压水堆核电厂流出物监测的关键核素研究

黄彦君，沙向东，祝兆文，上官志洪，蒋 婧，张 兵，曾 帆，曹钟港，左伟伟

（1.苏州热工研究院有限公司，苏州 215004；2.生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082；3.生态环境部辐射环境监测技术中心，杭州 310012）

流出物监测是核电厂环境管理的主要内容之一，是监督核电厂运行环境影响的主要手段。流出物监测数据是评估核电厂排放放射性物质对环境和公众造成辐射影响的主要数据，也是判断核电厂排放是否满足国家规定标准限值的主要依据［1］。《核动力厂环境辐射防护规定》（GB 6249—2011）提出了对我国核电厂流出物监测及排放的控制要求［2］；《核设施流出物监测的一般规定》（GB 11217—1989）提出了包括对核电厂在内的相关单位流出物监测的一般要求［3］。然而，现有核电厂流出物监测相关标准对需要关注的核素要求尚不明确，需要进一步研究确定。

核电厂流出物监测标准规范的逐步完善，需要考虑现有法规标准以及多年来各核电厂的实践经验。其中的核心问题是关注的核素以及对低于探测限数据的处理［4-6］。多年来，我国各核电厂根据环境影响评价及运行参考经验确定需要监测的核素清单，并按法规标准要求，对低于探测限的数据取其一半参与统计。在实际开展监测和统计时，可能存在能监测到的核素未统计、远低于探测限的核素却进行统计的现象，严重影响了流出物监测数据统计的准确性，也无法准确地评估核电厂排放的辐射影响［4,5］。本文参考国外有关流出物监测的经验，对公开的流出物监测数据进行分析，统计出流出物监测中的关键核素及分布特征，这将有助于规范我国核电厂流出物监测管理，为确定流出物监测关注核素清单提供参考借鉴。

以美国和法国为首的国外核能先进国家，多年来在核电厂流出物监测方面积累了丰富的经验，其流出物监测数据已在一定程度上实现了信息公开［7］。目前，在美国核管会（NRC）网站中可以查阅2005年至今的各核电厂的流出物的监测报告［8］。报告详细给出了各核电厂流出物的监测方法、监测数据以及根据场外剂量评估手册（ODCM）评估的公众剂量水平［9］。欧洲国家根据欧洲原子能共同体（Euratom）建议书2004/2/Euratom的要求［10］，建立了统一的数据库（RADD），收集各核电厂的流出物监测数据［11］。

本文收集了美国所有41座压水堆核电厂2005—2017年以及欧洲各国48座压水核电厂1995—2017年共约2 400堆年的流出排放监测数据，进行统计、归纳和分析，研究流出物监测的内容及需要重点关注的核素并提出技术见解。该研究可为我国流出物监测标准规范的建立提供参考。

1 美欧核电厂流出物监测

1.1 美国

美国核电厂流出物监测遵循NRC发布的技术导则RG 1.21［12］，对于压水堆核电厂，流出物监测还应满足导则NUREG 1301的要求［13］。

对于气态流出物排放，美国压水堆核电厂一般按裂变产物和活化产物（主要是惰性气体）、放射性碘、颗粒物、3H进行监测和统计。自2010年起，NRC要求各核电厂增加14C的统计［8］。NUREG 1301提出了惰性气体监测需要关注 的 核素包括87Kr、88Kr、133Xe、133mXe、135Xe、138Xe；碘和颗粒物中需要关注的核素包括54Mn、59Fe、58Co、60Co、65Zn、99Mo、131I、134Cs、137Cs、144Ce，同时还特别提出应开展对89Sr和90Sr的监测。针对液态流出物排放，美国压水堆核电厂一般按裂变产物和活化产物（不含惰性体）、3H、溶解和夹带的惰性气体、总α以及排放的体积进行报告［8,12,13］。NUREG 1301推荐的液态流出物排放的裂变产物和活化产物包括54Mn、59Fe、58Co、60Co、65Zn、99Mo、134Cs、137Cs、141Ce、144Ce等γ核素以及特别指出需要监测的89Sr、90Sr和55Fe。美国压水堆核电厂统计的液态流出物排放量均需要考虑各释放点的连续排放和批量排放。所有流出物监测数据统计均应按季度给出，即每季度汇总各监测项目及对应的放射性核素的排放量。

