核電廠煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分探討

曹啟玥

(三門核電有限公司,浙江 臺(tái)州 317112)

核電廠發(fā)生嚴(yán)重核事故的可能性雖然很小，但一旦發(fā)生則可能引起放射性物質(zhì)的釋放，對(duì)公眾健康和周邊環(huán)境造成影響，因此，必須做好周密的應(yīng)急準(zhǔn)備工作以保護(hù)公眾的安全?！皯?yīng)急計(jì)劃區(qū)”是開展應(yīng)急準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)之一，也是應(yīng)急預(yù)案評(píng)審的重要內(nèi)容。

應(yīng)急計(jì)劃區(qū)指為了事故情況下能及時(shí)有效地采取保護(hù)公眾的防護(hù)行動(dòng)，事先在核電廠周圍建立的、制定了應(yīng)急預(yù)案并做好應(yīng)急準(zhǔn)備的區(qū)域[1]。針對(duì)煙羽照射途徑建立的應(yīng)急計(jì)劃區(qū)稱為煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)，分為內(nèi)區(qū)和外區(qū)，重點(diǎn)執(zhí)行隱蔽、撤離、碘防護(hù)等緊急防護(hù)行動(dòng)。

本文基于國(guó)家推薦的劃分原則，結(jié)合實(shí)際情況，分析某AP1000核電廠煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)計(jì)算方法、源項(xiàng)選取、計(jì)算結(jié)果，并從電廠安全、事故后果、人口因素等方面討論實(shí)際劃分中遇到的問題，對(duì)后續(xù)機(jī)組應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分提出一些建議。

1 劃分原則

《核電廠應(yīng)急計(jì)劃與準(zhǔn)備準(zhǔn)則第1部分：應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分》(GB/T 17680.1—2008)[1]推薦了我國(guó)核電廠煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)范圍確定的安全準(zhǔn)則和一般方法：

1)在煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)以外，對(duì)所考慮的后果最嚴(yán)重的嚴(yán)重事故序列使公眾個(gè)人可能受到的最大預(yù)期劑量不超過GB18871[2]所規(guī)定的急性照射的劑量行動(dòng)水平，如表1所示。

表1 急性照射的劑量行動(dòng)水平Table 1 Dose action level for acute exposure

2)對(duì)于各種設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和大多數(shù)嚴(yán)重事故序列，采取特定緊急防護(hù)行動(dòng)的可防止劑量一般應(yīng)不大于GB 18871所規(guī)定的相應(yīng)的通用優(yōu)化干預(yù)水平，如表2所示。

表2 緊急防護(hù)行動(dòng)的通用優(yōu)化干預(yù)水平Table 2 Generic optimal intervention levels for emergency protection operations

3)應(yīng)急計(jì)劃區(qū)實(shí)際邊界確定時(shí)，還應(yīng)考慮核電廠周圍具體環(huán)境特征社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況和公眾心理因素，如地形、行政區(qū)劃邊界、人口分布、交通、便于進(jìn)行應(yīng)急準(zhǔn)備和應(yīng)急響應(yīng)。

在滿足上述準(zhǔn)則的前提下，壓水堆核電廠內(nèi)區(qū)在3～5 km范圍內(nèi)確定，外區(qū)在7～10 km范圍內(nèi)確定。

2 理論計(jì)算

首先對(duì)核應(yīng)急預(yù)案所考慮的事故(設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故)進(jìn)行分析，選定釋放源項(xiàng)，然后跟據(jù)廠址氣象條件估算其向場(chǎng)外釋放造成的個(gè)人劑量，最后與劃分原則中的干預(yù)水平相比較，找出不超過安全準(zhǔn)則的邊界線。

具體計(jì)算方法分兩種：確定論和概率論。確定論指用確定的源項(xiàng)和確定的氣象條件計(jì)算事故在不同距離處造成的后果，常用于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故源項(xiàng)；概率論指用事故譜和各種可能的氣象條件計(jì)算事故后果在不同距離處超越干預(yù)水平的概率，常用于嚴(yán)重事故源項(xiàng)。兩種方法均能定量地確定應(yīng)急計(jì)劃區(qū)大小，確定論方法比較直觀、容易理解，概率論切合實(shí)際，且能夠體現(xiàn)應(yīng)急計(jì)劃區(qū)邊界并不是絕對(duì)不安全與絕對(duì)安全的界限，二者結(jié)合使用，互為參考。如圖1所示。

圖1 煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)計(jì)算流程圖Fig.1 Flow chart of Plume emergency planning zone calculation

2.1 事故源項(xiàng)

