核電廠煙羽應急計劃區劃分探討

曹啟玥

(三門核電有限公司,浙江 臺州 317112)

核電廠發生嚴重核事故的可能性雖然很小，但一旦發生則可能引起放射性物質的釋放，對公眾健康和周邊環境造成影響，因此，必須做好周密的應急準備工作以保護公眾的安全。“應急計劃區”是開展應急準備工作的基礎之一，也是應急預案評審的重要內容。

應急計劃區指為了事故情況下能及時有效地采取保護公眾的防護行動，事先在核電廠周圍建立的、制定了應急預案并做好應急準備的區域[1]。針對煙羽照射途徑建立的應急計劃區稱為煙羽應急計劃區，分為內區和外區，重點執行隱蔽、撤離、碘防護等緊急防護行動。

本文基于國家推薦的劃分原則，結合實際情況，分析某AP1000核電廠煙羽應急計劃區計算方法、源項選取、計算結果，并從電廠安全、事故后果、人口因素等方面討論實際劃分中遇到的問題，對后續機組應急計劃區的劃分提出一些建議。

1 劃分原則

《核電廠應急計劃與準備準則第1部分：應急計劃區的劃分》(GB/T 17680.1—2008)[1]推薦了我國核電廠煙羽應急計劃區范圍確定的安全準則和一般方法：

1)在煙羽應急計劃區以外，對所考慮的后果最嚴重的嚴重事故序列使公眾個人可能受到的最大預期劑量不超過GB18871[2]所規定的急性照射的劑量行動水平，如表1所示。

表1 急性照射的劑量行動水平Table 1 Dose action level for acute exposure

2)對于各種設計基準事故和大多數嚴重事故序列，采取特定緊急防護行動的可防止劑量一般應不大于GB 18871所規定的相應的通用優化干預水平，如表2所示。

表2 緊急防護行動的通用優化干預水平Table 2 Generic optimal intervention levels for emergency protection operations

3)應急計劃區實際邊界確定時，還應考慮核電廠周圍具體環境特征社會經濟狀況和公眾心理因素，如地形、行政區劃邊界、人口分布、交通、便于進行應急準備和應急響應。

在滿足上述準則的前提下，壓水堆核電廠內區在3～5 km范圍內確定，外區在7～10 km范圍內確定。

2 理論計算

首先對核應急預案所考慮的事故(設計基準事故和嚴重事故)進行分析，選定釋放源項，然后跟據廠址氣象條件估算其向場外釋放造成的個人劑量，最后與劃分原則中的干預水平相比較，找出不超過安全準則的邊界線。

具體計算方法分兩種：確定論和概率論。確定論指用確定的源項和確定的氣象條件計算事故在不同距離處造成的后果，常用于設計基準事故源項；概率論指用事故譜和各種可能的氣象條件計算事故后果在不同距離處超越干預水平的概率，常用于嚴重事故源項。兩種方法均能定量地確定應急計劃區大小，確定論方法比較直觀、容易理解，概率論切合實際，且能夠體現應急計劃區邊界并不是絕對不安全與絕對安全的界限，二者結合使用，互為參考。如圖1所示。

圖1 煙羽應急計劃區計算流程圖Fig.1 Flow chart of Plume emergency planning zone calculation

2.1 事故源項

事故源項指核電廠發生事故時，釋入環境的放射性物質的形態、數量、組份及隨時間變化的其它釋放特征。國際原子能機構明確提出，制定應急預案時既要考慮設計基準事故，還應考慮嚴重事故，以使應急計劃區內的應急準備足以應對嚴重程度不同的事故。依據劃分原則，確定論事故源項有“設計基準事故”，概率論事故源項有“大多數嚴重事故”和“所考慮的后果最嚴重的嚴重事故”。AP1000機組應急計劃區測算時“設計基準事故”源項采用大破口LOCA，“大多數嚴重事故”采用AP1000嚴重事故譜，“所考慮的后果最嚴重的嚴重事故”采用嚴重事故譜中的安全殼旁通類釋放源項。

2.2 大氣彌散模型

氣載核素在大氣中的濃度分布不僅取決于核素的排放量，還決定于大氣對核素的擴散能力。污染物自源頭釋放出來后隨風輸運，同時與空氣混合，在水平和垂直方向上擴散，最終形成具有一定形態的分布，大氣彌散模型便是定量描述此過程的工具。大氣彌散模型一般采用高斯煙羽模式，該模式是計算氣載污染物下風向濃度最廣泛的方法，表達式如下：