NUREG 1301提出，对气态流出物和液态流出物排放的γ核素，列出的核素清单并不意味着仅需要监测统计这些核素，其他可通过γ谱分析得到的核素（即在能谱上可以识别）也应进行统计。例如，NUREG 1301虽然没有明确对气态流出物中85Kr进行监测，但是实际情况是，在美国41座压水堆核电厂中，仅两座核电厂在2005—2017年未统计该核素。

美国核电厂流出物排放统计不考虑低于探测限的数据，对于实际监测到的核素，在各流出物监测报告中均按照实际监测数据给出排放量。对于低于探测限的数据，一般以“ND”“

1.2 法国

法国核电厂流出物监测遵循法国核安全局（ASN）的相关规定。ASN对每座核电厂发布流出物排放统计和控制要求的决议，决议要求监测和统计的项目一般包括气态流出物中的3H、14C、惰性气体、放射性碘、其他裂变产物和活化的β、γ核素，以及液态流出物中的3H、14C、碘，其他裂变产物或活化的β、γ核素。根据ASN发布的2013-DC-0360决议第3.2.8条，核电厂营运单位需要建立每一类流出物监测的参考谱并进行系统统计，该谱中应包括必须测量的放射性核素（不需要考虑这些放射性核素的量是否大于判断阈［14］）。参考谱的确定考虑了各个核素的放射毒性、排放检出率以及测量方法的限制。核电厂营运单位对参考谱中的放射性核素进行排放统计时，如果放射性核素体积活度小于或等于判断阈，则按判断阈进行保守计算；如果大于判断阈，则按实际活度浓度进行计算。法国核电厂流出物年排放量是基于每月的排放数据进行加和统计的。

法国核电厂液态排放参考谱的核素包括3H、14C、131I、其他裂变产物和活化产物（54Mn、58Co、60Co、63Ni、110mAg、123mTe、124Sb、125Sb、134Cs、137Cs）；气态排放参考谱的核素包括3H、14C、放射性碘（131I、133I）、其他裂变产物和活化产物（58Co、60Co、134Cs、137Cs）、惰性气体（包括烟囱排放的133Xe、135Xe，衰变罐排放的85Kr、131mXe、133Xe以及反应堆厂房扫气排放的41Ar、133Xe、135Xe）［15］。除参考谱中的核素外，常监测到的其他核素也需要统计，包括液态流出物中的51Cr、59Fe等以及气态流出物中的54Mn、59Fe、95Nb等，这些核素在判断阈以上时才进行排放统计。法国核电厂参考谱中的核素范围，需要根据前期监测的经验反馈不断调整。

1.3 欧洲原子能共同体

欧洲所有核电厂流出物监测需要满足《欧洲原子能共同体条约》（Euratom Treaty）第37章的相关要求［16］。气态流出物监测项目一般包括3H、14C、碘、总β+γ核素、惰性气体。其中，总β+γ核素相当于气溶胶放射性，部分核电厂还开展了总α及α核素的监测和统计。各核电厂还需要单独监测统计131I。对液态流出物，其监测项目一般包括3H、14C和总β+γ核素，少部分核电厂还对总α及具体的α核素进行了监测和统计。欧洲原子能共同体建议《欧盟委员会关于常规操作动力反应器和核燃料再处理厂时的放射性气态和液态排放标准信息的意见》（2004/2/Euratom—2003）给出了流出物监测和统计标准化的建议［10］，各成员国根据各自情况确定是否接受相应的建议。

