华龙一号操作干预水平研究

刘 蕴，龙 亮，邢 继，崔 浩，黄树明，薛 娜，邱 林

(1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.生态环境部核与辐射安全中心，北京 102401)

充分有效的核事故应急准备是核动力厂纵深防御的最后一道屏障[1]，在事故发生时能采取迅速有效的应急响应措施，对场外公众采取正当的干预，避免确定性效应并降低随机效应。事故发生后，获得大量、充分的环境监测数据是现实可行的，并且能准确反映环境中实际的辐射量。所以，环境辐射监测数据是核事故发生后决策公众防护行动的主要依据。

在国际放射防护委员会(ICRP)第60号报告[2]出版后，国际原子能机构(IAEA)提出了操作干预水平(OIL)的概念[3-4]，之后说明了OIL制定的基本方法和推荐值(IAEA-TECDOC-955，1997)[5]。作为以环境监测结果表示的电离辐射干预水平[6]，在核事故条件下，OIL定义为直接采用环境测量数据确定公众防护的行动水平。通过比较OIL设定值和事故下辐射环境监测结果，可以较为准确地判断当地是否需要采取某种防护行动。

依据我国核安全导则《核动力厂营运单位的应急准备与应急响应》(HAD 002/01—2019)[7]，应急预案需包括针对本核动力厂而建立的OIL及其修订方法。并且，在首次装料前需提交OIL制定相关的技术文件。由此可见，OIL的制定是核动力厂应急准备中不可或缺的重要内容，也是运行前取证的必经环节。由于我国国家标准《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB 18871—2002)[8]中应急照射下剂量控制的基本要求与IAEA安全丛书115号和ICRP第60号报告一致，目前我国的核动力厂OIL的制定和使用均采用IAEA-TECDOC-955的方法。

近年来，特别是在吸取福岛核事故应急经验后，IAEA对OIL的体系、种类和制定进行了不断升级，包括安全标准丛书(No.GSG-2，2011)[9]、《轻水反应堆严重事故应急公众防护行动》(EPR-NPP Public Protective Actions，2013)[10]等。最终，形成了技术文件《Operational Intervention Levels for Reactor Emergencies and Methodology for Their Derivation》(IAEA-EPR-NPP-OILs，2017)[11]，描述了OIL的最新分类、使用和制定方法，为1 000 MW大型轻水堆计算并推荐了一套默认值。然而，由于该文件在OIL推荐值计算中采用了IAEA《安全标准丛书》第GSR Part 7号[12]所描述的通用准则，与我国现行的通用优化干预水平有所区别[13]，故尚未能在我国实际应用。

华龙一号核电机型是我国自主化研发的三代压水堆核电机型。为使华龙一号核电机型的应急准备与响应符合国际先进标准和技术规范，本研究基于华龙一号设计特征和二级概率安全分析(PSA)严重事故源项研究成果[14-15]，采用IAEA新版OIL制定方法，对OIL设定值进行计算与分析，并讨论IAEAOIL默认值对华龙一号的适用性。

1 IAEA-EPR-NPP-OILs的优势与特点

相比于IAEA-TECDOC-955，IAEA-EPR-NPP-OILs具有多种优势，在核事故应急响应中具有更高的适用性和科学性，具体优势包括：

(1)由于事故早期大量放射性释放时空气中的放射性烟羽会随时间和局地风场不断变换位置，难以被及时并准确地追踪和监测，其空气样品更是难以及时采集和分析。大量放射性释放结束后，以沉降物为主要照射源的环境监测数据能被较为全面可靠地获取。故而，IAEA建议通过应急行动水平(EAL)的制定和应用来指导事故早期放射性释放阶段的应急响应行动，并且去除了IAEA-TECDOC-955中对应烟羽γ剂量率监测数据的相关类别，提升了OIL指导应急响应行动的准确性。

(2)在不考虑放射性烟羽剂量率和空气浓度的前提下，对OIL的计算方法做了显著调整，不再考虑气象条件、监测点与释放点相对位置等参数，使OIL值仅与事故源项中放射性核素比例、核素理化属性、剂量转换因子和时间相关。应急人员无需关注事故中实际的气象情况，也无需区分不同的监测距离，显著提升了OIL在应急情景下的可用性。

(3)IAEA-EPR-NPP-OILs增加了对应皮肤和甲状腺剂量监测的OIL类别，可以直观判断是否应采取紧急防护行动避免确定性效应，或采取服用稳定性碘的行动降低可能诱发甲状腺癌的随机效应。

(4)对IAEA-TECDOC-955中针对食品限制的OIL5～OIL9归并为“食品分析前”OIL3γ和“食品分析后”OIL7两类，前者只通过地面沉积γ剂量做快速判断，后者对食品采样监测做详细判断。

