核电厂烟羽应急计划区划分探讨

曹启玥

(三门核电有限公司,浙江 台州 317112)

核电厂发生严重核事故的可能性虽然很小，但一旦发生则可能引起放射性物质的释放，对公众健康和周边环境造成影响，因此，必须做好周密的应急准备工作以保护公众的安全。“应急计划区”是开展应急准备工作的基础之一，也是应急预案评审的重要内容。

应急计划区指为了事故情况下能及时有效地采取保护公众的防护行动，事先在核电厂周围建立的、制定了应急预案并做好应急准备的区域[1]。针对烟羽照射途径建立的应急计划区称为烟羽应急计划区，分为内区和外区，重点执行隐蔽、撤离、碘防护等紧急防护行动。

本文基于国家推荐的划分原则，结合实际情况，分析某AP1000核电厂烟羽应急计划区计算方法、源项选取、计算结果，并从电厂安全、事故后果、人口因素等方面讨论实际划分中遇到的问题，对后续机组应急计划区的划分提出一些建议。

1 划分原则

《核电厂应急计划与准备准则第1部分：应急计划区的划分》(GB/T 17680.1—2008)[1]推荐了我国核电厂烟羽应急计划区范围确定的安全准则和一般方法：

1)在烟羽应急计划区以外，对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超过GB18871[2]所规定的急性照射的剂量行动水平，如表1所示。

表1 急性照射的剂量行动水平Table 1 Dose action level for acute exposure

2)对于各种设计基准事故和大多数严重事故序列，采取特定紧急防护行动的可防止剂量一般应不大于GB 18871所规定的相应的通用优化干预水平，如表2所示。

表2 紧急防护行动的通用优化干预水平Table 2 Generic optimal intervention levels for emergency protection operations

3)应急计划区实际边界确定时，还应考虑核电厂周围具体环境特征社会经济状况和公众心理因素，如地形、行政区划边界、人口分布、交通、便于进行应急准备和应急响应。

在满足上述准则的前提下，压水堆核电厂内区在3～5 km范围内确定，外区在7～10 km范围内确定。

2 理论计算

首先对核应急预案所考虑的事故(设计基准事故和严重事故)进行分析，选定释放源项，然后跟据厂址气象条件估算其向场外释放造成的个人剂量，最后与划分原则中的干预水平相比较，找出不超过安全准则的边界线。

具体计算方法分两种：确定论和概率论。确定论指用确定的源项和确定的气象条件计算事故在不同距离处造成的后果，常用于设计基准事故源项；概率论指用事故谱和各种可能的气象条件计算事故后果在不同距离处超越干预水平的概率，常用于严重事故源项。两种方法均能定量地确定应急计划区大小，确定论方法比较直观、容易理解，概率论切合实际，且能够体现应急计划区边界并不是绝对不安全与绝对安全的界限，二者结合使用，互为参考。如图1所示。

图1 烟羽应急计划区计算流程图Fig.1 Flow chart of Plume emergency planning zone calculation

2.1 事故源项

事故源项指核电厂发生事故时，释入环境的放射性物质的形态、数量、组份及随时间变化的其它释放特征。国际原子能机构明确提出，制定应急预案时既要考虑设计基准事故，还应考虑严重事故，以使应急计划区内的应急准备足以应对严重程度不同的事故。依据划分原则，确定论事故源项有“设计基准事故”，概率论事故源项有“大多数严重事故”和“所考虑的后果最严重的严重事故”。AP1000机组应急计划区测算时“设计基准事故”源项采用大破口LOCA，“大多数严重事故”采用AP1000严重事故谱，“所考虑的后果最严重的严重事故”采用严重事故谱中的安全壳旁通类释放源项。

2.2 大气弥散模型

气载核素在大气中的浓度分布不仅取决于核素的排放量，还决定于大气对核素的扩散能力。污染物自源头释放出来后随风输运，同时与空气混合，在水平和垂直方向上扩散，最终形成具有一定形态的分布，大气弥散模型便是定量描述此过程的工具。大气弥散模型一般采用高斯烟羽模式，该模式是计算气载污染物下风向浓度最广泛的方法，表达式如下：

