应急决策支持系统中核事故后果评价程序的设计与改进

刘 蕴，张立国，李 红，曲静原，童节娟

（清华大学 核能与新能源技术研究院 先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084）

在核电厂发生事故导致放射性物质释放的情况下，应急指挥中心需依靠应急决策支持系统快速确定应急防护措施的决策，以避免或尽量减小公众的受照剂量。应急决策支持系统主要分为两部分：堆芯损伤评价与源项计算依据事故工况数据，对堆芯损伤进行定性与定量分析，得到放射性释放源项的预测；事故后果评价依据释放源项的时间序列，对核电厂周边辐射剂量的时空分布进行预测，结合干预／行动水平给出合适的防护行动建议。由于事故情况下，公众受照剂量时空分布和防护行动与气象条件、地形、居民分布等因素相关且计算复杂，故需设计开发专门的事故后果评价应用程序进行计算。

早在1973年，美国就开始了核事故后果评价的研发计划。其后，切尔诺贝利核事故的发生对核事故后果评价的研究与程序开发起到了不可忽视的推动作用［1-2］。目前，国际上最具影响力的应急决策支持系统包括美国的“大气释放咨询能力”ARAC、欧共体的欧洲核应急决策支持系统RODOS与日本的SPEEDI／WSPEEDI，其中均包含核事故后实时的事故后果评价程序。

在我国，核应急决策支持系统的研究与开发被作为国家“九五”科技攻关项目，引进RODOS作为开发技术平台，于2002年开发成功，称为RODOS-C［3］。随着计算机技术的不断进步，直至目前，基于RODOS-C的核事故后果评价系统已经过了多次改进，被应用于环境保护部核与辐射安全中心与大亚湾、红沿河等多个运行及在建核电站。

为了适应目前主流的计算机硬件架构与软件开发规则，本工作对我国核应急决策支持系统进行重新设计、开发与改进。

1 系统功能设计与改进

事故后果评价程序的总体功能为：依靠气象预报数据与预测的释放源项时间序列，通过大气扩散模型，分析估计未来一定时间段内核电厂周围的放射性物质地面浓度场与剂量场，计算放射性核素所致的内、外照射剂量，提出隐蔽、撤离、避迁、永久再定居、碘防护、食品和饮用水控制等防护行动建议。上述功能的实现，由多个专项功能模块共同完成，包括风场计算、大气扩散和剂量、防护行动决策、食品行动决策与操作干预水平修订。

1.1 风场计算模块

风场计算模块的功能是：由省气象监测站获取并处理得到的远场／近场气象预报数据，得到网格更精细的诊断风场，以供大气扩散与剂量模块使用。其中，风场诊断应用质量守恒风场模型（MCF），大气稳定度的计算与地面粗糙度相关。风场计算模块主要包括气象数据预处理与风场调整两个子模块。其中，气象预处理子模块计算各气象数据点相对释放点的位置、各时间点大气稳定度与风速廓线指数；风场调整子模块则主要进行诊断风场的计算。

经过这一版本的修改，风场计算模块的输入为经过前期处理的远场／近场气象预报数据网格而非气象站原始观测数据，输出规格一般可为60km×60km，网格间距0.25km，或160km×160km，网格间距1km，同时也给出均匀风场数据。

1.2 大气扩散和剂量模块

大气扩散和剂量模块采用RODOS 中的RIMPUFF 大 气 扩 散 模 型［4-6］。RIMPUFF 由丹麦Risø国家实验室开发，其利用拉格朗日中尺度大气弥散烟团模型计算气载物质弥散产生的浓度和剂量。该模型的优点在于可应用于不平坦地形，且可很好地处理非均匀不稳定气象条件。该模型通过顺序释放的一系列烟团来模拟连续释放，在每一个时间步长中，依据局地气象参数分析各烟团的平流传输、扩散和沉积，并计算由烟团和沉积核素各自引起的γ 辐射剂量，之后根据时间积分浓度的增量和由初始数据的时间差分归一的剂量率来计算每个网格点的瞬时浓度和剂量。

