華龍一號操作干預(yù)水平研究

劉 蘊(yùn)，龍 亮，邢 繼，崔 浩，黃樹明，薛 娜，邱 林

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 102401)

充分有效的核事故應(yīng)急準(zhǔn)備是核動力廠縱深防御的最后一道屏障[1]，在事故發(fā)生時能采取迅速有效的應(yīng)急響應(yīng)措施，對場外公眾采取正當(dāng)?shù)母深A(yù)，避免確定性效應(yīng)并降低隨機(jī)效應(yīng)。事故發(fā)生后，獲得大量、充分的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)是現(xiàn)實(shí)可行的，并且能準(zhǔn)確反映環(huán)境中實(shí)際的輻射量。所以，環(huán)境輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)是核事故發(fā)生后決策公眾防護(hù)行動的主要依據(jù)。

在國際放射防護(hù)委員會(ICRP)第60號報告[2]出版后，國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)提出了操作干預(yù)水平(OIL)的概念[3-4]，之后說明了OIL制定的基本方法和推薦值(IAEA-TECDOC-955，1997)[5]。作為以環(huán)境監(jiān)測結(jié)果表示的電離輻射干預(yù)水平[6]，在核事故條件下，OIL定義為直接采用環(huán)境測量數(shù)據(jù)確定公眾防護(hù)的行動水平。通過比較OIL設(shè)定值和事故下輻射環(huán)境監(jiān)測結(jié)果，可以較為準(zhǔn)確地判斷當(dāng)?shù)厥欠裥枰扇∧撤N防護(hù)行動。

依據(jù)我國核安全導(dǎo)則《核動力廠營運(yùn)單位的應(yīng)急準(zhǔn)備與應(yīng)急響應(yīng)》(HAD 002/01—2019)[7]，應(yīng)急預(yù)案需包括針對本核動力廠而建立的OIL及其修訂方法。并且，在首次裝料前需提交OIL制定相關(guān)的技術(shù)文件。由此可見，OIL的制定是核動力廠應(yīng)急準(zhǔn)備中不可或缺的重要內(nèi)容，也是運(yùn)行前取證的必經(jīng)環(huán)節(jié)。由于我國國家標(biāo)準(zhǔn)《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18871—2002)[8]中應(yīng)急照射下劑量控制的基本要求與IAEA安全叢書115號和ICRP第60號報告一致，目前我國的核動力廠OIL的制定和使用均采用IAEA-TECDOC-955的方法。

近年來，特別是在吸取福島核事故應(yīng)急經(jīng)驗(yàn)后，IAEA對OIL的體系、種類和制定進(jìn)行了不斷升級，包括安全標(biāo)準(zhǔn)叢書(No.GSG-2，2011)[9]、《輕水反應(yīng)堆嚴(yán)重事故應(yīng)急公眾防護(hù)行動》(EPR-NPP Public Protective Actions，2013)[10]等。最終，形成了技術(shù)文件《Operational Intervention Levels for Reactor Emergencies and Methodology for Their Derivation》(IAEA-EPR-NPP-OILs，2017)[11]，描述了OIL的最新分類、使用和制定方法，為1 000 MW大型輕水堆計(jì)算并推薦了一套默認(rèn)值。然而，由于該文件在OIL推薦值計(jì)算中采用了IAEA《安全標(biāo)準(zhǔn)叢書》第GSR Part 7號[12]所描述的通用準(zhǔn)則，與我國現(xiàn)行的通用優(yōu)化干預(yù)水平有所區(qū)別[13]，故尚未能在我國實(shí)際應(yīng)用。

華龍一號核電機(jī)型是我國自主化研發(fā)的三代壓水堆核電機(jī)型。為使華龍一號核電機(jī)型的應(yīng)急準(zhǔn)備與響應(yīng)符合國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，本研究基于華龍一號設(shè)計(jì)特征和二級概率安全分析(PSA)嚴(yán)重事故源項(xiàng)研究成果[14-15]，采用IAEA新版OIL制定方法，對OIL設(shè)定值進(jìn)行計(jì)算與分析，并討論IAEAOIL默認(rèn)值對華龍一號的適用性。