2 监测数据统计

2.1 国外核电厂排放量数据统计原则

对美国核电厂流出物监测数据进行统计的原则如下：如有汇总数据（如各核素的年度排放量），直接取汇总数据；如无汇总数据，采用各季度、各机组、各释放点的排放数据加和处理；对流出物年报中不可识别的数据、明显异常的数据予以剔除；对美国核电厂流出物监测年报中低于探测限的数据不统计；对于欧洲各国核电厂流出物排放，直接取RADD数据库中的年排放量。

2.2 发电量归一化

由于各核电厂机组功率水平、各年度的能力因子不同，本文对各核电厂流出物年排放量按发电量进行了归一化，其中发电量的数据取自IAEA核电数据库［17］。对统计期间关停后仍有流出物排放的，本文不考虑统计其排放量。

2.3 统计对比方法

数据分析表明，核电厂各监测项目或核素的归一化排放水平处于非常大的涨落范围内，归一化排放水平对数化后的数据满足正态分布。本文采用几何平均值的方法进行比较分析。

3 结果与讨论

3.1 排放量

3.1.1 气态流出物

（1）3H、14C。表1给出了美欧压水堆核电厂流出物排放水平。从表1我们可以看出，3H和14C的归一化排放量几何平均值约为0.081 4 GBq·GWh-1和 0.026 1 GBq·GWh-1。美国压水堆核电厂从2010年开始全部统计气态排放的14C，其年排放量主要根据美国电力研究院（EPRI）给出的方法和程序得到［18］，一般不进行实测。从表1我们还可看出，美国压水堆核电厂气态流出物排放的14C归一化排放量几何平均值约为0.036 6 GBq·GWh-1，法国的压水堆电厂气态流出物中14C主要通过监测得到，相应的统计值为0.023 5 GBq·GWh-1，美国和法国整体上处于相近的水平。

表1 美欧压水堆核电厂流出物排放量水平①Table 1 Emission levels from pressurized water reactor nuclear power plants in the United States and Europe单位：GBq·GWh-1

（2）裂变产物和活化产物（惰性气体）。气态流出物中的裂变产物和活化产物主要指放射性惰性气体，其中包括Ar、Kr和Xe的主要放射性同位素。惰性气体中各核素的占比情况如图1所示。图1表明，美欧压水堆核电厂各核素的排放量水平最大的为133Xe，其次为41Ar和85Kr（采用归一化后的排放量）。

（3）颗粒物。统计显示，美欧国家核电厂排放量最大的5个核素分别为51Cr、58Co、60Co、134Cs、137Cs（如图1所示）。美国和法国核电厂的统计样本数较多，具有一定的代表性。

图1 气态流出物排放放射性核素占比Fig.1 The proportion of radionuclides emitted by gaseous effluents

（4）放射性碘。气态流出物中关注的放射性碘主要涉及几个碘的放射性同位素，包括131I、132I、133I、134I以及135I等。美国和欧洲核电厂也将放射性碘类别称为卤素，其中还统计了F、Cl、Br的有关放射性同位素（如82Br、18F等）。

3.1.2 液态流出物

美欧各国压水堆核电厂液态流出物中3H和14C的归一化排放量几何平均值分别约为2.19 GBq·GWh-1、0.001 42 GBq·GWh-1。美国仅有两座核电厂统计了液态流出物排放的14C，统计代表性较差。

3.1.3 裂变产物和活化产物

美国核电厂液态流出物中的裂变产物和活化产物未计入溶解和夹带的惰性气体。欧洲国家核电厂的统计则作为总β+γ进行计算，包括放射性碘。从美欧主要国家压水堆核电厂液态流出物排放的核素比例（如图2所示），可以看出，由于监测关注的核素不同，各国家压水堆核电厂液态流出物排放核素占比有一定差别。本文对多年来监测结果的进行统计分析，得出结论：需要关注的核素仍集中在58Co、60Co、55Fe、63Ni等，一般情况下这些核素占比超过70%。