(1)

式中,CA(x,y,z)——下風向位置(x,y,z)處放射性核素的空氣活度濃度;

Qi——排放量;

u——風速;

H——排放高度;

σy、σz——擴散參數，是大氣穩定度的函數。

由(1)可知大氣彌散因子與釋放高度、風速、大氣穩定度密切相關。為了得到符合實際的污染物擴散能力，選取兩年的廠址氣象數據逐時計算大氣彌散因子。

對于確定論方法，確定的氣象條件通常選擇95%氣象條件對應的大氣彌散因子，即只有5%的事故后果大于等于該大氣彌散因子計算的事故后果。對于概率論方法，應計算各種可能氣象條件下事故后果，所有大氣彌散因子均需選取。

2.3 劑量計算

煙羽應急計劃區主要應對放射性煙羽產生的直接外照射、吸入內照射和地面沉積外照射，因此事故的劑量估算主要考慮煙羽浸沒外照射、地面沉積外照射、吸入內照射和吸入再懸浮核素內照射四個途徑，利用事故期間放射性釋放量、大氣彌散因子、地面沉積因子和劑量轉換因子等計算釋放產生的預期劑量。

2.4 計算結果

內區緊鄰核電廠，是事故后放射性污染最嚴重的區域，最穩妥的防護行動為撤離，通常應用的安全準則為：設計基準事故和大多數嚴重事故導致內區外7 d撤離行動的可防止劑量不超過50 mSv。設計基準事故采用確定論的方法，計算大破口LOCA事故源項在95%氣象條件下釋放造成場外不同距離處的預期劑量，結果表明國家推薦值范圍內(3～5 km)預期劑量均在50 mSv以下。

外區同樣面臨煙羽危害，但并不是首當其沖的區域，防護行動多選擇對居民生活影響較小的隱蔽和碘防護，通常應用的安全準則為：設計基準事故和大多數嚴重事故后果超過隱蔽和碘防護相應干預水平的概率應為很低的水平；所考慮的后果最嚴重事故超過急性照射的劑量行動水平的概率應為較低的水平。根據計算結果的包絡性，此處不討論設計基準事故。

嚴重事故采用概率論的方法，分別計算6類釋放在不同距離點處的超過指定劑量的概率，然后根據各自的概率權重，將事故譜的曲線加權求和，最終得到嚴重事故條件下各距離點超越干預水平的條件概率。計算結果表明在國家推薦范圍(7～10 km)的上限值10 km處，大部分超越概率趨于0，只有采取隱蔽行動2 d的可防止劑量超10 mSv的概率在19%左右，并顯著降低。

綜上所述，煙羽應急計劃區采用國家推薦值的上限，即內區5 km、外區10 km，應當可以為公眾安全提供廣泛與全面的保護。

3 實際邊界

應急計劃區實際邊界往往并不是以反應堆為中心呈嚴格的圓形，因為實際邊界確定時除了參考理論值，還應結合行政區劃、地形條件、社會經濟等因素劃分，為了便于應急準備工作實施與管理，正好位于理論值邊界上的行政區域可統一劃入或劃出應急計劃區，但不應偏離理論值太遠，各電廠在實際邊界劃分過程中經常會遇到一個普遍性的問題：地方政府或當地公眾擔心因為劃入應急計劃區而影響經濟發展，甚至可能對應急計劃區劃分產生一定阻力。

某核電廠外區10 km邊界線穿過一個經濟區，該經濟區最近距離反應堆東北方向約7 km，當地政府和民眾以不利于公眾心理和經濟發展為由反對將此區域劃入煙羽應急計劃區，可是若整體劃出，與國家核安全監管部門批復的理論值有所偏離，對此本文考慮從以下幾個方面分析。

3.1 安全性能

根據理論計算結果，發生嚴重事故時，該區域有一定的概率需要采取隱蔽的防護措施，當發生最為嚴重的事故時，全身劑量有較小概率會超過確定性效應閾值。如表3所示。

表3 7～10 km范圍內事故后果Table 3 Accident consequence in the range of 7～10 km

以上計算結果是假設嚴重事故已發生的條件概率，即使AP1000的堆芯損傷頻率非常低，也無法體現在計算結果中。AP1000機組作為第三代先進壓水堆，采用非能動安全設計，能達到比現有運行核電廠更高的嚴重事故安全性能，其堆芯損傷頻率能達到10-7/堆·年量級，比二代反應堆10-5/堆·年低兩個量級，實際上發生堆芯熔化并導致場外應急的概率遠小于第二代反應堆，此區域受到核事故影響的概率非常低。

