ERICA2.0 軟件和R&D128 程序中41Ar 和85Kr 核素對陸生生物輻射劑量率估算對比的初步研究

熊瀟穎，杜紅燕，魏其銘，白曉平，王曉亮，鄭 偉，邱 林

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

核設(shè)施釋放的放射性物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境后，可能會(huì)通過各種途徑對生物及其種群產(chǎn)生輻射影響。非人類物種的輻射影響日益受到國際社會(huì)的關(guān)注，各國應(yīng)用的評價(jià)非人類物種的輻照劑量的程序主要有ERICA 軟件和R&D 128 模型等[1]。

ERICA（電離污染環(huán)境危害：評價(jià)和管理）軟件是歐洲委員會(huì)在2004—2007 年完成開發(fā)的，可以估算非人類生物輻射效應(yīng)的程序，目前2.0 版本中包含49 種元素88 種核素，還可以根據(jù)需要添加其他核素。該程序采用了三級篩選評價(jià)方法，具有對物種的針對性強(qiáng)、生物效應(yīng)數(shù)據(jù)庫較為全面、可根據(jù)需要添加新的生物和核素等諸多優(yōu)點(diǎn)。R&D128（對野生動(dòng)物的電離輻射影響評價(jià)）程序是英國國家環(huán)保署于2001 年開發(fā)的用以評價(jià)電離輻射對野生動(dòng)物生物輻射影響的劑量評估方法[2]。R&D128 程序?qū)τ陉懮鷳B(tài)系統(tǒng)主要選取了16 個(gè)元素17 個(gè)核素，其中包含惰性氣體41Ar和85Kr 核素。

在我國的生物輻射影響評價(jià)中，現(xiàn)階段計(jì)算核素對生物的影響大多采用ERICA1.3 版本軟件，由于ERICA 軟件中沒有考慮惰性氣體的對陸生生態(tài)系統(tǒng)照射的貢獻(xiàn)，而R&D 128 模型對惰性氣體41Ar 和85Kr 核素進(jìn)行了考慮，因此環(huán)境影響評價(jià)中目前對生物的輻射影響評價(jià)使用ERICA 軟件和R&D128 程序同時(shí)進(jìn)行計(jì)算。ERICA 軟件于2021 年進(jìn)行了版本更新，更新后的2.0 版版本較以前的所有版本，首次添加了Kr、Ar、Rn、Xe 等惰性氣體元素，惰性氣體相應(yīng)的劑量率轉(zhuǎn)換因子（DCC）等參數(shù)也做了補(bǔ)充。

本文將對R&D 128 程序和ERICA2.0 軟件中均包含的惰性氣體核素41Ar 和85Kr 對生物造成的輻射劑量的原理、參考生物和參數(shù)等方面進(jìn)行比較，并以我國某核電廠為例，對核電廠周圍惰性氣體核素41Ar 和85Kr 對陸生生物的輻射劑量進(jìn)行計(jì)算和比較。

1 R&D 128 程序和ERICA2.0 軟件的對比

1.1 參考生物與惰性氣體核素

1.1.1 參考生物

R&D128 程序選取了18 種陸生參考生物：真菌、苔蘚、喬木、灌木、草本植物、種子、真菌、毛蟲、螞蟻、蜜蜂、土鱉、蚯蚓、食草哺乳動(dòng)物、食肉哺乳動(dòng)物、嚙齒類動(dòng)物、鳥類、鳥卵和爬行動(dòng)物。

ERICA 軟件2.0 版本的13 類陸生參考生物與1.3 版本保持一致：兩棲動(dòng)物、鳥類、食腐類節(jié)肢動(dòng)物、飛行類昆蟲、腹足綱軟體動(dòng)物、草本植物、苔蘚類植物、大型哺乳動(dòng)物、小型掘穴類哺乳動(dòng)物、爬行動(dòng)物、灌木、環(huán)節(jié)動(dòng)物和喬木。