1 IAEA-EPR-NPP-OILs的優(yōu)勢與特點(diǎn)

相比于IAEA-TECDOC-955，IAEA-EPR-NPP-OILs具有多種優(yōu)勢，在核事故應(yīng)急響應(yīng)中具有更高的適用性和科學(xué)性，具體優(yōu)勢包括：

(1)由于事故早期大量放射性釋放時空氣中的放射性煙羽會隨時間和局地風(fēng)場不斷變換位置，難以被及時并準(zhǔn)確地追蹤和監(jiān)測，其空氣樣品更是難以及時采集和分析。大量放射性釋放結(jié)束后，以沉降物為主要照射源的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)能被較為全面可靠地獲取。故而，IAEA建議通過應(yīng)急行動水平(EAL)的制定和應(yīng)用來指導(dǎo)事故早期放射性釋放階段的應(yīng)急響應(yīng)行動，并且去除了IAEA-TECDOC-955中對應(yīng)煙羽γ劑量率監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)類別，提升了OIL指導(dǎo)應(yīng)急響應(yīng)行動的準(zhǔn)確性。

(2)在不考慮放射性煙羽劑量率和空氣濃度的前提下，對OIL的計(jì)算方法做了顯著調(diào)整，不再考慮氣象條件、監(jiān)測點(diǎn)與釋放點(diǎn)相對位置等參數(shù)，使OIL值僅與事故源項(xiàng)中放射性核素比例、核素理化屬性、劑量轉(zhuǎn)換因子和時間相關(guān)。應(yīng)急人員無需關(guān)注事故中實(shí)際的氣象情況，也無需區(qū)分不同的監(jiān)測距離，顯著提升了OIL在應(yīng)急情景下的可用性。

(3)IAEA-EPR-NPP-OILs增加了對應(yīng)皮膚和甲狀腺劑量監(jiān)測的OIL類別，可以直觀判斷是否應(yīng)采取緊急防護(hù)行動避免確定性效應(yīng)，或采取服用穩(wěn)定性碘的行動降低可能誘發(fā)甲狀腺癌的隨機(jī)效應(yīng)。

(4)對IAEA-TECDOC-955中針對食品限制的OIL5～OIL9歸并為“食品分析前”O(jiān)IL3γ和“食品分析后”O(jiān)IL7兩類，前者只通過地面沉積γ劑量做快速判斷，后者對食品采樣監(jiān)測做詳細(xì)判斷。

(5)在OIL的使用中，IAEA-EPR-NPP-OILs刪除了根據(jù)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)修正OIL設(shè)定值的步驟，使應(yīng)急響應(yīng)行動直觀簡單，易于在事故情況下快速高效地執(zhí)行。在緊急情況下，IAEA建議：在有明確證據(jù)表明且考慮了事故后果時，修訂會使利大于弊，并且對照射情景、公眾行動和放射性核素混合物等情況有明確了解時，才可以對OIL進(jìn)行修訂。例如：若需要采取應(yīng)急行動的人數(shù)超出實(shí)施響應(yīng)的能力，或超出OIL設(shè)定值的區(qū)域無法全部開展響應(yīng)行動，可適當(dāng)提高OIL值；若改變OIL設(shè)定值不會導(dǎo)致受影響人數(shù)顯著增加，或監(jiān)測儀器響應(yīng)與計(jì)算中假定的水平不符，可考慮修訂OIL值。

IAEA-EPR-NPP-OILs的分類、照射途徑、響應(yīng)行動和默認(rèn)值列于表1，計(jì)算中采用了IAEA《安全標(biāo)準(zhǔn)叢書》第GSR Part7號[12]所描述的通用準(zhǔn)則。