3.2 截斷概率

《核電廠應急計劃與準備準則 第1部分：應急計劃區的劃分》(GB/T 17680.1—2008)[1]提到“對于發生概率極小的事故，在確定核電廠應急計劃區時可以不予考慮，以免使所確定的應急計劃區的范圍過大而帶來不合理的經濟負擔”，但沒有明確截斷概率。美國是開展嚴重事故研究較早的國家，WASH-1400報告至今仍被視為核電廠概率安全分析研究的經典之作，WASH-1400僅分析了大于10-7/堆·年的事故，我國分析設計基準事故時對足夠小概率的事件不予考慮，足夠小通常指10-6～10-7/堆·年，有研究認為選取截斷概率10-8/堆·年是合理的[3]。該核電概率安全分析研究結果表明嚴重事故譜的概率低于國家對新建核電廠嚴重事故概率安全目標10-6/堆·年，有的甚至到10-13量級。

清華大學核能與新能源技術研究院研究了不同截斷概率值對AP1000嚴重事故譜后果的影響[4]，2 d有效劑量超過10 mSv的條件概率結果如圖2所示，可見若按照10-8/堆·年作為截斷概率，事故后果應比目前計算結果更小，外區范圍相應也會縮小。

圖2 截斷概率對2 d有效劑量超過10 mSv概率的影響Fig.2 The influence of truncation probability on the probability of 2 d effective dose exceeding 10 mSv

3.3 風向

風向研究時通常將廠址周圍360°水平風向分成16個角度相等的扇形，每個扇形內區域用中心線方向代表，該經濟區位于N與ENE之間，不利風向主要為西南風。

該電廠設計階段和裝料階段環評報告分別給出了1994—1996年、2005—2007年、2009—2011年廠址氣象塔各高度(10 m、25 m、75 m、100 m)的年度風向頻率玫瑰圖，由于各高度風頻分布一致性高，選取10 m高度數據，主要參考廠平后的數據，如圖3所示綠色和紅色部分，可知主導風向和次主導風向均集中在NW和NNW，吹西南風的概率較小。即電廠發生嚴重事故時，放射性物質大規模釋放的方向最大可能是朝著東南海域，而該經濟區位于東北方向，從風向的角度考慮，此區域風險較低。

圖3 廠址氣象塔10 m高度的風向頻率玫瑰圖Fig.3 Wind direction frequency roses at 10 m height of the meteorological tower on site

3.4 人口

應急計劃區與人口分布關系密切，人口少的區域準備工作相對簡單，人口多的區域需做好充分準備，尤其是存在應急關注人群的區域應納入應急計劃區，如學校、醫院等。該核電廠廠址10 km范圍內人口大多數集中在附近村鎮，該經濟區大部分屬于新圍墾區暫無常住居民點，無學校、醫院等大型公共設施，由于人口相對較少，納入應急計劃區后當地政府的應急準備工作壓力也比較小，但民眾可以得到更全面的保護。

4 總結

福島核事故后，國家核安全局和國家核應急辦專家展開了專題討論，認為新建機組應急計劃區需偏保守考慮，安全性能提高是否可作為降低應急準備相應要求的依據還需要進一步實踐論證，應急計劃區縮小條件還不成熟。核電廠在應急計劃區劃分的過程中，應以國家推薦劃分原則為依據，分析設計基準事故和嚴重事故在廠址氣象條件下造成的事故后果，煙羽應急計劃區內區、外區邊界計算結果應符合國家標準，實際邊界劃分應充分權衡社會經濟狀況和公眾心理。針對文中描述的問題，在后續機組建設中仍有可能會遇到，建議核電廠與地方政府共同努力，可參考本文的分析與當地公眾加強溝通，拿出數據、邏輯、依據，以理服人。煙羽應急計劃區邊界處的區域實際上面臨的核應急風險較低，納入應急計劃區并非代表核應急風險增加，反而可以提前編制應急預案、完善應急準備工作，保護公眾、保護環境。應急計劃區并不是限制區，不會影響當地的工業、經濟發展，關鍵在于核電廠與地方政府應加大核安全與核應急知識的宣傳與普及，以提高公眾對核電的接受與認知。