核电厂周围液态有毒化学品类外部人为事件危险源评价方法研究

周耀权，杜红燕，郑 伟

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

核电厂周围液态有毒化学品类外部人为事件危险源评价方法研究

周耀权，杜红燕，郑 伟

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

核电厂附近如果存在有毒化学品类潜在危险源，可能会对核电厂的安全构成严重威胁，因此在核电厂外部人为事件影响分析评价时必须评估其是否会对核电厂安全构成潜在影响。对于核电厂周围液态有毒化学品类潜在危险源，可采用筛选距离值的方法进行初步筛查。对于无法筛查掉的危险源，由于相关的核安全法规和导则中未给出针对有毒化学品类潜在危险源的具体评价方法，通过对国内外相关标准和文献的分析研究，提出了一套有毒液体危险化学品对核电厂影响的评价方法：首先采用适当的事故泄漏模型计算出泄漏量和蒸发量，再采用适当的扩散模型计算出到达核电厂处的浓度，最后通过与毒性浓度限值比较，判断是否会对核电厂安全构成潜在危险。本文提出的分析和评价方法可为核电厂周围有毒化学品类外部人为事件潜在危险源的影响评价提供参考。

核电厂；外部人为事件；有毒化学品；评价方法

核电厂厂址是一种较稀缺的资源，随着近十多年来我国核电的快速发展，目前寻找条件非常优越的厂址更加困难。由于厂址条件越来越复杂，在厂址周围涉及的潜在外部人为事件危险源也越来越多样化，很多厂址周围会涉及到生产、储存或使用各种类型有毒化学品的工厂、企业或其他设施，这些物质一旦由于人为因素、设备因素、生产管理和环境因素而发生泄漏事故，则可能释放出有毒气体，通过扩散与空气混合形成气云和飘移物，危及核电厂工作人员的安全，进而可能影响到核电厂的安全运行。

在《核电厂厂址选择安全规定》（HAF101）［1］、核安全导则HAD101／04［2］以及IAEA安全导则NS－G－3.1［3］中均提出了需考虑厂址周围有毒有害物质的影响，但未给出对有毒化学品的具体评价和计算方法。本文拟分析和研究液态有毒化学品类危险源的评价方法，旨为核电厂周围液态有毒化学品类外部人为事件潜在危险源的影响评价提供参考。

1 评价步骤

根据核安全导则HAD101／04中和IAEA安全导则NS－G－3.1中给出的评价步骤，对有毒化学品类潜在危险源的评价步骤与爆炸等其他危害的评价类似，通常分为初步筛选和详细评价两个阶段，其中初步筛选又分为筛选距离值法和筛选概率水平法两种。危险液体源的筛选距离通常取8～10 km，筛选概率水平一般采用10－7／（堆·年）作为具有严重放射性后果的影响事件概率值的可接受限值。

对于用上述两种方法无法排除的危险源，需进行详细评价。鉴于我国有毒化学品类相关事故统计资料较难获取，不易计算其概率水平，因此对于筛选距离值法不能筛选掉的危险源，通常采用确定论的方法进行估算，本文所采用的评价方法即属于确定论方法。

如果经过评价不能排除相关危险，必要时需将有毒化学品可能产生的危害作为设计基准事件进行考虑，或采取其他可行的工程措施将相关的危害降低到可接受的水平。在厂址选择阶段，如果这些影响使得放射性后果的总风险增加到不能接受的程度，且在工程技术上又无切实可行的解决办法时，则应当认为该厂址是不合适的。

2 计算方法

核电厂周围涉及的有毒有害危险化学品通常都是液态的，较少涉及到贮存形态直接为气态的危险品（常温常压下为气态的物质一般也通过加压、低温等措施使其变为液态），因此本文主要研究液态有毒有害化学物品的计算方法。

2.1 泄漏量的计算方法

事故泄漏的模式是多种多样的，既有瞬时泄漏，又有连续泄漏。泄漏源的几何形状可能是泄压阀失控形成的圆形孔，也可能是罐体脆裂形成的不规则裂纹，还可能是物体击穿容器形成的其他形状。