事故源項(xiàng)指核電廠發(fā)生事故時(shí)，釋入環(huán)境的放射性物質(zhì)的形態(tài)、數(shù)量、組份及隨時(shí)間變化的其它釋放特征。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)明確提出，制定應(yīng)急預(yù)案時(shí)既要考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，還應(yīng)考慮嚴(yán)重事故，以使應(yīng)急計(jì)劃區(qū)內(nèi)的應(yīng)急準(zhǔn)備足以應(yīng)對(duì)嚴(yán)重程度不同的事故。依據(jù)劃分原則，確定論事故源項(xiàng)有“設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故”，概率論事故源項(xiàng)有“大多數(shù)嚴(yán)重事故”和“所考慮的后果最嚴(yán)重的嚴(yán)重事故”。AP1000機(jī)組應(yīng)急計(jì)劃區(qū)測(cè)算時(shí)“設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故”源項(xiàng)采用大破口LOCA，“大多數(shù)嚴(yán)重事故”采用AP1000嚴(yán)重事故譜，“所考慮的后果最嚴(yán)重的嚴(yán)重事故”采用嚴(yán)重事故譜中的安全殼旁通類釋放源項(xiàng)。

2.2 大氣彌散模型

氣載核素在大氣中的濃度分布不僅取決于核素的排放量，還決定于大氣對(duì)核素的擴(kuò)散能力。污染物自源頭釋放出來后隨風(fēng)輸運(yùn)，同時(shí)與空氣混合，在水平和垂直方向上擴(kuò)散，最終形成具有一定形態(tài)的分布，大氣彌散模型便是定量描述此過程的工具。大氣彌散模型一般采用高斯煙羽模式，該模式是計(jì)算氣載污染物下風(fēng)向濃度最廣泛的方法，表達(dá)式如下：

(1)

式中,CA(x,y,z)——下風(fēng)向位置(x,y,z)處放射性核素的空氣活度濃度;

Qi——排放量;

u——風(fēng)速;

H——排放高度;

σy、σz——擴(kuò)散參數(shù)，是大氣穩(wěn)定度的函數(shù)。

由(1)可知大氣彌散因子與釋放高度、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度密切相關(guān)。為了得到符合實(shí)際的污染物擴(kuò)散能力，選取兩年的廠址氣象數(shù)據(jù)逐時(shí)計(jì)算大氣彌散因子。

對(duì)于確定論方法，確定的氣象條件通常選擇95%氣象條件對(duì)應(yīng)的大氣彌散因子，即只有5%的事故后果大于等于該大氣彌散因子計(jì)算的事故后果。對(duì)于概率論方法，應(yīng)計(jì)算各種可能氣象條件下事故后果，所有大氣彌散因子均需選取。

2.3 劑量計(jì)算

煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)主要應(yīng)對(duì)放射性煙羽產(chǎn)生的直接外照射、吸入內(nèi)照射和地面沉積外照射，因此事故的劑量估算主要考慮煙羽浸沒外照射、地面沉積外照射、吸入內(nèi)照射和吸入再懸浮核素內(nèi)照射四個(gè)途徑，利用事故期間放射性釋放量、大氣彌散因子、地面沉積因子和劑量轉(zhuǎn)換因子等計(jì)算釋放產(chǎn)生的預(yù)期劑量。

2.4 計(jì)算結(jié)果

內(nèi)區(qū)緊鄰核電廠，是事故后放射性污染最嚴(yán)重的區(qū)域，最穩(wěn)妥的防護(hù)行動(dòng)為撤離，通常應(yīng)用的安全準(zhǔn)則為：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和大多數(shù)嚴(yán)重事故導(dǎo)致內(nèi)區(qū)外7 d撤離行動(dòng)的可防止劑量不超過50 mSv。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故采用確定論的方法，計(jì)算大破口LOCA事故源項(xiàng)在95%氣象條件下釋放造成場(chǎng)外不同距離處的預(yù)期劑量，結(jié)果表明國(guó)家推薦值范圍內(nèi)(3～5 km)預(yù)期劑量均在50 mSv以下。

外區(qū)同樣面臨煙羽危害，但并不是首當(dāng)其沖的區(qū)域，防護(hù)行動(dòng)多選擇對(duì)居民生活影響較小的隱蔽和碘防護(hù)，通常應(yīng)用的安全準(zhǔn)則為：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和大多數(shù)嚴(yán)重事故后果超過隱蔽和碘防護(hù)相應(yīng)干預(yù)水平的概率應(yīng)為很低的水平；所考慮的后果最嚴(yán)重事故超過急性照射的劑量行動(dòng)水平的概率應(yīng)為較低的水平。根據(jù)計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)性，此處不討論設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故。