大气扩散和剂量以每个烟团中气载放射性物质的量为输入，可实时计算释放到大气中的放射性烟云造成的近地面空气中核素的瞬时浓度与时间积分浓度，地面干、湿沉积浓度，烟云与地面的γ辐射剂量与剂量率，以及烟羽途径、地面外照射途径与吸入途径对器官的潜在剂量。

大气扩散和剂量模块中考虑了与稳定度相关的扩散参数、烟羽抬升、逆温层和地面反射以及干／湿（源）耗减等方面的计算。在复杂地形条件下，它采用烟团分裂方案来处理烟羽的分叉问题。

大气扩散和剂量模块中的网格数、输出时间间隔与同时计算核素数目均完成了相应的扩展，提高了其适用范围。目前，大气扩散和剂量模块可适应241×241的计算网格，完整输出数据集的输出时间间隔最短为600s，另外可选择输出30s间隔的烟云γ剂量率，待计算核素的最大数目则由15个扩展至64个。同时，优化了烟云γ剂量率计算中对出界烟团的处理，提高了计算的准确度。

1.3 防护行动决策模块

RODOS中早期应急干预模块EMERSIM的主要任务是确定需采取早期应急行动的区域，模拟这些行动并计算在采取措施和不采取措施情况下的个人剂量。防护行动决策模块参考EMERSIM 的计算方法，根据大气扩散和剂量模块所提供的输出时间间隔内各器官受烟云照射、地面外照射和吸入剂量，连同人口分布、居留因子和屏蔽因子数据，计算3种途径下，未来一段时间后各器官的剩余、潜在与预期剂量，估算在可供选择的防护行动下可防止剂量与代价（包括影响区域大小和人数等）。此处，居留因子为正常生活的居留因子，屏蔽因子为实施隐蔽时的屏蔽因子。根据以上计算结果，考虑各种防护行动的剂量干预水平，给出推荐的防护行动组合，为应急决策过程提供必要的支持信息。

经改进，防护行动决策模块可适应大气扩散和剂量模块的计算网格。同时，在模块中加入了对避迁与永久再定居这两种防护行动，使原来的3种防护行动组合（隐蔽、撤离、碘防护）扩展为5种。此外，为了对防护行动决策进行补充，事故后果评价程序中还加入了食品行动决策模块与操作干预水平修订模块。

1.4 食品行动决策模块

食品行动决策模块的主要功能是通过计算食品与饮用水中的放射性污染水平，考虑食品通用行动水平，给出食品与饮用水防护行动建议。其中，食品与饮用水中的放射性污染水平计算模型选自IAEA 安全丛书第57号，以大气扩散和剂量模输出的放射性核素地面沉积浓度为输入，且需使用食品作物的放射性核素的截获因子、易位因子与转移系数等。

计算一般食品作物中放射性核素转移时，考虑叶面沉积的核素转移与根类吸收两个途径；计算饮用水污染水平时，考虑事故时放射性物质经干湿沉降到水库整个控制流域面积上，并最终在水库内均匀混合；计算放射性在牛奶中的转移时，考虑事故时奶牛只食入新鲜饲料和饮用被放射性核素污染的水，不考虑干饲料的食入。其中，不同核素组的污染水平为每组各核素的污染水平之和。食品的通用行动水平依照GB 18871—2002附录E中表E2所列［7］。

1.5 操作干预水平修订模块

操作干预水平修订模块的主要功能是对不同事故下的操作干预水平进行修正。修正方法来源于IAEA TECDOC 953［8］。OIL1和OIL2计算所需的数据包括：7天内可避免有效剂量、烟云外照射预期剂量（有效）、地面外照射7天预期剂量（有效）、吸入7天预期剂量（有效）、可避免甲状腺剂量与吸入50 年预期剂量（甲状腺）。这些数据均由防护行动决策模块运行得到。OIL1和OIL2的计算如下：