发生泄漏时，如果设备的裂口是规则的，且裂口尺寸及泄漏物质的有关热力学、物理化学性质及参数已知，可根据流体力学中的有关方程计算。当裂口不规则时，可采取等效尺寸代替；当遇到泄漏过程中压力变化等情况时，往往采用经验公式进行计算。

这类因泄漏事故而导致的危害很大程度上取决于有毒有害物料的泄漏速度和泄漏量。泄漏速度快，单位时间内的泄漏量就大；反之则小。物料的物理状态在其泄漏至空气中后是否发生改变，对其危害范围也有非常明显的影响。常压下为液态的物料泄漏后四处流淌，同时蒸发为气体扩散；常温下加压压缩、液化储存的物料一旦泄漏至空气中会迅速膨胀、气化为常压下的大量气体，迅速扩散至大范围空间。泄漏物质的扩散不仅由其物态、性质所决定，还受当时气象条件、当地的地表情况的影响。

1）液体泄漏模型［4］

液体泄漏速度可用伯努利方程计算，限制条件为液体在喷口内不应有急骤蒸发，其泄漏速度由式（1）表示：

式中：QL为液体泄漏速度，kg／s；CL为液体泄漏系数，按表1选取；A为裂口面积，m2；ρ为泄漏液体密度，kg／m3；p为容器内介质压力，Pa；p0为环境压力，Pa；g为重力加速度，9.8 m／s2；h为裂口之上的液位高度，m。

表1 液体泄漏系数Table 1 Leakage coefficient of liquid

对于常压下的液体泄漏速度，取决于裂口之上液位的高低；对于非常压下的液体泄漏速度，主要取决于介质压力与环境压力之差及液位高低。

当容器内液体为过热液体，即液体的沸点低于周围环境温度时，液体流过裂口时由于压力减小而突然蒸发。蒸发所需热量取决于液体本身，而容器内剩余液体的温度将降至常压沸点。在这种情况下，泄漏时直接蒸发的液体所占百分比F可按式（2）计算：

式中：cp为液体的比定压热容，J／（kg·K）；TL为泄漏前液体的温度，K；Tb为液体在常压下的沸点，K；H为液体的气化热，J／kg。

按式（2）计算，F介于0～1之间。事实上泄漏时直接蒸发的液体将以细小烟雾的形式形成云团，与空气混合而吸收热蒸发。如果空气传给液体烟雾的热量不足以使其蒸发，有些液体烟雾将凝结成液滴降落到地面，形成液池。根据经验，当F＞0.2时，一般不会形成液池；当F＜0.2时，F与带走液体的质量分数呈线性关系，F＝0时无液体被带走（蒸发），F＝0.1时有50%的液体被带走。

2）两相流动泄漏模型［5］

在过热液体发生泄漏时，有时会出现气、液两相流动，兼有气体泄漏和液体泄漏的双重特点。均匀两相流动的泄漏速度可按式（3）计算：

式中：QLG为两相流泄漏速度，kg／s；CLG为两相流泄漏系数，取0.8；pC为临界压力，Pa，pC＝0.55 Pa；ρm为两相混合物的平均密度，kg／m3，由式（4）计算：

式中：ρ1为液体蒸发的蒸气密度，kg／m3；ρ2为液体密度，kg／m3；FV为蒸发的液体占液体总量的比例，由式（5）计算：

式中：TLG为两相混合物的温度，K；TC为液体在临界压力下的沸点，K。如果FV＞1，表明液体将全部蒸发成气体，这时应按气体泄漏［5］计算；如果FV很小，则可近似按式（1）计算。

2.2 蒸发量的计算方法

液体泄漏后立即扩散到地面，一直流到低洼处或人工边界，如防火堤、岸墙等，形成液池。液体泄漏出来后不断蒸发，当液体蒸发速度等于泄漏速度时，液池中的液体质量将维持不变。如果泄漏的液体是低挥发度的，则从液池中蒸发的量较少，不易形成气团；如果泄漏的是挥发性液体或低温液体，泄漏后液体蒸发量大，大量蒸发后会形成蒸汽云并向外扩散。

