陆上小型堆烟羽应急计划区划分初步研究

彭 滨, 王 彪, 蔡杰进, 彭振驯, 刘 望

(1. 中山大学中法核工程与技术学院，广州510275； 2.中科华核电技术研究院，深圳518035)

陆上小型堆烟羽应急计划区划分初步研究

彭 滨1, 王 彪1, 蔡杰进1, 彭振驯2, 刘 望2

(1. 中山大学中法核工程与技术学院，广州510275； 2.中科华核电技术研究院，深圳518035)

小型堆烟羽应急计划区(EPZ)大小作为其市场推广和应用的重要外部约束条件之一，意味着制定合适的划分准则和确立其大小范围具有十分重大的意义。结合现行大堆烟羽应急计划区(EPZ)的划分准则，本文分析了国内外小型堆烟羽应急计划区(EPZ)划分方法，提出陆上小型堆采用剂量/距离的划分方法。在研究中，基于MAAP程序对某小型堆进行建模计算，从中得出了较为合理的机理性应急源项；并通过大气扩散计算软件MACCS程序进行烟羽应急计划区(EPZ)计算；同时对厂址差异进行相关的灵敏性分析。

小型堆；严重事故；机理源项；烟羽应急计划区

应急计划是核安全纵深防御原则的最后环节，对核电厂周边公众安全具有重要意义。而制订应急计划的前提是应急计划区的划分。因此，核电厂应急计划区划分的研究吸引了众多研究人员的兴趣，目前已针对EPR、AP1000、HTR等堆型开展了较多研究工作[1-4]。

近年来，小型堆作为安全、经济、高效的分布式清洁能源，具有高安全性、一体化、模块化、多用途的特点，受到了极大的关注[5、6]。当今国际上相关组织和研究机构开展大量有关小型堆的应急计划区划分的工作，其中重点对美国核管会(NRC)、美国核能协会(NEI)和西屋电气公司(WEC)等的小型堆应急划分工作进行研究[7-9]。例如，NRC针对高温气冷堆提出了“七策略”方法[10]以及WEC在2009年的一份出版物中建议采用风险指引法等[9]。本文参考了国际上当前最新研究成果，提出基于剂量/距离的划分方法，对陆上小型堆烟羽应急计划区划分进行初步研究。

1 烟羽应急计划区的划分方法与安全准则

1.1 大型反应堆烟羽应急计划区一般划分方法

NUREG-0396[11]报告中指出：

1) 对于设计基准事故，使用确定论方法计算场外95%气象条件下事故前2h的个人预期剂量，并与相应的防护行动指南值(PAGs)作比较；

2) 对于严重事故，使用概率论方法计算发生堆芯熔化事故的情况下超过指定剂量的条件概率。

基于NUREG-0396的方法作为重要参考依据，同时，结合我国核电的实际情况，制定了我国的烟羽应急计划区划分的安全准则[12](GB/T17680.1—2008)，具体规定如下：

1) 在烟羽应急计划区之外，所考虑的后果最严重的严重事故序列使公众个人可能受到的最大预期剂量不应超过GB 18871[13]所规定的任何情况下预期均应进行干预的剂量水平。

2) 在烟羽应急计划区之外，对于各种设计基准事故和大多数严重事故序列，相应于特定紧急防护行动的可防止的剂量一般应不大于GB 18871所规定的响应的通用优化干预水平。

1.2 小型堆烟羽应急计划区的评价方法

NRC的《开发模块化小型堆应急计划和应急准备大纲》[7]中指出：“按照《州和地方政府为轻水堆制定应急计划的基础》[11]和《核事件防护行动指南》[14]，以及美国环境保护署(EPA) 的防护行动准则的剂量值确定大型水堆应急计划区的方法(剂量/距离法)，也适用于小型模块化压水堆和各种新型沸水反应堆。在最新NEI的“建立小型模块化反应堆应急计划区的技术基础所采用的方法与准则”[8]中，提出概率风险分析(PRA)的使用是必不可少的，它是满足SECY-11-0152[7]规定的重要途径——应用剂量/距离方法建立小型模块化反应堆(SMR)的EPZ。