(1)

式中,CA(x,y,z)——下风向位置(x,y,z)处放射性核素的空气活度浓度;

Qi——排放量;

u——风速;

H——排放高度;

σy、σz——扩散参数，是大气稳定度的函数。

由(1)可知大气弥散因子与释放高度、风速、大气稳定度密切相关。为了得到符合实际的污染物扩散能力，选取两年的厂址气象数据逐时计算大气弥散因子。

对于确定论方法，确定的气象条件通常选择95%气象条件对应的大气弥散因子，即只有5%的事故后果大于等于该大气弥散因子计算的事故后果。对于概率论方法，应计算各种可能气象条件下事故后果，所有大气弥散因子均需选取。

2.3 剂量计算

烟羽应急计划区主要应对放射性烟羽产生的直接外照射、吸入内照射和地面沉积外照射，因此事故的剂量估算主要考虑烟羽浸没外照射、地面沉积外照射、吸入内照射和吸入再悬浮核素内照射四个途径，利用事故期间放射性释放量、大气弥散因子、地面沉积因子和剂量转换因子等计算释放产生的预期剂量。

2.4 计算结果

内区紧邻核电厂，是事故后放射性污染最严重的区域，最稳妥的防护行动为撤离，通常应用的安全准则为：设计基准事故和大多数严重事故导致内区外7 d撤离行动的可防止剂量不超过50 mSv。设计基准事故采用确定论的方法，计算大破口LOCA事故源项在95%气象条件下释放造成场外不同距离处的预期剂量，结果表明国家推荐值范围内(3～5 km)预期剂量均在50 mSv以下。

外区同样面临烟羽危害，但并不是首当其冲的区域，防护行动多选择对居民生活影响较小的隐蔽和碘防护，通常应用的安全准则为：设计基准事故和大多数严重事故后果超过隐蔽和碘防护相应干预水平的概率应为很低的水平；所考虑的后果最严重事故超过急性照射的剂量行动水平的概率应为较低的水平。根据计算结果的包络性，此处不讨论设计基准事故。

严重事故采用概率论的方法，分别计算6类释放在不同距离点处的超过指定剂量的概率，然后根据各自的概率权重，将事故谱的曲线加权求和，最终得到严重事故条件下各距离点超越干预水平的条件概率。计算结果表明在国家推荐范围(7～10 km)的上限值10 km处，大部分超越概率趋于0，只有采取隐蔽行动2 d的可防止剂量超10 mSv的概率在19%左右，并显著降低。

综上所述，烟羽应急计划区采用国家推荐值的上限，即内区5 km、外区10 km，应当可以为公众安全提供广泛与全面的保护。

3 实际边界

应急计划区实际边界往往并不是以反应堆为中心呈严格的圆形，因为实际边界确定时除了参考理论值，还应结合行政区划、地形条件、社会经济等因素划分，为了便于应急准备工作实施与管理，正好位于理论值边界上的行政区域可统一划入或划出应急计划区，但不应偏离理论值太远，各电厂在实际边界划分过程中经常会遇到一个普遍性的问题：地方政府或当地公众担心因为划入应急计划区而影响经济发展，甚至可能对应急计划区划分产生一定阻力。

某核电厂外区10 km边界线穿过一个经济区，该经济区最近距离反应堆东北方向约7 km，当地政府和民众以不利于公众心理和经济发展为由反对将此区域划入烟羽应急计划区，可是若整体划出，与国家核安全监管部门批复的理论值有所偏离，对此本文考虑从以下几个方面分析。

3.1 安全性能

根据理论计算结果，发生严重事故时，该区域有一定的概率需要采取隐蔽的防护措施，当发生最为严重的事故时，全身剂量有较小概率会超过确定性效应阈值。如表3所示。

表3 7～10 km范围内事故后果Table 3 Accident consequence in the range of 7～10 km

以上计算结果是假设严重事故已发生的条件概率，即使AP1000的堆芯损伤频率非常低，也无法体现在计算结果中。AP1000机组作为第三代先进压水堆，采用非能动安全设计，能达到比现有运行核电厂更高的严重事故安全性能，其堆芯损伤频率能达到10-7/堆·年量级，比二代反应堆10-5/堆·年低两个量级，实际上发生堆芯熔化并导致场外应急的概率远小于第二代反应堆，此区域受到核事故影响的概率非常低。

