ERICA2.0 軟件和R&D128 程序中41Ar 和85Kr 核素對陸生生物輻射劑量率估算對比的初步研究

熊瀟穎，杜紅燕，魏其銘，白曉平，王曉亮，鄭 偉，邱 林

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

核設施釋放的放射性物質進入環境后，可能會通過各種途徑對生物及其種群產生輻射影響。非人類物種的輻射影響日益受到國際社會的關注，各國應用的評價非人類物種的輻照劑量的程序主要有ERICA 軟件和R&D 128 模型等[1]。

ERICA（電離污染環境危害：評價和管理）軟件是歐洲委員會在2004—2007 年完成開發的，可以估算非人類生物輻射效應的程序，目前2.0 版本中包含49 種元素88 種核素，還可以根據需要添加其他核素。該程序采用了三級篩選評價方法，具有對物種的針對性強、生物效應數據庫較為全面、可根據需要添加新的生物和核素等諸多優點。R&D128（對野生動物的電離輻射影響評價）程序是英國國家環保署于2001 年開發的用以評價電離輻射對野生動物生物輻射影響的劑量評估方法[2]。R&D128 程序對于陸生生態系統主要選取了16 個元素17 個核素，其中包含惰性氣體41Ar和85Kr 核素。

在我國的生物輻射影響評價中，現階段計算核素對生物的影響大多采用ERICA1.3 版本軟件，由于ERICA 軟件中沒有考慮惰性氣體的對陸生生態系統照射的貢獻，而R&D 128 模型對惰性氣體41Ar 和85Kr 核素進行了考慮，因此環境影響評價中目前對生物的輻射影響評價使用ERICA 軟件和R&D128 程序同時進行計算。ERICA 軟件于2021 年進行了版本更新，更新后的2.0 版版本較以前的所有版本，首次添加了Kr、Ar、Rn、Xe 等惰性氣體元素，惰性氣體相應的劑量率轉換因子（DCC）等參數也做了補充。

本文將對R&D 128 程序和ERICA2.0 軟件中均包含的惰性氣體核素41Ar 和85Kr 對生物造成的輻射劑量的原理、參考生物和參數等方面進行比較，并以我國某核電廠為例，對核電廠周圍惰性氣體核素41Ar 和85Kr 對陸生生物的輻射劑量進行計算和比較。

1 R&D 128 程序和ERICA2.0 軟件的對比

1.1 參考生物與惰性氣體核素

1.1.1 參考生物

R&D128 程序選取了18 種陸生參考生物：真菌、苔蘚、喬木、灌木、草本植物、種子、真菌、毛蟲、螞蟻、蜜蜂、土鱉、蚯蚓、食草哺乳動物、食肉哺乳動物、嚙齒類動物、鳥類、鳥卵和爬行動物。

ERICA 軟件2.0 版本的13 類陸生參考生物與1.3 版本保持一致：兩棲動物、鳥類、食腐類節肢動物、飛行類昆蟲、腹足綱軟體動物、草本植物、苔蘚類植物、大型哺乳動物、小型掘穴類哺乳動物、爬行動物、灌木、環節動物和喬木。

1.1.2 惰性氣體核素

R&D128 程序中，惰性氣體包括41Ar 和85Kr核素；在ERICA 2.0 軟件中，惰性氣體41Ar、85Kr、85mKr、87Kr、88Kr、131mXe、133Xe、133mXe、135Xe、138Xe，比R&D128 程序的惰性氣體核素種類豐富。

1.2 計算公式

1.2.1 R&D128 程序對惰性氣體的計算

對于惰性氣體，在R&D128 程序的計算中，內照射劑量率計算為0。核素i對生物j造成的總劑量率為：

式（1）為核素i對生物j造成的照射劑量率。

式中：z——生物棲息地，對于惰性氣體，z為空氣；

Cz,i——核素i在棲息地z中的濃度，對于惰性氣體，為在空氣中，Bq·m-3。

1.2.2 ERICA2.0 軟件對惰性氣體的計算

在陸生生態系統的計算中，對于惰性氣體，其在ERICA2.0 軟件的二級計算中，內照射劑量率計算為0。計算惰性氣體對生物的劑量率時，介質濃度數據輸入為空氣中放射性核素活度濃度，采用浸沒（即土壤上方浸沒在污染的空氣中）劑量率轉換因子。計算公式為：

1.3 主要參數

由于惰性氣體的劑量率計算中，不考慮內照射的影響，因此惰性氣體對生物的內照射劑量率為0。在參數中也不考慮與內照射相關的參數。計算中主要參數為外照射劑量率轉換因子。

（1）在R&D128 程序中

在R&D128 程序中，惰性氣體的外照射劑量率轉換因子主要是根據環境特征參數、照射途徑和參考生物的特征參數，利用Monte-Carlo方法或經驗公式計算得到[1]。對于41Ar 和85Kr核素，程序中給出的外照射劑量率轉換因子如表1 所示。