总的来说，小型堆烟羽应急计划区划分依旧遵循PAGs中给出的剂量安全准则，其讨论的重点在于严重事故序列的选取和源项计算的方法上，对于设计基准事故和源项的考虑，基本与大堆的做法保持一致。严重事故序列的选取的基础是已有二级概率安全分析(PSA)的结果和确定了一个概率截断值(普遍推荐使用1.0×10-7/堆年)。设计基准事故源项是通过选取一个包络的设计基准事故作为其源项，从堆芯熔化比例以及放射性物质释放比例分析，严重事故源项能完整的包络设计基准源项。机理性源项方法是指，对某一特定事故造成的燃料包壳、燃料、堆芯的损伤情况而引起的裂变产物释放进行分析计算，使用最佳估算的模型分析评价裂变产物行为，同时考虑某些缓解措施的有效性。使用机理性源项方法来计算应急源项在美国核工业界已基本达成共识。

2 某型号小型堆烟羽应急计划区计算

国际上最新技术文件和报告对新方法的探讨都是以二级PSA分析的结果为基础，根据事故发生概率，选取合适截断概率来确定烟羽应急计划区计算所需要考虑的严重事故范围。由于该型号小型堆仍处于方案设计阶段，尚未开展二级PSA分析工作，难以完全参照上述小型堆最新的划分方法开展计算，但本文将参考这些新方法的基本思想，特别是严重事故序列选取和源项计算方法。

2.1 某小型堆型简介

该型号小型单模块反应堆的热功率为450MW，它结合大型核电站运行经验和福岛后经验反馈，从设计和固有安全特性上，极大地减小核电站发生事故的可能性，利用非能动的安全系统，保证在事故发生时依靠自然力缓解事故，不依赖厂外电或应急电源，具有高抗震特性、多重放射性屏蔽等安全特点。安全设计目标高于三代核电水平：堆芯损坏概率CDF小于10-7/堆年；早期放射性释放概率LERF小于10-8/堆年。

2.2 严重事故序列选取和源项计算

2.2.1 严重事故序列选取

由于该型号小型堆采用非能动的安全设计理念，其主要的安全系统设置与AP1000类似，如都设置了自动卸压系统(ADS)、采用反应堆压力容器内熔融物滞留(IVR)、安全壳非能动冷却等，具体对比详情见表1。由于此小型堆与AP1000在一些主要的严重事故预防和缓解系统上是类似的，其主要的严重事故现象也基本类似，因此，在该小型堆尚未开展详细二级PSA分析前，目前采用AP1000二级PSA中关于释放类的划分的见解。可以预想，该小型堆的每一释放类的概率值应该低于AP1000的概率值。表2出自AP1000二级PSA报告采用10-8作为概率截断值，只有安全壳完整释放类(IC)需要考虑。另外，此小型堆二次侧采用全压设计，可以有效预防二次侧旁通类事故。综上所述，本文选择了安全壳完整类的严重事故类作为烟羽应急计划区的基准事故。

表1 某小型堆与AP1000安全系统对比

表2 AP1000二级PSA释放类

2.2.2 源项计算

小型堆严重事故源项计算将使用机理性源项，并结合PSA的结果，识别某些缓解设备的可用性。根据该型号小型堆的设计，对于安全壳完整类的事故类，做出以下计算假设：

a) 仅考虑RPV(反应堆压力容器)内的水量，RPV内初始水位为堆芯顶部，不考虑CMT(堆芯补水箱)等水箱的水量补充(保守假设)；

b) 不向RPV内部注水(实际情况是安全壳内水位将淹没堆芯，保守假设：裂变产物释放没有水洗)；

c) 100%堆芯熔化(保守假设)；

d) 安全壳泄漏率为0.1%/d；

e) PCCS(非能动堆芯冷却系统)有效，IVR成功(现实假设)；

使用MAAP5建立计算模型进行计算，源项结果如表3所示。

表3 机理源项释放表(GBq)