1.1.2 惰性氣體核素

R&D128 程序中，惰性氣體包括41Ar 和85Kr核素；在ERICA 2.0 軟件中，惰性氣體41Ar、85Kr、85mKr、87Kr、88Kr、131mXe、133Xe、133mXe、135Xe、138Xe，比R&D128 程序的惰性氣體核素種類豐富。

1.2 計(jì)算公式

1.2.1 R&D128 程序?qū)Χ栊詺怏w的計(jì)算

對于惰性氣體，在R&D128 程序的計(jì)算中，內(nèi)照射劑量率計(jì)算為0。核素i對生物j造成的總劑量率為：

式（1）為核素i對生物j造成的照射劑量率。

式中：z——生物棲息地，對于惰性氣體，z為空氣；

Cz,i——核素i在棲息地z中的濃度，對于惰性氣體，為在空氣中，Bq·m-3。

1.2.2 ERICA2.0 軟件對惰性氣體的計(jì)算

在陸生生態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算中，對于惰性氣體，其在ERICA2.0 軟件的二級計(jì)算中，內(nèi)照射劑量率計(jì)算為0。計(jì)算惰性氣體對生物的劑量率時(shí)，介質(zhì)濃度數(shù)據(jù)輸入為空氣中放射性核素活度濃度，采用浸沒（即土壤上方浸沒在污染的空氣中）劑量率轉(zhuǎn)換因子。計(jì)算公式為：

1.3 主要參數(shù)

由于惰性氣體的劑量率計(jì)算中，不考慮內(nèi)照射的影響，因此惰性氣體對生物的內(nèi)照射劑量率為0。在參數(shù)中也不考慮與內(nèi)照射相關(guān)的參數(shù)。計(jì)算中主要參數(shù)為外照射劑量率轉(zhuǎn)換因子。

（1）在R&D128 程序中

在R&D128 程序中，惰性氣體的外照射劑量率轉(zhuǎn)換因子主要是根據(jù)環(huán)境特征參數(shù)、照射途徑和參考生物的特征參數(shù)，利用Monte-Carlo方法或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到[1]。對于41Ar 和85Kr核素，程序中給出的外照射劑量率轉(zhuǎn)換因子如表1 所示。

（2）在ERICA2.0 軟件中

在ERICA2.0 軟件中，惰性氣體的空氣浸沒外照射劑量率轉(zhuǎn)換因子來自ICRP136 出版物中的Biota-DC 程序[4]，且無論生物在地面上還是地面下，均假設(shè)其100%浸沒于有放射性核素的空氣中。為與R&D128 程序進(jìn)行對比，選取與R&D128 程序相同的41Ar 和85Kr 核素進(jìn)行說明。對于41Ar 和85Kr 核素，空氣浸沒外照射劑量率轉(zhuǎn)換因子如表2 所示。其中，環(huán)節(jié)動(dòng)物、草本植物、灌木和喬木的劑量率轉(zhuǎn)換因子為0。

表2 ERICA2.0 軟件陸生生態(tài)系統(tǒng)空氣浸沒外照射劑量率轉(zhuǎn)換因子Table 2 The dose conversion coefficient of immersion external radiation in the air of terrestrial ecosystems in the Erica2.0 software μGy·h-1/Bq·m-3

2 某廠址周圍41Ar 和85Kr 對陸生生物造成的輻射劑量計(jì)算和分析

以我國某核電廠兩臺(tái)WWER 機(jī)組為例，采用R&D128 程序和ERICA2.0 軟件計(jì)算該核電廠兩臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下：

（1）選擇計(jì)算R&D128 程序和ERICA2.0軟件中含有的41Ar 和85Kr 核素排放所致廠址附近陸生生物的輻射劑量率進(jìn)行對比，兩個(gè)核素的排放量和在空氣中的濃度如表3 所示。

表3 兩臺(tái)WWER 機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)下41Ar 和85Kr 核素的年排放量和在空氣中的濃度Table 3 Annual emissions and air concentration of 41Ar and 85Kr nuclides from two WWER units under operating conditions