嚴(yán)重事故采用概率論的方法，分別計(jì)算6類釋放在不同距離點(diǎn)處的超過指定劑量的概率，然后根據(jù)各自的概率權(quán)重，將事故譜的曲線加權(quán)求和，最終得到嚴(yán)重事故條件下各距離點(diǎn)超越干預(yù)水平的條件概率。計(jì)算結(jié)果表明在國(guó)家推薦范圍(7～10 km)的上限值10 km處，大部分超越概率趨于0，只有采取隱蔽行動(dòng)2 d的可防止劑量超10 mSv的概率在19%左右，并顯著降低。

綜上所述，煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)采用國(guó)家推薦值的上限，即內(nèi)區(qū)5 km、外區(qū)10 km，應(yīng)當(dāng)可以為公眾安全提供廣泛與全面的保護(hù)。

3 實(shí)際邊界

應(yīng)急計(jì)劃區(qū)實(shí)際邊界往往并不是以反應(yīng)堆為中心呈嚴(yán)格的圓形，因?yàn)閷?shí)際邊界確定時(shí)除了參考理論值，還應(yīng)結(jié)合行政區(qū)劃、地形條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素劃分，為了便于應(yīng)急準(zhǔn)備工作實(shí)施與管理，正好位于理論值邊界上的行政區(qū)域可統(tǒng)一劃入或劃出應(yīng)急計(jì)劃區(qū)，但不應(yīng)偏離理論值太遠(yuǎn)，各電廠在實(shí)際邊界劃分過程中經(jīng)常會(huì)遇到一個(gè)普遍性的問題：地方政府或當(dāng)?shù)毓姄?dān)心因?yàn)閯澣霊?yīng)急計(jì)劃區(qū)而影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展，甚至可能對(duì)應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分產(chǎn)生一定阻力。

某核電廠外區(qū)10 km邊界線穿過一個(gè)經(jīng)濟(jì)區(qū)，該經(jīng)濟(jì)區(qū)最近距離反應(yīng)堆東北方向約7 km，當(dāng)?shù)卣兔癖娨圆焕诠娦睦砗徒?jīng)濟(jì)發(fā)展為由反對(duì)將此區(qū)域劃入煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)，可是若整體劃出，與國(guó)家核安全監(jiān)管部門批復(fù)的理論值有所偏離，對(duì)此本文考慮從以下幾個(gè)方面分析。

3.1 安全性能

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，該區(qū)域有一定的概率需要采取隱蔽的防護(hù)措施，當(dāng)發(fā)生最為嚴(yán)重的事故時(shí)，全身劑量有較小概率會(huì)超過確定性效應(yīng)閾值。如表3所示。

表3 7～10 km范圍內(nèi)事故后果Table 3 Accident consequence in the range of 7～10 km

以上計(jì)算結(jié)果是假設(shè)嚴(yán)重事故已發(fā)生的條件概率，即使AP1000的堆芯損傷頻率非常低，也無法體現(xiàn)在計(jì)算結(jié)果中。AP1000機(jī)組作為第三代先進(jìn)壓水堆，采用非能動(dòng)安全設(shè)計(jì)，能達(dá)到比現(xiàn)有運(yùn)行核電廠更高的嚴(yán)重事故安全性能，其堆芯損傷頻率能達(dá)到10-7/堆·年量級(jí)，比二代反應(yīng)堆10-5/堆·年低兩個(gè)量級(jí)，實(shí)際上發(fā)生堆芯熔化并導(dǎo)致場(chǎng)外應(yīng)急的概率遠(yuǎn)小于第二代反應(yīng)堆，此區(qū)域受到核事故影響的概率非常低。

3.2 截?cái)喔怕?/h3>

《核電廠應(yīng)急計(jì)劃與準(zhǔn)備準(zhǔn)則 第1部分：應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分》(GB/T 17680.1—2008)[1]提到“對(duì)于發(fā)生概率極小的事故，在確定核電廠應(yīng)急計(jì)劃區(qū)時(shí)可以不予考慮，以免使所確定的應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的范圍過大而帶來不合理的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)”，但沒有明確截?cái)喔怕?。美?guó)是開展嚴(yán)重事故研究較早的國(guó)家，WASH-1400報(bào)告至今仍被視為核電廠概率安全分析研究的經(jīng)典之作，WASH-1400僅分析了大于10-7/堆·年的事故，我國(guó)分析設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)對(duì)足夠小概率的事件不予考慮，足夠小通常指10-6～10-7/堆·年，有研究認(rèn)為選取截?cái)喔怕?0-8/堆·年是合理的[3]。該核電概率安全分析研究結(jié)果表明嚴(yán)重事故譜的概率低于國(guó)家對(duì)新建核電廠嚴(yán)重事故概率安全目標(biāo)10-6/堆·年，有的甚至到10-13量級(jí)。

