核事故應急情況下快速確定輻射劑量率場的方法及其應用

仲崇軍，茍全錄，張鵬飛，李 冰

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

核事故應急情況下快速確定輻射劑量率場的方法及其應用

仲崇軍，茍全錄，張鵬飛，李 冰

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

介紹并分析了在核事故應急情況下，應急輻射監測和事故后果評價兩種確定輻射劑量率場的方法及存在的不足，根據估算照射率場分布的方法引出快速估算輻射劑量率場的計算方法，并對其在事故應急和演習中的應用進行了分析。

核事故；輻射；應急；劑量率場

在核事故應急情況下及時掌握輻射劑量率的分布情況有利于及時、正確地決策防護行動。在放射性釋放期間，主要是根據γ劑量率值對照操作干預水平[1-2]確定或調整防護行動。目前獲取γ劑量率分布的方法主要為通過大面積環境輻射巡測或事故后果評價軟件計算方法。但是在事故早期，由于時間和人力等限制，不可能在短期內組織大量的監測隊伍在大面積的污染區域進行監測；同時由于惡劣天氣等外部條件的限制，甚至無法開展輻射巡測工作。而事故后果評價軟件的誤差又很大，且目前開發的事故后果評價軟件無法根據實測數據進行輻射劑量率場的重新評估。本文提供一種快速估算輻射劑量率場的方法，方便在事故應急時根據實測輻射劑量率數據估算輻射劑量率場，同時也可以利用這種方法在演習中設計輻射劑量率場，便于真實模擬事故輻射情景，從而達到鍛煉應急隊伍的目的。

1 目前核電廠確定輻射劑量率場的一般方法及存在的不足

根據核電廠制定的核事故應急計劃和相關程序，嚴重核事故發生以后，一般情況下核電廠將首先根據事故工況確定防護行動，同時開展場區及場外環境（一般指5 km以內區域）輻射監測工作，以便為預估輻射劑量率場和調整或結束防護行動提供必要的基礎數據。事故早期主要監測的內容包括γ劑量率巡測、地面沉積巡測、空氣取樣分析等。其中對于早期防護行動決策有重要實效性的測量主要是γ劑量率巡測。

這種方法要求組織巡測隊伍在較大的范圍開展監測工作，同時利用已建立的固定輻射監測站點進行測量，并將這些得到的測量值記錄在表格中或標繪在地圖上，由環境輻射分析人員根據這些監測數據并參照地理與氣象等信息綜合分析得出輻射劑量率分布情況。一般情況下至少有兩支巡測隊伍，在場區和場外同時開展巡測工作，測量的重點區域是下風向5 km以內的區域。根據事故類型、序列和規模、釋放源項以及響應時可能出現的特殊環境條件，這種方法將提供精確的數據。但是為得到這些數據需要數支放射性測量隊伍同時開展測量工作，并經過很長時間的大面積測量，同時配備精確的測量儀表和通過培訓并取得資質的測量人員，而且應急監測常常是時間緊、任務重和情況不明或情況多變，因此在設備的響應速度、測量內容、測量量程、環境條件等方面都可能出現與正常情況不同的要求，也可能在一段時間內出現響應資源嚴重超負荷的情況。同時由于惡劣天氣等外部條件等的限制，甚至無法開展輻射巡測工作。這顯然不利于事故早期對防護行動的決策及優化調整。

事故后果評價軟件可以在發生核事故時對釋放或可能釋放到環境中的放射性物質所造成的后果進行預測和評價。但事故后果評價軟件是基于已分析過的事故源項進行計算，與實際情況有很大的誤差，因為事故工況，如管道破口尺寸、安全設施投用情況、屏障完整性等方面都會影響釋放的源項，因此很難準確利用已分析過的源項來確定實際的輻射劑量率場，即使是相似的工況，計算的結果與實際也可能有很大的差異；而且目前國內開發的事故后果評價軟件基本無法根據實測的γ劑量率數據進行輻射劑量率場的重新評估。因此這種方法也不能有效地確定輻射劑量率場。

2 快速估算輻射劑量率場的方法

基于以上兩種確定輻射劑量率場方法存在的問題，較合適的補救辦法就是根據得到的一定位置上的環境輻射劑量率估算整個地區的輻射劑量率分布，以便及時確定或調整防護行動。但是目前沒有明確的輻射劑量率估算方法，一般假設與距離平方成反比。為了在這個假設的基礎上建立一種較為準確的輻射劑量率場估算方法，我們參照了美國環保局“Manual of Protective Action for Nuclear Incident”[3]中推薦的確定照射率分布的方法。即根據在地面高度的放射性煙羽軸線上測量一些離釋放點已知距離處的照射率，且通過假設煙羽軸線照射率與釋放點的距離成反比，應用這些數據來計算其他選定的下風向距離上的照射率。計算公式具體如下:

式中， D1——在距離 R1處測量的照射率（煙羽軸線上）；

D2——在距離 R2處測量的照射率（煙羽軸線上）；

x——距離函數的擴散率。

一般對正常的天氣而言，假x設為1.5。當穩定度為A或B時，可精確地應用 x=2；當穩定度為C或D時，應用 x =1.5；當穩定度為E或F時，應用x=1。

同時假定對煙羽軸線計算的照射率同樣適用于整個下風向離釋放源等距離的點，就可以應用這個公式求得照射率的粗略分布。注意應用這個方法，必須確認所采用的是煙羽軸線上或軸線附近的照射率測量值。為了滿足這個條件，可以采用橫向分布法來確定，即在下風向一個足夠遠的一個點（通常離廠址1 km以上）上煙羽照射率的橫向分布來確定，測量的最大讀數應該是在煙羽軸線上或附近的照射率。

根據照射率與吸收劑量成線性正比[4]的關系，因此估算輻射劑量率的公式形式上應該與（1）式相同，但其中D的含義為輻射劑量率值。公式及公式中各要素的含義如下:

式中，D1——在距離 R1處測量的輻射劑量率（煙羽軸線上）；

D2——在距離 R2處測量的輻射劑量率（煙羽軸線上）；

x——距離函數的擴散率。

同樣注意，使用這個方法，必須確認所采用的是煙羽軸線上或軸線附近的輻射劑量率測量值。

3 快速估算輻射劑量率場方法在事故應急中的應用

利用上述的估算公式，可以根據已經測得的固定距離處輻射劑量率估算下風向其他距離處的輻射劑量率，以便快速確定輻射劑量率場，并根據輻射劑量率場快速確定防護行動。

3.1 已知下風向某點（已知距離）的輻射劑量率，求下風向其他距離處的輻射劑量率

如果已經測得某點（已知距離）的輻射劑量率，尚未測量其他位置的輻射劑量率，若想了解一些重點區域（例如煙羽應急計劃區的內區邊界和外區邊界等）的輻射劑量率，可以利用上述公式進行估算。

例如，假設某核電站發生BDBA事故，假設穩定度為D，在2 km處測得輻射劑量率水平為0.73 mSv/h，此時場外應急組織想了解煙羽應急計劃區內區邊界4 km處的最大輻射劑量率，可以利用以上公式進行計算:

即取 R=12 km， D=10.73 mSv/h， R=24 km，求D2的值。

求得 D2＝0.26 mSv/h

即煙羽應急計劃區內區邊界的最大輻射劑量率為0.26 mSv/h。

3.2 已知下風向某點（已知距離）的輻射劑量率，求下風向固定輻射劑量率（操作干預水平值）處的距離

為了確定事故早期的防護行動，需要盡快確定達到操作干預水平的邊界，那么我們就需要根據已經知道距離處輻射劑量率，求達到操作干預水平值的距離。可以對輻射劑量率估算公式進行推導，導出求距離R2的公式，如下:

式中，R1——輻射劑量率測量值為D1處的距離（煙羽軸線上）；

R2——輻射劑量率值為D2處的距離（煙羽軸線上）；

x——距離函數的擴散率。一般對正常的天氣而言，假x設為1.5。當穩定度為A或B時，可精確地應用 x =2；當穩定度為C或D時，應用x =1.5；當穩定度為E或F時，應用x =1。

在事故應急情況下，當測量到已知距離處輻射劑量率大于干預水平值時，可以使用此公式快速估算等于干預水平輻射劑量率值的距離，以便確定防護行動的范圍。例如，假設某核電站發生BDBA事故，假設穩定度為D，在1.5 km處測得輻射劑量率水平為1.14 mSv/h，而撤離的操作干預水平值為1 mSv/h（采用IAEA推薦值），那么我們可以根據以上的公式求得干預的邊界。

即取 R=11.5 km， D=11.14 mSv/h，D2= 1 mSv/h，求R2的值

求得 R2＝1.64 km

即在下風向1.64 km處輻射劑量率達到了操作干預水平撤離的干預值。我們可以據此對照操作干預水平提出在下風向1.64 km內所有人員采取撤離的防護行動。

3.3 使用條件

（1）煙羽在穩定的釋放期間；

（2）測量軸線或附近的輻射劑量率；

（3）測量點距離反應堆足夠遠，至少1 km以上。

3.4 討論及注意事項

雖然一般事故早期首先基于工況情況確定了初步的防護行動，但是根據實際的輻射劑量率情況對防護行動進行調整和優化具有很重要的意義。特別是在如下幾種情況下:

（1）已經知道某些區域的輻射劑量率，還沒有來得及測量其他區域，但此時需要提出防護行動；

（2）氣象條件惡劣，無法組織有效的環境監測工作，利用有限的幾個監測點數據或固定站數據及距離推算輻射劑量率場分布，進而確定是否需要采取防護行動以及采取防護行動的范圍；

（3）有充足的時間和人員組織環境監測，可以利用此公式判斷監測隊伍是否沿著正確的路線進行測量，或者判斷測量數據的有效性與真實性。

4 快速估算輻射劑量率場方法在演習中的應用

在核事故應急演習中，場外巡測只能測到本底讀數，這樣就不能模擬真實的場景而導致無法鍛煉環境輻射監測人員和數據分析人員。為了在演習中有效地鍛煉這些崗位的人員，我們可以利用上述估算方法模擬設計輻射劑量率的分布，主要思路如下:

根據上述估算方法，如果確定下風向已知距離處的輻射劑量率，就可以估算其他距離處輻射劑量率分布情況。據此我們可以根據演習的事故源項和演習需要事先確定下風向某一距離處的不同時刻輻射劑量率，然后就可以利用這個輻射劑量率估算下風向其他位置的輻射劑量率。這里可以做一些假設，巡測人員進行追蹤煙羽的巡測活動，并沿著煙羽軸線方向進行測量。

演習中監控員可以在巡測人員完成測量動作之后，給出事先估算的數據。如此一來，就可以讓巡測人員把可能真實的事故監測數據報給監測數據分析評價人員，從而真正意義上鍛煉輻射監測數據分析人員，同時也能考察巡測人員根據輻射劑量率水平采取防護措施等方面。

下面通過某核電站的BDBA事故來演示演習中輻射劑量率確定的方法。按照以上我們的分析，根據BDBA源項進行以下處理:

4.1 對源項進行處理，利用INTERAS[5]計算出某km處的劑量

源項輸入數據見表1，假設釋放高度為10 m，風速為3 m/s，風向為270°，穩定度為D類。利用INTERAS求得下風向2 km處的全身有效劑量為0.73 mSv，5 km處全身有效劑量為0.19 mSv。

4.2 假設為均勻釋放，求出某km處的輻射劑量率

根據INTERAS計算結果，并假設事故均勻釋放，求得2 km、5 km的輻射劑量率分別為: 0.73 mSv/h和0.19 mSv/h。

4.3 利用估算法和實際的氣象條件求出其他距離處的輻射劑量率

（1）利用公式，根據2 km的輻射劑量率值求得其他距離處的輻射劑量率值，如表2所示。

（2）利用公式，根據5 km的輻射劑量率值求得其他距離處的輻射劑量率值，如表3所示。

根據以上求得的不同距離處輻射劑量率值及曲線進行比較，可以發現估算值基本相同，曲線基本擬合。驗證了此估算方法與INTERAS中的復雜計算模型基本相符，是復雜計算模型的簡化，且更為方便快捷地使用。

4.4 把所有待測量地點的輻射劑量率列在監控單上，以便在演習時向演習人員提供

一般情況下，要求演習人員進行追蹤煙羽的應急輻射巡測工作，同時根據要求，3 km以內，每500 m測量一個點，3～5 km每1 km間隔進行測量，可以通過以上的方法事先估算出不同距離處的輻射劑量率，在演習人員完成測量動作之后，把相應的數據提交給他們，考察他們對數據的初步判斷與分析能力，同時考察數據分析人員根據數據提出應急狀態分級建議、估算輻射劑量率場、防護行動的建議等方面的能力。

表1 BDBA釋放源項Table 1 BDBA release source item

表2 根據2 km的輻射劑量率值求得的其他距離輻射劑量率值Table 2 Other radiation dose rates derived from the dose rate at 2 km position

表3 根據5 km的輻射劑量率值求得的其他距離輻射劑量率值Table 3 Other radiation dose rates derived from the dose rate at 5 km position

5 估算軟件的編制

為了便于使用上述公式，我們利用VC＋＋開發一個輻射劑量率估算軟件，能夠簡單地輸入基本要素并快速地估算出輻射劑量率或干預邊界。本文的有關計算均利用此軟件進行估算。

6 結束語

快速估算輻射劑量率場方法的建立與應用，給事故早期利用有限的數據推算出下風向輻射劑量率場進而決策防護行動提供了一種快速有效的手段；同時這種方法也可以應用在應急演習中，模擬輻射劑量率場分布情況，以便檢驗和提高輻射監測數據分析人員的應急能力。

[1] 張鵬飛，仲崇軍，茍全錄，等. 核電廠核事故應急情況下某些操作干預水平默認值[J]. 輻射防護，2005.25（5): 263.

[2] IAEA. Generic assessment procedures for determining protective actions during a reactor accident[R]. IAEA-TECDOC-955. 1997.

[3] 美國環保局. Manual of Protective Action for Nuclear Incident[R].

[4] 輻射防護導論[M]. 北京:原子能出版社.

[5] 國家環保總局核安全中心. InterRAS1.3中文版用戶使用手冊[R]，2000.

The method of rapidly determining radiation dose rate fi eld under nuclear accident emergency situation and its application

ZHONG Chong-jun，GOU Quan-lu，ZHANG Peng-fei，LI Bing
（Jiangsu Nuclear Power Corporation，Lianyungang of Jiangsu Prov.222042，China)

The paper presents and analyzes two methods （emergency radiological monitoring and accident consequence assessment) to determine dose rate field under the nuclear accident emergency situation and their deficiencies. According to estimated irradiation rate field，the calculation method of quick estimate of dose rate field is generated and its application in emergency and maneuver is analyzed.

nuclear accident；radiation； emergency；dose rate field

TL36

A

1674-1617（2009)04-0348-06

2009－02－05

仲崇軍（1979—），男，江蘇新沂，工程師，理學學士，原子核物理及核技術專業。