（2）選擇兩個(gè)模型中同類的參考生物：環(huán)節(jié)動(dòng)物、食腐類節(jié)肢動(dòng)物、鳥類、飛行類昆蟲、草本植物、苔蘚植物、大型哺乳動(dòng)物、小型掘穴類哺乳動(dòng)物、爬行動(dòng)物、灌木和喬木11 種生物進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果如表4 和圖1、圖2 所示。

圖1 采用R&D128 程序和ERICA2.0 軟件計(jì)算廠址附近11 類陸生生物的劑量率結(jié)果比較（41Ar）Fig.1 Comparison of dose results for 11 types of terrestrial organisms near the nuclear power plant site calculated using the Erica2.0 software and the R&D128 program (41Ar)

圖2 采用R&D128 程序和ERICA2.0 軟件計(jì)算廠址附近11 類陸生生物的劑量率結(jié)果比較（85Kr）Fig.2 Comparison of dose results for 11 types of terrestrial organisms near the nuclear power plant site calculated using the ERICA2.0 software and the R&D128 program (85Kr)

表4 采用R&D128 程序和ERICA2.0 軟件計(jì)算廠址附近11 類陸生生物的劑量率結(jié)果比較Table 4 Comparison of dose results for 11 types of terrestrial organisms near the nuclear power plant site calculated using Erica2.0 software and R&D128 program μGy/h

從計(jì)算結(jié)果看出，（1）R&D128 程序?qū)τ?1Ar 和85Kr 核素的計(jì)算結(jié)果均比ERICA2.0 軟件大；（2）R&D128 程序?qū)λ猩锞袆┝柯视?jì)算結(jié)果，ERICA2.0 軟件的計(jì)算結(jié)果中環(huán)節(jié)動(dòng)物、草本植物、灌木和喬木的劑量率計(jì)算結(jié)果均為0。

3 對比分析和結(jié)論

根據(jù)以上對比看出：

（1）ERICA2.0 軟件比R&D128 程序的惰性氣體核素種類豐富；

（2）R&D128 程序共選擇了18 種陸生參考生物，ERICA2.0 軟件共選擇了13 種陸生參考生物，R&D128 程序的參考生物種類更加豐富；

（3）對于內(nèi)照射劑量率，R&D128 程序和ERICA2.0 軟件對于41Ar 和85Kr 的內(nèi)照射劑量率均為0；

（4）ERICA2.0 軟件和R&D128 程序的劑量率轉(zhuǎn)換因子采用的來源不同，在R&D128 程序中，41Ar 和85Kr 的外照射劑量率轉(zhuǎn)換因子主要是根據(jù)環(huán)境特征參數(shù)、照射途徑和參考生物的特征參數(shù)，利用Monte-Carlo 方法或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到；在ERICA2.0 軟件中，41Ar 和85Kr的空氣浸沒外照射劑量率轉(zhuǎn)換因子來自ICRP136 出版物中的Biota-DC 程序，也是造成劑量率結(jié)果不同的主要原因；

（5）從計(jì)算結(jié)果上看，在41Ar 和85Kr 排放量相同的情況下，R&D128 程序的計(jì)算結(jié)果比ERICA2.0 軟件的計(jì)算結(jié)果大一個(gè)量級，R&D128 程序的結(jié)果相對保守；且ERICA2.0軟件的計(jì)算結(jié)果中環(huán)節(jié)動(dòng)物、草本植物、灌木和喬木的劑量計(jì)算結(jié)果均為0，是由于它們的空氣浸沒外照射劑量率轉(zhuǎn)換因子均為0 造成的；可見對于41Ar 和85Kr，R&D128 程序參數(shù)數(shù)據(jù)來源更齊全。

因此，對于惰性氣體核素的輻射影響計(jì)算，41Ar 和85Kr 的計(jì)算使用R&D128 程序是相對保守和可行的；對于其他惰性氣體的計(jì)算，可采用ERICA2.0 軟件進(jìn)行補(bǔ)充和完善。目前的生物輻射影響評價(jià)中，可將 R&D128 程序和ERICA2.0 軟件結(jié)合使用，進(jìn)行惰性氣體對生物造成的輻射劑量的計(jì)算和分析。