m/s的情況下，通過Pasquill穩(wěn)定度D來模擬煙羽擴散的氣象條件，對應χ/Q為7.2×10-2s/m3。

我國絕大部分核設(shè)施場址邊界與居民區(qū)距離遠大于300 m，因此2類核設(shè)施閾值以300 m的距離計算具有保守性。利用PAVAN程序和我國3家核設(shè)施營運單位場址氣象數(shù)據(jù)，計算釋放源到30 m和300 m處最大的χ/Q，結(jié)果列于表4。

表4 我國3個核設(shè)施場址大氣彌散因子

30 m和300 m處χ/Q計算結(jié)果(0～2 h)均要比7.2×10-2s/m3和1×10-4s/m3大。因為掌握的氣象數(shù)據(jù)有限，僅計算3家單位場址的χ/Q，不一定能完全代表我國所有核設(shè)施場址氣象條件普遍情況，但還是能從某種程度印證美國能源部所取的χ/Q值用于我國2類、3類核設(shè)施閾值計算，其核素閾值會偏大，結(jié)果偏不保守。需要進一步廣泛收集我國核設(shè)施場址氣象數(shù)據(jù)計算χ/Q值，并選取有代表性的χ/Q值用于更新計算核素閾值。

3.4 核設(shè)施分段問題

如果在核設(shè)施某部分內(nèi)的危險物質(zhì)不可能與另一部分內(nèi)的危險物質(zhì)相互作用，則允許采用設(shè)施分段概念進行危險分類。實踐中如要證明設(shè)施各分段的獨立性，該段必須具有獨立供熱、通風與空調(diào)和管線系統(tǒng)。但對同一建筑設(shè)施進行分割時，難以對此進行獨立性證明和判斷。美國能源部在2007年5月的補充導則[3]中對該問題有兩種解決方法：一種方法是不允許分段，理由是很難在事故時完全證明各工段之間的獨立性，如火災事故具有蔓延性；另一種方法是不考慮超設(shè)計基準的小概率事故，但究竟如何處理，留待將來升版時做決定。經(jīng)過對STD-1027—2018《能源部核設(shè)施危險分類》進行研究，新版標準也未涉及此細節(jié)。

我國也對某些核設(shè)施采用過分段分類。例如，某核設(shè)施因核材料庫、UF6成品庫與工藝廠房間距較大，無工藝管道相連，根據(jù)《分類辦法》第九條，按單個子項的最大放射性存量進行分類。但對于分段應用中如何判斷房間間距較大、避免共因事故，還需進行深入研究，出臺指導性強的配套技術(shù)導則。

3.5 照射途徑問題

表5為推導2類和3類核設(shè)施閾值時評估的各種照射途徑[5]。作為2類核設(shè)施只考慮吸入和空氣浸沒外照射，而3類核設(shè)施卻考慮吸入、食物攝入、飲用水攝入、點源外照射和空氣浸沒外照射五種途徑。2類核設(shè)施發(fā)生事故后，具有潛在顯著場區(qū)后果，主要分析吸入照射危害和空氣浸沒外照射(空氣浸沒外照射劑量實際上平均只占除惰性氣體以外其他所有放射性核素總劑量的2%以下)比較合理。3類核設(shè)施發(fā)生事故后，僅場內(nèi)局部區(qū)域具有潛在顯著后果，主要受影響人員為工作人員，不太可能通過食物和飲用水攝入放射性物質(zhì)受到內(nèi)照射。因此，對《分類辦法》進行修訂時可以適當精簡3類核設(shè)施照射途徑，并重新確定關(guān)鍵照射途徑。

表5 2類和3類閾值推導過程中評估的照射途徑[5]

4 結(jié)論

《分類辦法》主要參考的美國能源部STD-1027—92《危險分類和事故分析技術(shù)》已進行較大修訂，但主要原則沒有變化，我國可繼續(xù)參考STD-1027—2018《能源部核設(shè)施危險分類》，對《分類辦法》中的核設(shè)施安全監(jiān)管分類閾值進行適應性修訂?？刹捎玫膬?nèi)容主要有：

(1)依據(jù)STD-1027—2018《能源部核設(shè)施危險分類》使用的ICRP第119號出版物(ICRP第68號出版物和第72號出版物的后續(xù)替代出版物)最新劑量系數(shù)、計算公式，ICRP第66號出版物的呼吸率，對2類和3類核素閾值進行計算和更新。

(2)對于照射途徑，2類核素閾值計算仍然只考慮吸入和空氣浸沒外照射貢獻。

需要進一步研究，使其更加符合我國實際情況的內(nèi)容主要有：

(1)建議3類核素閾值計算不考慮食物攝入、飲用水攝入照射途徑，并重新確定關(guān)鍵照射途徑，對3類核素閾值進行計算和更新。

(2)廣泛收集我國核設(shè)施場址氣象數(shù)據(jù)，重新計算大氣彌散因子，選取相對合理數(shù)值，用于計算2類、3類核素閾值。

(3)為統(tǒng)一標準，盡可能減少人為因素?！斗诸愞k法》應繼續(xù)堅持以“一步法”進行分類，同時考慮制訂更為詳細的分段導則文件。