泄漏液体的蒸发分为闪蒸蒸发、热量蒸发和质量蒸发3种，其蒸发总量为这3种蒸发量之和。

1）闪蒸蒸发［5］

过热液体闪蒸量Q1（kg／s）可按式（6）估算：

式中：WT为液体泄漏总量，kg；t1为闪蒸蒸发时间，s。

2）热量蒸发［5］

当液体闪蒸不完全时，有一部分液体在地面形成液池，并吸收地面热量而气化，称为热量蒸发。热量蒸发的蒸发速度Q2（kg／s）按式（7）计算：

式中：T0为环境温度，K；Tb为沸点温度；K；S为液池面积，m2；λ为表面导热系数，W／（m· K）；α为表面热扩散系数，m2／s；t为蒸发时间，s。某些地面的热传递性质列于表2。

表2 某些地面的热传递性质Table 2 Heat transference characters of different kinds of grounds

3）质量蒸发［5］

热量蒸发结束后转由液池表面气流运动使液体蒸发，此阶段称为质量蒸发。质量蒸发速度Q3（kg／s）按式（8）计算：

式中：a、n为大气稳定度系数；p为液体表面蒸气压，Pa；R为气体常数；J／（mol·K）；u为风速，m／s；r为液池半径，m。不同稳定度等级下液池蒸发模式参数列于表3。表3中A、B、D、E和F为大气稳定度的等级，反映不同的大气扩散能力，分别代表强不稳定、不稳定、中性、较稳定和稳定。大气稳定度越不稳定，扩散能力越强；越稳定，扩散能力越弱。在对有毒化学品对核电厂影响的初步评价时，出于保守考虑，通常取F类不利气象条件，因此a和n分别取5.285× 10－3和0.3。

表3 液池蒸发模式参数Table 3 Parameter of liquid pool evaporation mode

液池扩展面积和半径的计算较复杂，受液体泄漏方式、泄漏物质的性质、液池下表面状况、液池中液体的蒸发速率、液池上方环境风速和风向、液池扩展过程中有无挡液堤等因素的影响。若有挡液堤，液池扩展遇到挡液堤后不再向外扩展，液池扩展面积即为挡液堤所围成的面积，保守考虑可取所围面积的最大等效半径为液池半径。若无挡液堤，可假设液体瞬间扩散到最小厚度，推算液池等效半径。

若泄漏源周围地面平坦，泄漏液体也不会无限蔓延下去，而是趋于某一最大值，即根据不同的地表情况选用不同的液池最小厚度来确定液池的最大面积。液池扩展面积与厚度、密度的一种经验推导关系如式（9）［6］：

式中：V为泄漏液体体积，m3；Hmin为液层最小厚度，m；m为泄漏液体质量，kg。

对于光滑平整的地面，液层最小厚度取决于液体性质；对于粗造地面，液层厚度主要取决于地面性质，不同地面下液层的最小厚度列于表4。

表4 不同地面下液层的最小厚度Table 4 Minimum thicknesses for liquid layer of different kinds of grounds

液体蒸发总量Wp按式（10）计算：

2.3 扩散浓度的计算方法及评价标准

事故泄漏后的扩散除受液池特征如液体表面积、蒸发率、液池材料的渗透性和导热性等的影响外，还受地表情况、地形、气象等条件的影响。

为评价有毒化学品蒸汽云进入核电厂厂区的浓度，可选用连续点源扩散公式进行初步估算［7］：

由于事故泄漏情况多种多样，泄漏过程复杂，泄漏的不同阶段，泄漏物质的排放情况也不同。如果上述点源模式对核电厂处的计算结果超过了毒性极限浓度，或实际泄漏和蒸发情况明显不能采用式（11）的情况，针对不同的泄漏事故，则应选择其他不同的泄漏扩散模型进行计算，如面源模型、体源模型、烟团模型等。