2 華龍一號操作干預(yù)水平計(jì)算

如表1所示，IAEA-EPR-NPP-OILs中，OIL1γ～OIL3γ所考慮的放射性照射均來自事故發(fā)生后沉積到地表的放射性核素，OIL4考慮沉積到人體皮膚表面的放射性核素，OIL7考慮從食品中某種標(biāo)志性放射性核素監(jiān)測濃度對應(yīng)的食入照射劑量，均和事故釋放源項(xiàng)有直接關(guān)系。而OIL8γ僅考慮儀器監(jiān)測量和人體照射量的關(guān)系，與事故釋放源項(xiàng)無關(guān)，而與儀器的特性有關(guān)。故而，對不同的核動力廠機(jī)型，依據(jù)其嚴(yán)重事故源項(xiàng)，應(yīng)有不同的OIL1γ～OIL7設(shè)定值，而OIL8γ不隨機(jī)型的不同而變化。華龍一號的OIL制定不涉及OIL8γ。計(jì)算中采用與IAEA-EPR-NPP-OILs一致的應(yīng)急行動通用準(zhǔn)則(表1)，相關(guān)固定參數(shù)和劑量轉(zhuǎn)換因子等均使用IAEA-EPR-NPP-OILs的推薦值。對風(fēng)化過程、再懸浮過程和放射性核素食入轉(zhuǎn)移過程等，IAEA均做了詳細(xì)分析和考慮，對華龍一號較為適用。本文針對華龍一號核電機(jī)型開展OIL設(shè)定值研究，并不面向某一特定廠址，故不對廠址有關(guān)參數(shù)做適應(yīng)性調(diào)整。

表1 IAEA-EPR-NPP-OILs的OIL類別和特點(diǎn)[11]

2.1 嚴(yán)重事故類別與描述

華龍一號核電機(jī)型已完成全面的一級和二級PSA分析，其二級PSA事故源項(xiàng)被廣泛用于應(yīng)急預(yù)案及相關(guān)專題報告的制定，并已通過國家相關(guān)部門的審查。本研究采用華龍一號二級PSA全事故譜作為OIL制定的嚴(yán)重事故源項(xiàng)，包括RC01～RC11共11種[15]，列于表2。

表2 華龍一號二級PSA事故譜

在計(jì)算華龍一號OIL設(shè)定值時，考慮了平衡壽期末堆芯積存量中所有關(guān)鍵裂變產(chǎn)物，包括鹵素、堿金屬、碲組、鋇、鍶、貴金屬、鈰族和鑭系等。由于IAEA-EPR-NPP-OILs不考慮放射性煙羽的照射，所以不考慮惰性氣體和半衰期過短的裂變產(chǎn)物。

2.2 計(jì)算方法與參數(shù)

從表1可知，OIL1γ和OIL2γ所考慮的照射途徑一致，其設(shè)定值由下式計(jì)算[11]：

OILnγj(t)=3.6×109×[∑i(RAij(t)×Hgrd,i)]×

WFOILnγ×min{AOILnγ,j,E(t),AOILnγ,j,Hf(t)}

(1)

式中,OILnγj(t)為停堆t時間后，嚴(yán)重事故j對應(yīng)的OILnγ值，μSv/h,n為1或2，對應(yīng)OIL1γ和OIL2γ；RAij(t)為停堆t時間后，嚴(yán)重事故j的釋放源項(xiàng)中放射性核素i的相對活度，無量綱，本研究中該數(shù)據(jù)源自華龍一號二級PSA事故源項(xiàng)；Hgrd,i為單位地面活度的核素i在地面上1 m處的γ劑量率，(Sv·m2)/(Bq·s)；WFOILnγ為權(quán)重因子，無量綱，用于調(diào)整OIL的保守度，避免實(shí)施不正當(dāng)?shù)捻憫?yīng)行動；AOILnγ,j,E(t)為停堆t時間后，嚴(yán)重事故j向環(huán)境釋放導(dǎo)致的地面放射性核素混合物總活度，Bq/m2，該地面放射性核素混合物具有一定的組成比例，考慮表1所列出的所有相關(guān)照射途徑，能導(dǎo)致代表人總有效劑量滿足相關(guān)防護(hù)行動的通用準(zhǔn)則；AOILnγ,j,Hf(t)與AOILnγ,j,E(t)類似，但考慮的對象為胎兒。