(5)在OIL的使用中，IAEA-EPR-NPP-OILs删除了根据环境监测数据修正OIL设定值的步骤，使应急响应行动直观简单，易于在事故情况下快速高效地执行。在紧急情况下，IAEA建议：在有明确证据表明且考虑了事故后果时，修订会使利大于弊，并且对照射情景、公众行动和放射性核素混合物等情况有明确了解时，才可以对OIL进行修订。例如：若需要采取应急行动的人数超出实施响应的能力，或超出OIL设定值的区域无法全部开展响应行动，可适当提高OIL值；若改变OIL设定值不会导致受影响人数显著增加，或监测仪器响应与计算中假定的水平不符，可考虑修订OIL值。

IAEA-EPR-NPP-OILs的分类、照射途径、响应行动和默认值列于表1，计算中采用了IAEA《安全标准丛书》第GSR Part7号[12]所描述的通用准则。

2 华龙一号操作干预水平计算

如表1所示，IAEA-EPR-NPP-OILs中，OIL1γ～OIL3γ所考虑的放射性照射均来自事故发生后沉积到地表的放射性核素，OIL4考虑沉积到人体皮肤表面的放射性核素，OIL7考虑从食品中某种标志性放射性核素监测浓度对应的食入照射剂量，均和事故释放源项有直接关系。而OIL8γ仅考虑仪器监测量和人体照射量的关系，与事故释放源项无关，而与仪器的特性有关。故而，对不同的核动力厂机型，依据其严重事故源项，应有不同的OIL1γ～OIL7设定值，而OIL8γ不随机型的不同而变化。华龙一号的OIL制定不涉及OIL8γ。计算中采用与IAEA-EPR-NPP-OILs一致的应急行动通用准则(表1)，相关固定参数和剂量转换因子等均使用IAEA-EPR-NPP-OILs的推荐值。对风化过程、再悬浮过程和放射性核素食入转移过程等，IAEA均做了详细分析和考虑，对华龙一号较为适用。本文针对华龙一号核电机型开展OIL设定值研究，并不面向某一特定厂址，故不对厂址有关参数做适应性调整。

表1 IAEA-EPR-NPP-OILs的OIL类别和特点[11]

2.1 严重事故类别与描述

华龙一号核电机型已完成全面的一级和二级PSA分析，其二级PSA事故源项被广泛用于应急预案及相关专题报告的制定，并已通过国家相关部门的审查。本研究采用华龙一号二级PSA全事故谱作为OIL制定的严重事故源项，包括RC01～RC11共11种[15]，列于表2。

表2 华龙一号二级PSA事故谱

在计算华龙一号OIL设定值时，考虑了平衡寿期末堆芯积存量中所有关键裂变产物，包括卤素、碱金属、碲组、钡、锶、贵金属、铈族和镧系等。由于IAEA-EPR-NPP-OILs不考虑放射性烟羽的照射，所以不考虑惰性气体和半衰期过短的裂变产物。

2.2 计算方法与参数

从表1可知，OIL1γ和OIL2γ所考虑的照射途径一致，其设定值由下式计算[11]：

OILnγj(t)=3.6×109×[∑i(RAij(t)×Hgrd,i)]×

WFOILnγ×min{AOILnγ,j,E(t),AOILnγ,j,Hf(t)}

(1)

式中,OILnγj(t)为停堆t时间后，严重事故j对应的OILnγ值，μSv/h,n为1或2，对应OIL1γ和OIL2γ；RAij(t)为停堆t时间后，严重事故j的释放源项中放射性核素i的相对活度，无量纲，本研究中该数据源自华龙一号二级PSA事故源项；Hgrd,i为单位地面活度的核素i在地面上1 m处的γ剂量率，(Sv·m2)/(Bq·s)；WFOILnγ为权重因子，无量纲，用于调整OIL的保守度，避免实施不正当的响应行动；AOILnγ,j,E(t)为停堆t时间后，严重事故j向环境释放导致的地面放射性核素混合物总活度，Bq/m2，该地面放射性核素混合物具有一定的组成比例，考虑表1所列出的所有相关照射途径，能导致代表人总有效剂量满足相关防护行动的通用准则；AOILnγ,j,Hf(t)与AOILnγ,j,E(t)类似，但考虑的对象为胎儿。