通过上述计算模型，可计算出到达核电厂处的浓度值，然后与表5中的毒性限值进行比较，判断是否会对核电厂主控室工作人员构成潜在危险。表5中的毒性限值是基于对生命及健康即时危险暴露水平的概念，由美国国家职业安全与卫生研究所（NIOSH）提出［8］。该限值为基于30 min的暴露水平，即如果在30 min内不采取防护措施，则有可能导致死亡，或对健康产生永久性的负面作用。对于每种化学品，不采取干预措施的情况下，普通成年人可容许暴露在该限值下2 min，而不会出现严重的身体反应（如导致严重的咳嗽、眼部灼伤或严重的皮肤疼痛等）。因此，即使暴露在此限值下，仍可给主控室操作员提供足够的时间采取防护措施（如带上呼吸器、穿上防护服等）。

表5 某些有毒化学品类的毒性浓度限值Table 5 Concentration limit of some toxic chemical substances

3 结论

根据以上分析可知，对核电厂周围的液态有毒化学品类潜在的外部人为事件危险源，首先可采用筛选距离值的方法进行初步筛查。然后再选择适当的扩散模型计算出到达核电厂处的浓度，与相关的毒性浓度限值进行比较，以判断是否会构成潜在威胁。

［1］国家核安全局.HAF101 核电厂厂址选择安全规定［S］.北京：中国法制出版社，1991.

［2］国家核安全局.HAD101／04 核电厂厂址选择的外部人为事件［S］.北京：中国法制出版社，2010.

［3］IAEA.NS－G－3.1 External human induced events in site evaluation for nuclear power plants［S］.Vienna：IAEA，2002.

［4］刘铁民，张兴凯，刘功智.安全评价方法应用指南［M］.北京：化学工业出版社，2012.

［5］国家环境保护总局.HJ／T 169—2004 建设项目环境风险评价技术导则［S］.北京：中国环境科学出版社，2004.

［6］王超.液体泄漏形成液池扩展面积的计算方法综述［J］.安全与环境工程，2012，19（6）：125－128.WANG Chao.Review of area expansion calculation method for liquid leakage to liquid pool［J］.Safety and Environmental Engineering，2012，19（6）：125－128（in Chinese）.

［7］国家核安全局.HAD101／02 核电厂厂址选择的大气弥散问题［S］.北京：中国法制出版社，1987.

［8］NRC.Evaluating the habitability of a nuclear power plant control room during a postulated hazardous chemical release，RG1.78 Revision1［R］.Washington D.C.：NRC，2001.

Evaluation Method Research on External Human Induced Event Source of Liquid Toxic Chemical Substance around Nuclear Power Plant

ZHOU Yao－quan，DU Hong－yan，ZHENG Wei
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China）

If there are potential dangerous sources of toxic chemical substances near the nuclear power plant，it will endanger the safety of the nuclear power plant.So the impact must be evaluated in the external human induced event assessment of the nuclear power plant.The preliminary screening can be carried out by the screening distance value for liquid toxic chemical substances around the nuclear power plants.In some cases，the dangerous sources should not be screened out，whereas the evaluation methods of the toxic chemical substances are not given in the correlative nuclear codes and guides.A kind of analysis and evaluation method was obtained by the research on the relevant domestic and foreign standards and literature，the leakage and evaporation quality in accident conditions can be calculated by a proper model firstly，and then the concentration of the location of the nuclear power plant can be calculated by a proper modelfor dispersion，lastly estimate the danger to the safety of the nuclear power plant by comparison with the concentration limits.The analysis and evaluation method will be expected to be beneficial reference in the impact assessment of the external human induced events of the potential dangerous sources of toxic chemical substances around the nuclear power plant.

nuclear power plant；external human induced event；toxic chemical substance；calculation method

X131

：A

：1000－6931（2015）12－2145－05

10.7538／yzk.2015.49.12.2145

2014－06－25；

：2014－12－12

周耀权（1981—），男，湖北黄冈人，工程师，从事辐射防护与环境保护研究