由于OIL1γ應(yīng)用于事故早期階段，響應(yīng)行動被實(shí)施的時間尚未到應(yīng)急撤離通用準(zhǔn)則的7天，WFOIL1γ缺省值假定為3，對應(yīng)響應(yīng)期間實(shí)際受到的劑量為受照7天的1/3。

對于OIL2γ，實(shí)施響應(yīng)行動的可用時間較多，WFOIL2γ的缺省值為1。但即便如此，在t較小時OIL2γ的計(jì)算仍是十分保守的。事實(shí)上，IAEA選定的停堆10天之內(nèi)的OIL2γ默認(rèn)值并未完全包絡(luò)其采用的所有事故源項(xiàng)。

OIL3γ也采用地面上1 m的空氣γ劑量率作為判斷是否采取響應(yīng)行動的監(jiān)測量，但對人體的照射途徑與OIL1γ和OIL2γ不同，為食入受污染的食品而產(chǎn)生的內(nèi)照射，計(jì)算公式改寫為[11]：

OIL3γj(t)=3.6×109×[∑i(RAij(t)×Hgrd,i)]×

WFOIL3γ×min{AOIL3γ,j,E(t),AOILnγ,j,Hf(t)}

(2)

式中，OIL3γj(t)為停堆t時間后，嚴(yán)重事故j對應(yīng)的OIL3γ值，μSv/h；WFOIL3γ為權(quán)重因子，無量綱，由于在受污染的地域中，攝入受污染食品或飲用水對總受照劑量的貢獻(xiàn)應(yīng)遠(yuǎn)小于其他受照途徑，IAEA設(shè)缺省值為5即可保證足夠的保守度；AOIL3γ,j,E(t)、AOILnγ,j,Hf(t)為停堆t時間后，嚴(yán)重事故j向環(huán)境的釋放導(dǎo)致的地面放射性核素混合物總活度，Bq/m2，考慮食入途徑，能導(dǎo)致代表人總有效劑量和胎兒總當(dāng)量劑量分別滿足相關(guān)防護(hù)行動的通用準(zhǔn)則。

由于IAEA在對OIL3γ的計(jì)算中認(rèn)為50%的食品、牛奶和飲用水都受到影響，并且食品的制備和加工(比如洗滌和烹飪等)能夠大幅降低食品中放射性物質(zhì)的含量。所以，盡管對某些通用的嚴(yán)重事故源項(xiàng)來說，在一定時間范圍內(nèi)OIL3γ的計(jì)算值僅為IAEA選定的默認(rèn)值(1 μSv/h)的三分之一，但仍然是可以接受的。另外，受環(huán)境放射性本底值的影響，1 μSv/h被認(rèn)為是嚴(yán)重事故應(yīng)急狀態(tài)下可用的最低值。

OIL4β與監(jiān)測儀器的響應(yīng)有很大關(guān)系，故本研究主要對OIL4γ進(jìn)行討論，表示為裸露皮膚的10 cm外測得的周圍劑量當(dāng)量率，取對代表人、胎兒和皮膚急性照射三者中最為保守的值，計(jì)算公式為[11]：

OIL4γj(t)=3.6×109×[∑i(RAij(t)×Hskin,i)]×

WFOIL4γ×min{AOIL4γ,j,E(t),AOIL4γ,j,Hf(t),

AOIL4γ,j,ADskin(t)}

(3)

式中，OIL4γj(t)為停堆t時間后，嚴(yán)重事故j對應(yīng)的OIL4γ值，μSv/h；Hskin,i為單位活度的核素i在距離100 cm2皮膚表面10 cm處的劑量率，(Sv·m2)/(Bq·s)；WFOIL4γ為權(quán)重因子，無量綱,IAEA設(shè)置缺省值為0.5，使OIL4γ為2 μSv/h時即能包絡(luò)所有考慮的事故源項(xiàng)，此時OIL4γ的默認(rèn)值為1 μSv/h,否則，OIL4γ=4 μSv/h仍是保守的；AOIL4γ,j,E(t),AOIL4γ,j,Hf(t),AOIL4γ,j,ADskin(t)為停堆t時間后，嚴(yán)重事故j向環(huán)境釋放導(dǎo)致的皮膚上具有的放射性核素混合物總活度，Bq/m2，能導(dǎo)致代表人無意食入總有效劑量、胎兒總當(dāng)量劑量和急性照射下紅骨髓吸收劑量分別滿足相關(guān)防護(hù)行動的通用準(zhǔn)則。