3.2 截断概率

《核电厂应急计划与准备准则 第1部分：应急计划区的划分》(GB/T 17680.1—2008)[1]提到“对于发生概率极小的事故，在确定核电厂应急计划区时可以不予考虑，以免使所确定的应急计划区的范围过大而带来不合理的经济负担”，但没有明确截断概率。美国是开展严重事故研究较早的国家，WASH-1400报告至今仍被视为核电厂概率安全分析研究的经典之作，WASH-1400仅分析了大于10-7/堆·年的事故，我国分析设计基准事故时对足够小概率的事件不予考虑，足够小通常指10-6～10-7/堆·年，有研究认为选取截断概率10-8/堆·年是合理的[3]。该核电概率安全分析研究结果表明严重事故谱的概率低于国家对新建核电厂严重事故概率安全目标10-6/堆·年，有的甚至到10-13量级。

清华大学核能与新能源技术研究院研究了不同截断概率值对AP1000严重事故谱后果的影响[4]，2 d有效剂量超过10 mSv的条件概率结果如图2所示，可见若按照10-8/堆·年作为截断概率，事故后果应比目前计算结果更小，外区范围相应也会缩小。

图2 截断概率对2 d有效剂量超过10 mSv概率的影响Fig.2 The influence of truncation probability on the probability of 2 d effective dose exceeding 10 mSv

3.3 风向

风向研究时通常将厂址周围360°水平风向分成16个角度相等的扇形，每个扇形内区域用中心线方向代表，该经济区位于N与ENE之间，不利风向主要为西南风。

该电厂设计阶段和装料阶段环评报告分别给出了1994—1996年、2005—2007年、2009—2011年厂址气象塔各高度(10 m、25 m、75 m、100 m)的年度风向频率玫瑰图，由于各高度风频分布一致性高，选取10 m高度数据，主要参考厂平后的数据，如图3所示绿色和红色部分，可知主导风向和次主导风向均集中在NW和NNW，吹西南风的概率较小。即电厂发生严重事故时，放射性物质大规模释放的方向最大可能是朝着东南海域，而该经济区位于东北方向，从风向的角度考虑，此区域风险较低。

图3 厂址气象塔10 m高度的风向频率玫瑰图Fig.3 Wind direction frequency roses at 10 m height of the meteorological tower on site

3.4 人口

应急计划区与人口分布关系密切，人口少的区域准备工作相对简单，人口多的区域需做好充分准备，尤其是存在应急关注人群的区域应纳入应急计划区，如学校、医院等。该核电厂厂址10 km范围内人口大多数集中在附近村镇，该经济区大部分属于新围垦区暂无常住居民点，无学校、医院等大型公共设施，由于人口相对较少，纳入应急计划区后当地政府的应急准备工作压力也比较小，但民众可以得到更全面的保护。

4 总结

福岛核事故后，国家核安全局和国家核应急办专家展开了专题讨论，认为新建机组应急计划区需偏保守考虑，安全性能提高是否可作为降低应急准备相应要求的依据还需要进一步实践论证，应急计划区缩小条件还不成熟。核电厂在应急计划区划分的过程中，应以国家推荐划分原则为依据，分析设计基准事故和严重事故在厂址气象条件下造成的事故后果，烟羽应急计划区内区、外区边界计算结果应符合国家标准，实际边界划分应充分权衡社会经济状况和公众心理。针对文中描述的问题，在后续机组建设中仍有可能会遇到，建议核电厂与地方政府共同努力，可参考本文的分析与当地公众加强沟通，拿出数据、逻辑、依据，以理服人。烟羽应急计划区边界处的区域实际上面临的核应急风险较低，纳入应急计划区并非代表核应急风险增加，反而可以提前编制应急预案、完善应急准备工作，保护公众、保护环境。应急计划区并不是限制区，不会影响当地的工业、经济发展，关键在于核电厂与地方政府应加大核安全与核应急知识的宣传与普及，以提高公众对核电的接受与认知。