應急決策支持系統中核事故后果評價程序的設計與改進

劉 蘊，張立國，李 紅，曲靜原，童節娟

（清華大學 核能與新能源技術研究院 先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室，北京 100084）

在核電廠發生事故導致放射性物質釋放的情況下，應急指揮中心需依靠應急決策支持系統快速確定應急防護措施的決策，以避免或盡量減小公眾的受照劑量。應急決策支持系統主要分為兩部分：堆芯損傷評價與源項計算依據事故工況數據，對堆芯損傷進行定性與定量分析，得到放射性釋放源項的預測；事故后果評價依據釋放源項的時間序列，對核電廠周邊輻射劑量的時空分布進行預測，結合干預／行動水平給出合適的防護行動建議。由于事故情況下，公眾受照劑量時空分布和防護行動與氣象條件、地形、居民分布等因素相關且計算復雜，故需設計開發專門的事故后果評價應用程序進行計算。

早在1973年，美國就開始了核事故后果評價的研發計劃。其后，切爾諾貝利核事故的發生對核事故后果評價的研究與程序開發起到了不可忽視的推動作用［1-2］。目前，國際上最具影響力的應急決策支持系統包括美國的“大氣釋放咨詢能力”ARAC、歐共體的歐洲核應急決策支持系統RODOS與日本的SPEEDI／WSPEEDI，其中均包含核事故后實時的事故后果評價程序。

在我國，核應急決策支持系統的研究與開發被作為國家“九五”科技攻關項目，引進RODOS作為開發技術平臺，于2002年開發成功，稱為RODOS-C［3］。隨著計算機技術的不斷進步，直至目前，基于RODOS-C的核事故后果評價系統已經過了多次改進，被應用于環境保護部核與輻射安全中心與大亞灣、紅沿河等多個運行及在建核電站。

為了適應目前主流的計算機硬件架構與軟件開發規則，本工作對我國核應急決策支持系統進行重新設計、開發與改進。

1 系統功能設計與改進

事故后果評價程序的總體功能為：依靠氣象預報數據與預測的釋放源項時間序列，通過大氣擴散模型，分析估計未來一定時間段內核電廠周圍的放射性物質地面濃度場與劑量場，計算放射性核素所致的內、外照射劑量，提出隱蔽、撤離、避遷、永久再定居、碘防護、食品和飲用水控制等防護行動建議。上述功能的實現，由多個專項功能模塊共同完成，包括風場計算、大氣擴散和劑量、防護行動決策、食品行動決策與操作干預水平修訂。

1.1 風場計算模塊

風場計算模塊的功能是：由省氣象監測站獲取并處理得到的遠場／近場氣象預報數據，得到網格更精細的診斷風場，以供大氣擴散與劑量模塊使用。其中，風場診斷應用質量守恒風場模型（MCF），大氣穩定度的計算與地面粗糙度相關。風場計算模塊主要包括氣象數據預處理與風場調整兩個子模塊。其中，氣象預處理子模塊計算各氣象數據點相對釋放點的位置、各時間點大氣穩定度與風速廓線指數；風場調整子模塊則主要進行診斷風場的計算。

經過這一版本的修改，風場計算模塊的輸入為經過前期處理的遠場／近場氣象預報數據網格而非氣象站原始觀測數據，輸出規格一般可為60km×60km，網格間距0.25km，或160km×160km，網格間距1km，同時也給出均勻風場數據。

1.2 大氣擴散和劑量模塊

大氣擴散和劑量模塊采用RODOS 中的RIMPUFF 大 氣 擴 散 模 型［4-6］。RIMPUFF 由丹麥Ris?國家實驗室開發，其利用拉格朗日中尺度大氣彌散煙團模型計算氣載物質彌散產生的濃度和劑量。該模型的優點在于可應用于不平坦地形，且可很好地處理非均勻不穩定氣象條件。該模型通過順序釋放的一系列煙團來模擬連續釋放，在每一個時間步長中，依據局地氣象參數分析各煙團的平流傳輸、擴散和沉積，并計算由煙團和沉積核素各自引起的γ 輻射劑量，之后根據時間積分濃度的增量和由初始數據的時間差分歸一的劑量率來計算每個網格點的瞬時濃度和劑量。