OIL7用于在完成食品的采樣、制樣和監(jiān)測后，判斷當(dāng)?shù)厥称?、牛奶和飲用水是否可以被安全消費(fèi)，計(jì)算公式為[11]：

OIL7ij(t)=RAij(t)×WFOIL7×

min{AOIL7,j,E,AOIL7,j,Hf}

(4)

式中，OIL7ij(t)為停堆t時間后，嚴(yán)重事故j所釋放的核素i對應(yīng)的OIL7值，Bq/kg；由于釋放量大且易于監(jiān)測，一般以131I和137Cs作為輕水堆核動力廠OIL7的標(biāo)志性核素；131I的半衰期較短，而137Cs的半衰期較長，在停堆10天前將131I作為標(biāo)志性核素，停堆10天后則將137Cs作為標(biāo)志性核素。WFOIL7為權(quán)重因子，無量綱，IAEA取WFOIL7的缺省值為5，原因同WFOIL3γ；AOIL7,j,E、AOIL7,j,Hf為停堆t時間后，嚴(yán)重事故j向環(huán)境釋放導(dǎo)致的食品、牛奶或飲用水中的放射性核素總濃度，Bq/kg，能通過食入途徑，導(dǎo)致代表人總有效劑量或胎兒總當(dāng)量劑量分別滿足相關(guān)防護(hù)行動的通用準(zhǔn)則。

3 結(jié)果與討論

對華龍一號核電機(jī)型，其11種二級PSA事故源項(xiàng)在停堆后1年內(nèi)隨時間變化的OIL1γ～OIL7曲線，如圖1～圖6所示。由于各種事故的釋放源項(xiàng)不同，導(dǎo)致的地面沉積核素的組成比例不同，使其在同一時間點(diǎn)上的OIL有不同的取值。

圖1 華龍一號OIL1γ曲線

圖2 華龍一號OIL2γ曲線

圖3 華龍一號OIL3γ曲線

圖4 華龍一號OIL4γ曲線

圖5 華龍一號131I OIL7曲線

圖6 華龍一號137Cs OIL7曲線

由圖1可以看出，為了確保計(jì)算結(jié)果的保守性，計(jì)算中同時考慮了代表人的總有效劑量和胎兒的總當(dāng)量劑量，使不同事故的OIL1γ曲線均不隨停堆后時間單調(diào)變化。采用二級PSA事故源項(xiàng)時，華龍一號OIL1γ最小值出現(xiàn)在嚴(yán)重事故RC07的曲線上，可被1 400 μSv/h包絡(luò)。IAEA給出的OIL1γ默認(rèn)值不僅可以包絡(luò)華龍一號二級PSA全事故譜的OIL1γ值，而且具有足夠的保守度。

如圖2所示，在停堆約5天至10天之間，各種事故的OIL2γ值逐一超過IAEA的默認(rèn)值。雖然由第2節(jié)所述，IAEA對停堆前10天的OIL2γ計(jì)算較為保守，但大于華龍一號所有二級PSA事故的OIL2γ值應(yīng)是不可接受的。建議華龍一號事故下停堆前10天的OIL2γ設(shè)定值不大于60 μSv/h(包絡(luò)出現(xiàn)在嚴(yán)重事故RC01曲線上的最小的OIL2γ計(jì)算結(jié)果)，以滿足對各種二級PSA事故的保守性。