图2 液态流出物排放除3H、14C外核素占比Fig.2 The proportion of nuclides in liquid effluents except 3H and14C

实际情况下，每年统计排放的各核素占比也有着一定的差别。图3给出了法国和美国历年来统计的液态流出物中放射性核素的占比。对于法国核电厂，由于从2002年开始监测和统计63Ni的排放，所以，之后每年的监测结果基本上是63Ni占比第一，其他主要核素主要包括58Co、60Co、110mAg、125Sb等。131I在法国的液态流出物排放量中一般占比极小，最大不超过5.5%（2011年）。对于美国核电厂，统计的主要核素为58Co、55Fe、63Ni、60Co、125Sb、51Cr等。这几个核素的占比之和一般达到了80%。

3.1.4 溶解与夹带的惰性气体

图3 液态流出物排放除3H、14C外核素占比历年变化Fig.3 The ratio of nuclides in liquid effluents changed over the years except for3H and14C

美欧国家一般都重视对液态流出物中惰性气体的监测。这是由于惰性气体可能溶解或夹带于液态流出物中。美欧国家气、液态流出物排放的惰性气体含量水平如下：通过气态排放的值为0.337 GBq·GWh-1，通过液态流出物排放的几何平均值为1.4×10-5GBq·GWh-1。可以看出，液态排放量仅占气态排放量的1/24 000。美欧国家压水堆核电厂通过液态流出物排放的裂变产物和活化产物的几何平均值为1.32×10-4GBq·GWh-1，可以看出，惰性气体排放量约为其他裂变产物和活化产物的11%。惰性气体排放量与裂变产物和活化产物中重要核素（如58Co、60Co等）基本上处于同一水平（甚至略高）。

惰性气体不易溶解于水，溶解和夹带的惰性气体经释放后将很快进入环境大气，其排放量与气态排放量相比极小，因此，不需要特别关注液态流出物排放的放射性惰性气体。

3.1.5 总α

对液态流出物，美国核电厂一般需要同时监测总α，并单独统计。欧洲除法国外的其他国家一般都监测了总α，并单独统计。总α监测是一种筛选分析方法，主要用于初步识别其他可能存在的α放射性。数据表明，液态流出物中总α归一化排放量几何平均值为2.94×10-8GBq·GWh-1，比液态流出物排放的裂变产物和活化产物低4个数量级。同时，还要注意到，美国核电厂的监测数据中，绝大部分总α监测结果都低于探测限，进入本文统计数据的极少。因此，从统计结果来看，对总α进行测量并纳入到统计排放量的必要性是不足的。

3.2 报告率或检出率

3.2.1 气态流出物中除3H、14C的外其他核素

图4给出了美欧压水堆核电厂气态流出物中颗粒物、放射性碘、惰性气体监测到的核素的报告率（美国核电厂流出物监测数据实际为检出率）分布情况。可以看出，颗粒物中报告的主要核素为60Co、58Co、137Cs；报告的放射性碘的主要核素为131I和133I；放射性惰性气体中报告的主要核素为133Xe、41Ar和135Xe。图4中同时给出了相应的归一化排放量。可以看出，报告率较高的几个核素的排放量水平也处于相对较高的水平。

图4 压水堆核电厂气态流出物核素比例分布Fig.4 The reporting ratio of main radionuclides from gaseous effluent

3.2.2 液态流出物中除3H、14C外的其他核素

图5给出了美欧国家压水堆核电厂液态流出物中除3H、14C的其他核素（未含溶解与夹带的惰性气体核素）报告率的结果。可以看出，美欧压水堆核电厂液态流出物中最常报告的核素包括60Co、58Co、137Cs、54Mn等，其中超过50%的共11个核素。本文注意到63Ni是近年来逐步关注的核素。法国压水堆核电厂从2002年开始监测63Ni。近年来，美国开展63Ni监测的核电厂也越来越多，截至2017年，美国41座压水堆核电厂中至少有38座核电厂开展了63Ni监测。因此，63Ni也是重点关注的核素之一。图5中同时给出了各核素归一化排放统计几何平均值，可以看出，60Co、58Co、55Fe、63Ni、125Sb 等处于排放量相对较高的水平。