（2）在ERICA2.0 軟件中

在ERICA2.0 軟件中，惰性氣體的空氣浸沒外照射劑量率轉換因子來自ICRP136 出版物中的Biota-DC 程序[4]，且無論生物在地面上還是地面下，均假設其100%浸沒于有放射性核素的空氣中。為與R&D128 程序進行對比，選取與R&D128 程序相同的41Ar 和85Kr 核素進行說明。對于41Ar 和85Kr 核素，空氣浸沒外照射劑量率轉換因子如表2 所示。其中，環節動物、草本植物、灌木和喬木的劑量率轉換因子為0。

表2 ERICA2.0 軟件陸生生態系統空氣浸沒外照射劑量率轉換因子Table 2 The dose conversion coefficient of immersion external radiation in the air of terrestrial ecosystems in the Erica2.0 software μGy·h-1/Bq·m-3

2 某廠址周圍41Ar 和85Kr 對陸生生物造成的輻射劑量計算和分析

以我國某核電廠兩臺WWER 機組為例，采用R&D128 程序和ERICA2.0 軟件計算該核電廠兩臺機組正常運行狀態下：

（1）選擇計算R&D128 程序和ERICA2.0軟件中含有的41Ar 和85Kr 核素排放所致廠址附近陸生生物的輻射劑量率進行對比，兩個核素的排放量和在空氣中的濃度如表3 所示。

表3 兩臺WWER 機組在運行狀態下41Ar 和85Kr 核素的年排放量和在空氣中的濃度Table 3 Annual emissions and air concentration of 41Ar and 85Kr nuclides from two WWER units under operating conditions

（2）選擇兩個模型中同類的參考生物：環節動物、食腐類節肢動物、鳥類、飛行類昆蟲、草本植物、苔蘚植物、大型哺乳動物、小型掘穴類哺乳動物、爬行動物、灌木和喬木11 種生物進行計算。

計算結果如表4 和圖1、圖2 所示。

圖1 采用R&D128 程序和ERICA2.0 軟件計算廠址附近11 類陸生生物的劑量率結果比較（41Ar）Fig.1 Comparison of dose results for 11 types of terrestrial organisms near the nuclear power plant site calculated using the Erica2.0 software and the R&D128 program (41Ar)

圖2 采用R&D128 程序和ERICA2.0 軟件計算廠址附近11 類陸生生物的劑量率結果比較（85Kr）Fig.2 Comparison of dose results for 11 types of terrestrial organisms near the nuclear power plant site calculated using the ERICA2.0 software and the R&D128 program (85Kr)

表4 采用R&D128 程序和ERICA2.0 軟件計算廠址附近11 類陸生生物的劑量率結果比較Table 4 Comparison of dose results for 11 types of terrestrial organisms near the nuclear power plant site calculated using Erica2.0 software and R&D128 program μGy/h

從計算結果看出，（1）R&D128 程序對于41Ar 和85Kr 核素的計算結果均比ERICA2.0 軟件大；（2）R&D128 程序對所有生物均有劑量率計算結果，ERICA2.0 軟件的計算結果中環節動物、草本植物、灌木和喬木的劑量率計算結果均為0。

3 對比分析和結論

根據以上對比看出：

（1）ERICA2.0 軟件比R&D128 程序的惰性氣體核素種類豐富；

（2）R&D128 程序共選擇了18 種陸生參考生物，ERICA2.0 軟件共選擇了13 種陸生參考生物，R&D128 程序的參考生物種類更加豐富；

（3）對于內照射劑量率，R&D128 程序和ERICA2.0 軟件對于41Ar 和85Kr 的內照射劑量率均為0；

（4）ERICA2.0 軟件和R&D128 程序的劑量率轉換因子采用的來源不同，在R&D128 程序中，41Ar 和85Kr 的外照射劑量率轉換因子主要是根據環境特征參數、照射途徑和參考生物的特征參數，利用Monte-Carlo 方法或經驗公式計算得到；在ERICA2.0 軟件中，41Ar 和85Kr的空氣浸沒外照射劑量率轉換因子來自ICRP136 出版物中的Biota-DC 程序，也是造成劑量率結果不同的主要原因；

（5）從計算結果上看，在41Ar 和85Kr 排放量相同的情況下，R&D128 程序的計算結果比ERICA2.0 軟件的計算結果大一個量級，R&D128 程序的結果相對保守；且ERICA2.0軟件的計算結果中環節動物、草本植物、灌木和喬木的劑量計算結果均為0，是由于它們的空氣浸沒外照射劑量率轉換因子均為0 造成的；可見對于41Ar 和85Kr，R&D128 程序參數數據來源更齊全。

因此，對于惰性氣體核素的輻射影響計算，41Ar 和85Kr 的計算使用R&D128 程序是相對保守和可行的；對于其他惰性氣體的計算，可采用ERICA2.0 軟件進行補充和完善。目前的生物輻射影響評價中，可將 R&D128 程序和ERICA2.0 軟件結合使用，進行惰性氣體對生物造成的輻射劑量的計算和分析。