由于OIL1γ应用于事故早期阶段，响应行动被实施的时间尚未到应急撤离通用准则的7天，WFOIL1γ缺省值假定为3，对应响应期间实际受到的剂量为受照7天的1/3。

对于OIL2γ，实施响应行动的可用时间较多，WFOIL2γ的缺省值为1。但即便如此，在t较小时OIL2γ的计算仍是十分保守的。事实上，IAEA选定的停堆10天之内的OIL2γ默认值并未完全包络其采用的所有事故源项。

OIL3γ也采用地面上1 m的空气γ剂量率作为判断是否采取响应行动的监测量，但对人体的照射途径与OIL1γ和OIL2γ不同，为食入受污染的食品而产生的内照射，计算公式改写为[11]：

OIL3γj(t)=3.6×109×[∑i(RAij(t)×Hgrd,i)]×

WFOIL3γ×min{AOIL3γ,j,E(t),AOILnγ,j,Hf(t)}

(2)

式中，OIL3γj(t)为停堆t时间后，严重事故j对应的OIL3γ值，μSv/h；WFOIL3γ为权重因子，无量纲，由于在受污染的地域中，摄入受污染食品或饮用水对总受照剂量的贡献应远小于其他受照途径，IAEA设缺省值为5即可保证足够的保守度；AOIL3γ,j,E(t)、AOILnγ,j,Hf(t)为停堆t时间后，严重事故j向环境的释放导致的地面放射性核素混合物总活度，Bq/m2，考虑食入途径，能导致代表人总有效剂量和胎儿总当量剂量分别满足相关防护行动的通用准则。

由于IAEA在对OIL3γ的计算中认为50%的食品、牛奶和饮用水都受到影响，并且食品的制备和加工(比如洗涤和烹饪等)能够大幅降低食品中放射性物质的含量。所以，尽管对某些通用的严重事故源项来说，在一定时间范围内OIL3γ的计算值仅为IAEA选定的默认值(1 μSv/h)的三分之一，但仍然是可以接受的。另外，受环境放射性本底值的影响，1 μSv/h被认为是严重事故应急状态下可用的最低值。

OIL4β与监测仪器的响应有很大关系，故本研究主要对OIL4γ进行讨论，表示为裸露皮肤的10 cm外测得的周围剂量当量率，取对代表人、胎儿和皮肤急性照射三者中最为保守的值，计算公式为[11]：

OIL4γj(t)=3.6×109×[∑i(RAij(t)×Hskin,i)]×

WFOIL4γ×min{AOIL4γ,j,E(t),AOIL4γ,j,Hf(t),

AOIL4γ,j,ADskin(t)}

(3)

式中，OIL4γj(t)为停堆t时间后，严重事故j对应的OIL4γ值，μSv/h；Hskin,i为单位活度的核素i在距离100 cm2皮肤表面10 cm处的剂量率，(Sv·m2)/(Bq·s)；WFOIL4γ为权重因子，无量纲,IAEA设置缺省值为0.5，使OIL4γ为2 μSv/h时即能包络所有考虑的事故源项，此时OIL4γ的默认值为1 μSv/h,否则，OIL4γ=4 μSv/h仍是保守的；AOIL4γ,j,E(t),AOIL4γ,j,Hf(t),AOIL4γ,j,ADskin(t)为停堆t时间后，严重事故j向环境释放导致的皮肤上具有的放射性核素混合物总活度，Bq/m2，能导致代表人无意食入总有效剂量、胎儿总当量剂量和急性照射下红骨髓吸收剂量分别满足相关防护行动的通用准则。

OIL7用于在完成食品的采样、制样和监测后，判断当地食品、牛奶和饮用水是否可以被安全消费，计算公式为[11]：

OIL7ij(t)=RAij(t)×WFOIL7×

min{AOIL7,j,E,AOIL7,j,Hf}

(4)

式中，OIL7ij(t)为停堆t时间后，严重事故j所释放的核素i对应的OIL7值，Bq/kg；由于释放量大且易于监测，一般以131I和137Cs作为轻水堆核动力厂OIL7的标志性核素；131I的半衰期较短，而137Cs的半衰期较长，在停堆10天前将131I作为标志性核素，停堆10天后则将137Cs作为标志性核素。WFOIL7为权重因子，无量纲，IAEA取WFOIL7的缺省值为5，原因同WFOIL3γ；AOIL7,j,E、AOIL7,j,Hf为停堆t时间后，严重事故j向环境释放导致的食品、牛奶或饮用水中的放射性核素总浓度，Bq/kg，能通过食入途径，导致代表人总有效剂量或胎儿总当量剂量分别满足相关防护行动的通用准则。

3 结果与讨论

对华龙一号核电机型，其11种二级PSA事故源项在停堆后1年内随时间变化的OIL1γ～OIL7曲线，如图1～图6所示。由于各种事故的释放源项不同，导致的地面沉积核素的组成比例不同，使其在同一时间点上的OIL有不同的取值。