图5 液态流出物核素比例分布Fig.5 The reporting ratio of main radionuclides from liquid effluent

3.3 关键核素的给出

本文对美欧压水堆核电厂的排放量水平以及报告率进行对比分析，将报告率为10%以上，以及占比在10%以上的核素作为关键核素，见表2。对比我国各压水堆核电厂流出物监测关注核素的情况，对气态流出物监测应考虑增加51Cr；对于碘，只需要考虑131I和133I；对于惰性气体，主要需要考虑的核素为133Xe。需要说明的是，我国主要核电厂以及法国核电厂则主要考虑对反应堆厂房扫气进行监测和统计，未对41Ar进行监测，但41Ar是美欧压水堆核电厂气态流出物中普遍监测的核素，并纳入年排放量统计中，虽然41Ar其半衰期相对较短（109.6 min），但鉴于美欧的经验，建议在烟囱排放时增加该核素的监测；对于85Kr，由于其物理化学性质的特殊性，常规的γ能谱分析方法的探测限一般在104Bq·m-3以上，如果考虑对其开展监测，则应改进烟囱排放流出物采样方法，降低探测限至可能的实际水平［19］，或者参考法国流出物监测活度谱的方法，确定仅针对衰变罐的85Kr开展监测［14,15］，至于在烟囱中连续排放（衰变罐未排放）的85Kr可能占比，需要进一步开展试验研究后确定。

对液态流出物中除3H、14C外的其他核素，本文建议增加55Fe、63Ni等核素。

表2同时给出了根据美欧国家压水堆核电厂各核素排放量统计的四分位差（第三、第四分位数与第一、第四分位数之差，代表了统计数据中间50%的结果范围）。针对国内核电厂，建议统计有关核素排放水平，如在美欧国家排放量统计的第一、第四分位数以上，可考虑加入关键核素清单。

表2 关键核素建议表Table 2 Suggestion list of the critical radionuclides

需要注意的是，实际情况下，各个核电厂堆型、运行年限以及运营单位的管理水平存在差别，相应的流出物排放关键核素也可能存在差异。分析表明，即使是一个国家，在每年的流出物检测结果中，各核素的排放比例也可能存在一定变化（如图3所示），因此，对核电厂流出物监测来说，也需要考虑其实际情况。本文建议我国运行核电厂定期开展研究，结合排放量占比和检出率确定统计的关键核素。关键核素经审查认可后，按照对低于探测限数据的统计方法统计其排放量。对于日常检出的非关键核素，可按实际监测到的水平加以统计，对于未监测到的（或低于探测限）则不进行统计。该方法类似于法国核电厂流出物排放数据的统计方法，即将关键核素作为必须监测的活度谱核素，非关键核素也应进行监测。

4 结论与建议

本文分析了美欧国家压水堆核电厂约2 400堆年的流出物监测数据，给出了各核素在各类流出物排放统计项目中的比例以及报告率水平，提出了流出物监测关键核素的建议。研究结果可为我国压水堆核电厂流出物监测关键核素的确定提供参考借鉴。

由于具体核电厂堆型、运行年限以及运营单位的管理水平等方面的差异，各个核电厂流出物排放量也可能存在差异。本文建议核电厂定期开展研究，确定关键核素。对研究确定的关键核素，核电厂可在目前的法规标准框架下，取探测限的1/2估算排放量；对非关键核核素，如在探测限以上，则直接统计，否则不进行统计。对于监管机构，本文建议对各核电厂流出物排放数据进行定期审查，结合相应的经验反馈定期研究确定关键核素清单。