其中：OIL1为撤离操作干预水平；GILe为国标规定的撤离干预水平，默认为50mSv；R1为有效剂量率对环境剂量率的比值；Te为烟云外照射时间；OIL2为碘防护操作干预水平；GILthy为国标规定的碘防护干预水平，默认为100 mSv；R2为甲状腺剂量率对环境剂量率的比值。

2 系统总体逻辑结构设计

为了符合应急支持决策系统开发的B／S框架结构，事故后果评价程序的总体逻辑设计同样使用B／S架构。如图1所示逻辑结构图，事故后果评价程序中，浏览器主要包括操作网页，服务器则包括负责运算的业务层与运算相关的数据层。其中，业务层中进行模型计算与接口控制，数据层对数据库与固定数据文件进行存储与管理，另外数据库还需为其他模块提供数据支持。

改进后，业务层中风场计算、大气扩散和剂量、防护行动决策、食品行动决策与操作干预水平修订这5个模块逐一连接，形成一个完整的评价模式链。在一次运算中，浏览器先将案例控制参数存入数据层并发送计算命令，之后业务层直接在服务器上开始计算，在计算过程中逐一由数据层获取源项与系统数据，并读取数据文件，计算结果保存至数据库。需说明的是，输出的结果数据只包含应急决策支持所需的数据，而各模块间的数据传递均在内存中实现，省略了大量文件读写，显著提高了运行效率。

使用B／S架构还可显著改善程序运行限制与维护代价。基于浏览器的设计使任意有权访问程序相关操作网页的人员或设备均可启动计算或修改参数，其访问权限只受人员角色与网络限制，与具体设备无关。数据库中以二进制的形式只保存最终需输出的计算结果，节约了数据存储空间。由于业务层与数据库只需安装在服务器上，程序与数据维护无需涉及网络中其他设备，降低了维护代价。

图1 逻辑结构图Fig.1 Logical structure diagram

3 程序接口设计

在经过改进的接口设计中，输入接口由app.config数据库配置文件统一管理。应用程序的配置文件是标准的XML 文件，可按需更改。开发人员可使用配置文件来更改设置，而不必重新编译应用程序。该配置方式实现了对接口参数的统一管理，摆脱了传统的文本配置方式。

此外，网格数、输出时间间隔、计算核素数目等参数均作为程序计算的控制参数，可在主函数中进行配置，传入计算模块。对于整个事故后果评价程序，只要这些参数的输入值在算法使用范围内，均可计算输出对应的正确结果。控制参数取值范围列于表1。

表1 控制参数取值范围Table 1 Ranges of control parameters

4 结论

为了适应目前主流的计算机配置与软件设计思想，开发了新版应急决策支持系统并进行优化与改进。其中，在对事故后果评价程序的重新开发中，对功能、逻辑结构与接口设计均进行了改进。功能方面，在原来的基础上添加了避迁、永久再定居以及食品及饮用水行动决策，并可对操作干预水平进行修订。逻辑结构方面，采用了浏览器／服务器框架结构，显著改善了程序运行限制与维护代价，同时改进了数据存储方案，省略了大量文件读写，节约了数据存储空间，显著提高了运行效率。接口设计方面，实现了对接口参数的统一管理，并对程序计算的控制参数进行了扩展，扩大了程序的应用范围。

新版应急决策支持系统将为我国核电厂事故应急提供更加完善的定量技术支持，在降低公众受照剂量、实现辐射防护最优化方面有积极意义。

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［7］ 核工业标准化研究所.GB 18871—2002 电离辐射防护与辐射源安全基本标准［S］.北京：中国标准出版社，2002.

［8］ IAEA.Method for the development of emergency response preparedness for nuclear or radiological accidents，IAEA TECDOC 953［R］.Vienna：IAEA，1997.