图1 华龙一号OIL1γ曲线

图2 华龙一号OIL2γ曲线

图3 华龙一号OIL3γ曲线

图4 华龙一号OIL4γ曲线

图5 华龙一号131I OIL7曲线

图6 华龙一号137Cs OIL7曲线

由图1可以看出，为了确保计算结果的保守性，计算中同时考虑了代表人的总有效剂量和胎儿的总当量剂量，使不同事故的OIL1γ曲线均不随停堆后时间单调变化。采用二级PSA事故源项时，华龙一号OIL1γ最小值出现在严重事故RC07的曲线上，可被1 400 μSv/h包络。IAEA给出的OIL1γ默认值不仅可以包络华龙一号二级PSA全事故谱的OIL1γ值，而且具有足够的保守度。

如图2所示，在停堆约5天至10天之间，各种事故的OIL2γ值逐一超过IAEA的默认值。虽然由第2节所述，IAEA对停堆前10天的OIL2γ计算较为保守，但大于华龙一号所有二级PSA事故的OIL2γ值应是不可接受的。建议华龙一号事故下停堆前10天的OIL2γ设定值不大于60 μSv/h(包络出现在严重事故RC01曲线上的最小的OIL2γ计算结果)，以满足对各种二级PSA事故的保守性。

对OIL3γ，IAEA的默认值可以包络大多数的华龙一号二级PSA事故，仅有少部分事故(RC02、RC04、RC06和RC07)在停堆后约2～11天之内出现小于默认值的现象，最多不小于默认值的1/2(图3所示)。由于OIL3γ的计算方法十分保守，且其默认值1 μSv/h在许多地区已接近于放射性自然本底值，同时华龙一号二级PSA事故的OIL3γ值尚大于某些国际常用严重事故源项的OIL3γ值。所以，IAEA的OIL3γ默认值对华龙一号具有适用性。

如图4所示，对华龙一号二级PSA全事故谱，OIL4γ最小计算结果出现于事故RC07的曲线上，可被4 μSv/h包络。由于计算中取权重因子为0.5，对IAEA所采用的各种国际通用严重事故源项，OIL4γ取4 μSv/h仍是保守的(如第2节所述)。故而，华龙一号的OIL4γ设定值最大可为4 μSv/h。在应急准备中，可综合考虑监测仪器的特点和性能，确定合适的OIL4γ设定值。

图5和图6分别显示了以131I和137Cs为标志性核素的华龙一号二级PSA全事故谱OIL7计算结果。131I的OIL7只在停堆后的前10天使用，华龙一号RC01～RC11的包络值为1 800 Bq/kg，小于出现在RC10上的最小计算结果，接近IAEA默认值的2倍；137Cs的OIL7只在停堆10天后使用，RC01～RC11的包络值为300 Bq/kg(由事故RC09最小计算结果确定)，大于IAEA的默认值。因此，IAEA对OIL7的默认值可以包络华龙一号二级PSA全事故谱并具有足够的保守性。

综上所述，IAEA-EPR-NPP-OILs中列出的各种OIL的默认值中，OIL1γ、OIL3γ、OIL4γ和OIL7对华龙一号是可用的，其中OIL1γ、OIL4γ和OIL7均具有可观的保守度。IAEAOIL2γ默认值不完全适用于华龙一号，在停堆前10天内，设定值不大于60 μSv/h才能包络华龙一号的11类二级PSA事故。

4 结论

2017年，IAEA发布了OIL分类、制定和使用指导的最新版本IAEA-EPR-NPP-OILs。本研究采用华龙一号核电机型二级PSA全事故谱，对各类OIL的设定值进行制定计算，比较并分析了IAEAOIL1γ～OIL7的默认值对华龙一号的适用性和保守性。

研究结果显示，OIL1γ、OIL3γ、OIL4γ和OIL7的IAEA默认值均能包络华龙一号二级PSA全事故谱，且除OIL3γ外均是较为保守的。对OIL2γ，在停堆10天后的默认值适用于华龙一号，但在停堆10天内，默认值对所有二级PSA事故均不具有包络性。针对二级PSA事故源项，建议华龙一号停堆前10天的OIL2γ设定值不大于60 μSv/h，OIL4γ设定值可综合监测仪器特性和环境本底值，取1～4 μSv/h之间，其余OIL采用IAEA默认值。

未来可采用我国实际核电厂址的农作物生产和居民食谱调查情况，对IAEA-EPR-NPP-OILs的制定方法和参数开展更深入的研究，进一步探讨对我国未来核电机组的适用性。