對OIL3γ，IAEA的默認(rèn)值可以包絡(luò)大多數(shù)的華龍一號二級PSA事故，僅有少部分事故(RC02、RC04、RC06和RC07)在停堆后約2～11天之內(nèi)出現(xiàn)小于默認(rèn)值的現(xiàn)象，最多不小于默認(rèn)值的1/2(圖3所示)。由于OIL3γ的計(jì)算方法十分保守，且其默認(rèn)值1 μSv/h在許多地區(qū)已接近于放射性自然本底值，同時華龍一號二級PSA事故的OIL3γ值尚大于某些國際常用嚴(yán)重事故源項(xiàng)的OIL3γ值。所以，IAEA的OIL3γ默認(rèn)值對華龍一號具有適用性。

如圖4所示，對華龍一號二級PSA全事故譜，OIL4γ最小計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)于事故RC07的曲線上，可被4 μSv/h包絡(luò)。由于計(jì)算中取權(quán)重因子為0.5，對IAEA所采用的各種國際通用嚴(yán)重事故源項(xiàng)，OIL4γ取4 μSv/h仍是保守的(如第2節(jié)所述)。故而，華龍一號的OIL4γ設(shè)定值最大可為4 μSv/h。在應(yīng)急準(zhǔn)備中，可綜合考慮監(jiān)測儀器的特點(diǎn)和性能，確定合適的OIL4γ設(shè)定值。

圖5和圖6分別顯示了以131I和137Cs為標(biāo)志性核素的華龍一號二級PSA全事故譜OIL7計(jì)算結(jié)果。131I的OIL7只在停堆后的前10天使用，華龍一號RC01～RC11的包絡(luò)值為1 800 Bq/kg，小于出現(xiàn)在RC10上的最小計(jì)算結(jié)果，接近IAEA默認(rèn)值的2倍；137Cs的OIL7只在停堆10天后使用，RC01～RC11的包絡(luò)值為300 Bq/kg(由事故RC09最小計(jì)算結(jié)果確定)，大于IAEA的默認(rèn)值。因此，IAEA對OIL7的默認(rèn)值可以包絡(luò)華龍一號二級PSA全事故譜并具有足夠的保守性。

綜上所述，IAEA-EPR-NPP-OILs中列出的各種OIL的默認(rèn)值中，OIL1γ、OIL3γ、OIL4γ和OIL7對華龍一號是可用的，其中OIL1γ、OIL4γ和OIL7均具有可觀的保守度。IAEAOIL2γ默認(rèn)值不完全適用于華龍一號，在停堆前10天內(nèi)，設(shè)定值不大于60 μSv/h才能包絡(luò)華龍一號的11類二級PSA事故。

4 結(jié)論

2017年，IAEA發(fā)布了OIL分類、制定和使用指導(dǎo)的最新版本IAEA-EPR-NPP-OILs。本研究采用華龍一號核電機(jī)型二級PSA全事故譜，對各類OIL的設(shè)定值進(jìn)行制定計(jì)算，比較并分析了IAEAOIL1γ～OIL7的默認(rèn)值對華龍一號的適用性和保守性。

研究結(jié)果顯示，OIL1γ、OIL3γ、OIL4γ和OIL7的IAEA默認(rèn)值均能包絡(luò)華龍一號二級PSA全事故譜，且除OIL3γ外均是較為保守的。對OIL2γ，在停堆10天后的默認(rèn)值適用于華龍一號，但在停堆10天內(nèi)，默認(rèn)值對所有二級PSA事故均不具有包絡(luò)性。針對二級PSA事故源項(xiàng)，建議華龍一號停堆前10天的OIL2γ設(shè)定值不大于60 μSv/h，OIL4γ設(shè)定值可綜合監(jiān)測儀器特性和環(huán)境本底值，取1～4 μSv/h之間，其余OIL采用IAEA默認(rèn)值。

未來可采用我國實(shí)際核電廠址的農(nóng)作物生產(chǎn)和居民食譜調(diào)查情況，對IAEA-EPR-NPP-OILs的制定方法和參數(shù)開展更深入的研究，進(jìn)一步探討對我國未來核電機(jī)組的適用性。