清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院研究了不同截?cái)喔怕手祵?duì)AP1000嚴(yán)重事故譜后果的影響[4]，2 d有效劑量超過10 mSv的條件概率結(jié)果如圖2所示，可見若按照10-8/堆·年作為截?cái)喔怕剩鹿屎蠊麘?yīng)比目前計(jì)算結(jié)果更小，外區(qū)范圍相應(yīng)也會(huì)縮小。

圖2 截?cái)喔怕蕦?duì)2 d有效劑量超過10 mSv概率的影響Fig.2 The influence of truncation probability on the probability of 2 d effective dose exceeding 10 mSv

3.3 風(fēng)向

風(fēng)向研究時(shí)通常將廠址周圍360°水平風(fēng)向分成16個(gè)角度相等的扇形，每個(gè)扇形內(nèi)區(qū)域用中心線方向代表，該經(jīng)濟(jì)區(qū)位于N與ENE之間，不利風(fēng)向主要為西南風(fēng)。

該電廠設(shè)計(jì)階段和裝料階段環(huán)評(píng)報(bào)告分別給出了1994—1996年、2005—2007年、2009—2011年廠址氣象塔各高度(10 m、25 m、75 m、100 m)的年度風(fēng)向頻率玫瑰圖，由于各高度風(fēng)頻分布一致性高，選取10 m高度數(shù)據(jù)，主要參考廠平后的數(shù)據(jù)，如圖3所示綠色和紅色部分，可知主導(dǎo)風(fēng)向和次主導(dǎo)風(fēng)向均集中在NW和NNW，吹西南風(fēng)的概率較小。即電廠發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，放射性物質(zhì)大規(guī)模釋放的方向最大可能是朝著東南海域，而該經(jīng)濟(jì)區(qū)位于東北方向，從風(fēng)向的角度考慮，此區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)較低。

圖3 廠址氣象塔10 m高度的風(fēng)向頻率玫瑰圖Fig.3 Wind direction frequency roses at 10 m height of the meteorological tower on site

3.4 人口

應(yīng)急計(jì)劃區(qū)與人口分布關(guān)系密切，人口少的區(qū)域準(zhǔn)備工作相對(duì)簡(jiǎn)單，人口多的區(qū)域需做好充分準(zhǔn)備，尤其是存在應(yīng)急關(guān)注人群的區(qū)域應(yīng)納入應(yīng)急計(jì)劃區(qū)，如學(xué)校、醫(yī)院等。該核電廠廠址10 km范圍內(nèi)人口大多數(shù)集中在附近村鎮(zhèn)，該經(jīng)濟(jì)區(qū)大部分屬于新圍墾區(qū)暫無常住居民點(diǎn)，無學(xué)校、醫(yī)院等大型公共設(shè)施，由于人口相對(duì)較少，納入應(yīng)急計(jì)劃區(qū)后當(dāng)?shù)卣膽?yīng)急準(zhǔn)備工作壓力也比較小，但民眾可以得到更全面的保護(hù)。

4 總結(jié)

福島核事故后，國(guó)家核安全局和國(guó)家核應(yīng)急辦專家展開了專題討論，認(rèn)為新建機(jī)組應(yīng)急計(jì)劃區(qū)需偏保守考慮，安全性能提高是否可作為降低應(yīng)急準(zhǔn)備相應(yīng)要求的依據(jù)還需要進(jìn)一步實(shí)踐論證，應(yīng)急計(jì)劃區(qū)縮小條件還不成熟。核電廠在應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的過程中，應(yīng)以國(guó)家推薦劃分原則為依據(jù)，分析設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故在廠址氣象條件下造成的事故后果，煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)內(nèi)區(qū)、外區(qū)邊界計(jì)算結(jié)果應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際邊界劃分應(yīng)充分權(quán)衡社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況和公眾心理。針對(duì)文中描述的問題，在后續(xù)機(jī)組建設(shè)中仍有可能會(huì)遇到，建議核電廠與地方政府共同努力，可參考本文的分析與當(dāng)?shù)毓娂訌?qiáng)溝通，拿出數(shù)據(jù)、邏輯、依據(jù)，以理服人。煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)邊界處的區(qū)域?qū)嶋H上面臨的核應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)較低，納入應(yīng)急計(jì)劃區(qū)并非代表核應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)增加，反而可以提前編制應(yīng)急預(yù)案、完善應(yīng)急準(zhǔn)備工作，保護(hù)公眾、保護(hù)環(huán)境。應(yīng)急計(jì)劃區(qū)并不是限制區(qū)，不會(huì)影響當(dāng)?shù)氐墓I(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，關(guān)鍵在于核電廠與地方政府應(yīng)加大核安全與核應(yīng)急知識(shí)的宣傳與普及，以提高公眾對(duì)核電的接受與認(rèn)知。