2.3 烟羽应急计划区边界确定

MACCS程序是用于严重事故风险的评价，采用修正的直线高斯烟羽轨迹模型进行放射性物质扩散模拟。其主要输入参数的取值列于表4，计算过程中不考虑防护行动。

表4 主要参数和假设

2.4 结果与分析

图1—图4所给出的模拟数据曲线可知，从整体来看，四条曲线在离堆芯原点比较近时，得到的剂量结果比较大，当距离增加到一定的特定值，出现迅速衰减，之后随着距离的增加，剂量值未发生较明显的变化。从曲线的变化趋势可知，实验结果符合基于高斯分布模型的MACCS程序模拟方法。其中图1和图3两曲线的有效剂量值分别在250m和200m低于隐蔽通用干预水平阈值10mSv。图2和图4两曲线的有效剂量值分别在150m和100m低于撤离通用干预水平阈值50mSv。表5给出了阳江、陆丰厂址下烟羽EPZ的计算结果，可知，阳江和陆丰为厂址的小型堆烟羽应急计划区的内、外区分别为150m、250m和100m、200m。从烟羽EPZ的结果表明，厂址条件的差异将会造成一定范围的变化，但就其本质而言，严重事故机理性源项在结果中起决

图1 阳江厂址两天全身有效和甲状腺剂量Fig.1 The two days whole body effective dose and thyroid dose calculated in Yangjiang site

图2 阳江厂址七天全身有效和甲状腺剂量Fig.2 The seven days whole body effective dose and thyroid dose calculated in Yangjiang site

图3 陆丰厂址两天全身有效和甲状腺剂量Fig.3 The two days whole body effective dose and thyroid dose calculated in Lufeng site

定性作用。同时也说明，采用机理性源项计算得到的结果符合小型堆设计的预期目标，能充分反映出小型堆低功率、高安全性的特点。

图4 陆丰厂址七天全身有效和甲状腺剂量Fig.4 The seven days whole body effective dose and thyroid dose calculated in Lufeng site

源项气象条件烟羽应急计划区/m内区(7天、50mSv)外区(2天、10mSv)机理性源项阳江150250陆丰100200

根据NRC的SECY-11-0152报告[7]中提出的烟羽应急计划区划分的若干建议类别(见表6)，对照表6可知，该型号小堆在阳江厂址或者陆丰厂址均属于第一类划分准则，即厂址边界应急。当然具体烟羽应急计划区大小的划分还得充分考虑核电站周边的人口、交通、地形等因素。

表6 小型堆烟羽应急计划区

3 结论

在现行大堆烟羽应急计划区的划分准则的基础上，结合小型堆烟羽应急计划区划分方法的研究成果，提出陆上小型堆采用剂量/距离的划分方法，并重点进行了应急源项计算。针对阳江和陆丰两个参考厂址，对某型号小型堆烟羽应急计划区进行计算分析，得出以下几点结论：

1) 该型号小型堆在阳江厂址或者陆丰厂址均属于第一类划分准则，即厂址边界应急。

2) 不同厂址(阳江、陆丰)的条件下，对小堆烟羽应急计划区的大小产生较大的影响，因此，在确定烟羽应急计划区时一定要充分考虑实际厂址的特性。

3) 机理性源项能充分体现出小型堆低功率、高安全性的特点，并说明机理性源项计算方法作为源项计算方法的适用性。

4) 在未给出二级PSA源项的情况下，采用剂量/距离的方法是合适、可行的。

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Preliminary Study on Plume Emergency Planning Zone Division for the Small Reactor on Land

PENG Bin1，WANG Biao1，CAI Jie-jin1，PENG Zhen-xun2，LIU Wang2

(1. Franco-Chinese institute for nuclear energy, Sun Yat-Sen Univesity, Guangzhou of Guangdong Prov. 510275, China； 2. China nuclear power technology research institute co.ltd, Shenzhen of Guangdong Prov. 518035, China)

For the marketing promotion and application of small reactors, the plume emergency planning zone (EPZ) size is regarded as an important outside constraint, which means that it is of great significance to develop an appropriate dividing guideline and establish its size range. In this paper, combined with the current plume emergency planning zone dividing guidelines of large reactor, the domestic and international plume emergency planning zone dividing methods of small reactor are analyzed and a dividing method based on dose/distance for a small reactor is proposed. During the study, the small reactor is simulated in the MAAP, so as to acquire the reasonable emergency source term firstly. Then, the EPZ is calculated through the atmospheric diffusion calculation program MACCS. Also, some sensitivity analyses are done for the different plant sites.

Small reactor; Severe accident; Mechanism source; Plume emergency planning zone

2016-07-21

彭 滨(1988—)，男，湖南湘乡人，硕士，主要从事核事故厂外后果评价等方面的工作

TL364+.5

A

0258-0918(2016)06-0811-06