大氣擴散和劑量以每個煙團中氣載放射性物質的量為輸入，可實時計算釋放到大氣中的放射性煙云造成的近地面空氣中核素的瞬時濃度與時間積分濃度，地面干、濕沉積濃度，煙云與地面的γ輻射劑量與劑量率，以及煙羽途徑、地面外照射途徑與吸入途徑對器官的潛在劑量。

大氣擴散和劑量模塊中考慮了與穩定度相關的擴散參數、煙羽抬升、逆溫層和地面反射以及干／濕（源）耗減等方面的計算。在復雜地形條件下，它采用煙團分裂方案來處理煙羽的分叉問題。

大氣擴散和劑量模塊中的網格數、輸出時間間隔與同時計算核素數目均完成了相應的擴展，提高了其適用范圍。目前，大氣擴散和劑量模塊可適應241×241的計算網格，完整輸出數據集的輸出時間間隔最短為600s，另外可選擇輸出30s間隔的煙云γ劑量率，待計算核素的最大數目則由15個擴展至64個。同時，優化了煙云γ劑量率計算中對出界煙團的處理，提高了計算的準確度。

1.3 防護行動決策模塊

RODOS中早期應急干預模塊EMERSIM的主要任務是確定需采取早期應急行動的區域，模擬這些行動并計算在采取措施和不采取措施情況下的個人劑量。防護行動決策模塊參考EMERSIM 的計算方法，根據大氣擴散和劑量模塊所提供的輸出時間間隔內各器官受煙云照射、地面外照射和吸入劑量，連同人口分布、居留因子和屏蔽因子數據，計算3種途徑下，未來一段時間后各器官的剩余、潛在與預期劑量，估算在可供選擇的防護行動下可防止劑量與代價（包括影響區域大小和人數等）。此處，居留因子為正常生活的居留因子，屏蔽因子為實施隱蔽時的屏蔽因子。根據以上計算結果，考慮各種防護行動的劑量干預水平，給出推薦的防護行動組合，為應急決策過程提供必要的支持信息。

經改進，防護行動決策模塊可適應大氣擴散和劑量模塊的計算網格。同時，在模塊中加入了對避遷與永久再定居這兩種防護行動，使原來的3種防護行動組合（隱蔽、撤離、碘防護）擴展為5種。此外，為了對防護行動決策進行補充，事故后果評價程序中還加入了食品行動決策模塊與操作干預水平修訂模塊。

1.4 食品行動決策模塊

食品行動決策模塊的主要功能是通過計算食品與飲用水中的放射性污染水平，考慮食品通用行動水平，給出食品與飲用水防護行動建議。其中，食品與飲用水中的放射性污染水平計算模型選自IAEA 安全叢書第57號，以大氣擴散和劑量模輸出的放射性核素地面沉積濃度為輸入，且需使用食品作物的放射性核素的截獲因子、易位因子與轉移系數等。

計算一般食品作物中放射性核素轉移時，考慮葉面沉積的核素轉移與根類吸收兩個途徑；計算飲用水污染水平時，考慮事故時放射性物質經干濕沉降到水庫整個控制流域面積上，并最終在水庫內均勻混合；計算放射性在牛奶中的轉移時，考慮事故時奶牛只食入新鮮飼料和飲用被放射性核素污染的水，不考慮干飼料的食入。其中，不同核素組的污染水平為每組各核素的污染水平之和。食品的通用行動水平依照GB 18871—2002附錄E中表E2所列［7］。

1.5 操作干預水平修訂模塊

操作干預水平修訂模塊的主要功能是對不同事故下的操作干預水平進行修正。修正方法來源于IAEA TECDOC 953［8］。OIL1和OIL2計算所需的數據包括：7天內可避免有效劑量、煙云外照射預期劑量（有效）、地面外照射7天預期劑量（有效）、吸入7天預期劑量（有效）、可避免甲狀腺劑量與吸入50 年預期劑量（甲狀腺）。這些數據均由防護行動決策模塊運行得到。OIL1和OIL2的計算如下：

其中：OIL1為撤離操作干預水平；GILe為國標規定的撤離干預水平，默認為50mSv；R1為有效劑量率對環境劑量率的比值；Te為煙云外照射時間；OIL2為碘防護操作干預水平；GILthy為國標規定的碘防護干預水平，默認為100 mSv；R2為甲狀腺劑量率對環境劑量率的比值。

2 系統總體邏輯結構設計

為了符合應急支持決策系統開發的B／S框架結構，事故后果評價程序的總體邏輯設計同樣使用B／S架構。如圖1所示邏輯結構圖，事故后果評價程序中，瀏覽器主要包括操作網頁，服務器則包括負責運算的業務層與運算相關的數據層。其中，業務層中進行模型計算與接口控制，數據層對數據庫與固定數據文件進行存儲與管理，另外數據庫還需為其他模塊提供數據支持。

改進后，業務層中風場計算、大氣擴散和劑量、防護行動決策、食品行動決策與操作干預水平修訂這5個模塊逐一連接，形成一個完整的評價模式鏈。在一次運算中，瀏覽器先將案例控制參數存入數據層并發送計算命令，之后業務層直接在服務器上開始計算，在計算過程中逐一由數據層獲取源項與系統數據，并讀取數據文件，計算結果保存至數據庫。需說明的是，輸出的結果數據只包含應急決策支持所需的數據，而各模塊間的數據傳遞均在內存中實現，省略了大量文件讀寫，顯著提高了運行效率。

使用B／S架構還可顯著改善程序運行限制與維護代價。基于瀏覽器的設計使任意有權訪問程序相關操作網頁的人員或設備均可啟動計算或修改參數，其訪問權限只受人員角色與網絡限制，與具體設備無關。數據庫中以二進制的形式只保存最終需輸出的計算結果，節約了數據存儲空間。由于業務層與數據庫只需安裝在服務器上，程序與數據維護無需涉及網絡中其他設備，降低了維護代價。

圖1 邏輯結構圖Fig.1 Logical structure diagram

3 程序接口設計

在經過改進的接口設計中，輸入接口由app.config數據庫配置文件統一管理。應用程序的配置文件是標準的XML 文件，可按需更改。開發人員可使用配置文件來更改設置，而不必重新編譯應用程序。該配置方式實現了對接口參數的統一管理，擺脫了傳統的文本配置方式。

此外，網格數、輸出時間間隔、計算核素數目等參數均作為程序計算的控制參數，可在主函數中進行配置，傳入計算模塊。對于整個事故后果評價程序，只要這些參數的輸入值在算法使用范圍內，均可計算輸出對應的正確結果。控制參數取值范圍列于表1。

表1 控制參數取值范圍Table 1 Ranges of control parameters

4 結論

為了適應目前主流的計算機配置與軟件設計思想，開發了新版應急決策支持系統并進行優化與改進。其中，在對事故后果評價程序的重新開發中，對功能、邏輯結構與接口設計均進行了改進。功能方面，在原來的基礎上添加了避遷、永久再定居以及食品及飲用水行動決策，并可對操作干預水平進行修訂。邏輯結構方面，采用了瀏覽器／服務器框架結構，顯著改善了程序運行限制與維護代價，同時改進了數據存儲方案，省略了大量文件讀寫，節約了數據存儲空間，顯著提高了運行效率。接口設計方面，實現了對接口參數的統一管理，并對程序計算的控制參數進行了擴展，擴大了程序的應用范圍。

新版應急決策支持系統將為我國核電廠事故應急提供更加完善的定量技術支持，在降低公眾受照劑量、實現輻射防護最優化方面有積極意義。

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［7］ 核工業標準化研究所.GB 18871—2002 電離輻射防護與輻射源安全基本標準［S］.北京：中國標準出版社，2002.

［8］ IAEA.Method for the development of emergency response preparedness for nuclear or radiological accidents，IAEA TECDOC 953［R］.Vienna：IAEA，1997.