核電廠場外防護行動操作干預水平的制定

徐瀟瀟 張建崗 孫洪超 莊大杰 孫樹堂

(中國輻射防護研究院， 太原， 030006)

0 引言

操作干預水平(OIL)是一種可實際操作的標準，在核事故應急期間可利用監測結果迅速實施對公眾防護行動。福島核事故之后，IAEA在《核或輻射應急的準備與響應》[1]中，要求使用操作干預水平作為核與輻射應急戰略的一部分。

1979年美國三哩島、1986年前蘇聯的切爾諾貝利和2011年日本福島核事故都表明，在應急響應時建立一套防護行動的準則是不可能的[2]，且操作干預水平也應在應急準備時期制定，因為一旦出現應急響應，根本內有時間設定操作干預水平值。因此對于核電廠的操作干預水平值需要預先制定。

1 基于操作干預水平的場外防護行動

切爾諾貝利核電廠和日本福島第一核電廠事故都表明，主控室操縱員能在燃料出現破損前推斷出燃料破損，但對于觸發場外行動的大多數嚴重釋放，操縱員無法預測它的釋放時間和規模[2]。因此，最有效的緊急防護行動的啟動是當一旦超出場外應急行動水平時，不應等待環境監測結果，核電廠立即通知場外組織啟動的響應行動。目前日本、美國等國家和IAEA，均是核電廠一旦發布場外應急，在放射性物質還未釋放到環境之前，公眾就要求執行防護行動(如：撤離，隱蔽等)。

對于切爾諾貝利核事故和福島核事故，除了釋放的位置、大小、開始和持續時間無法預測，放射性核素釋放的速率和組分也無法預測估算，只能根據釋放后環境的劑量率和其他環境數據來估算放射性核素釋放速率和組分。并且在事故發生后多年的時間內，不斷對事故釋放大小的估計值進行修正[3,4]。

根據切爾諾貝利和福島應急的經驗，嚴重核事故由于釋放的時間、方向和持續時間是不可預知的，當核電廠工況表明出現實際或預計的燃料破損時，就需要組織場外開展防護行動，IAEA、美國和日本的核事故場外防護行動具體如下。

1.1 IAEA

核電廠在嚴重事故大量放射性物質釋放前，核電廠至少有幾個小時或幾天是時間發出警告，這也為在放射性物質釋放前啟動防護行動提供時機。

福島事故后，IAEA要求一旦到達場外應急，在45 min后預防行動區(PAZ)公眾撤離至緊急防護行動區(UPZ)以外，緊急防護行動區公眾就地隱蔽直至撤離。當出現放射性物質釋放后，就采用操作干預水平指導防護行動。基于操作干預水平的防護行動時間步驟見圖1[2]。

1.2 日本

日本原子能監管委員會2013年發布的《原子能災害對策指南》[5]，要求核電廠一旦發布場外應急，盡管放射性物質還未釋放到環境，預防行動區公眾就要求撤離和服碘，緊急防護行動區公眾隱蔽(見圖2)。當有環境測量數據超過操作干預水平值時，緊急防護行動區再撤離或搬遷。這是由于福島事故當時要求核電廠20 km半徑范圍內公眾撤離，而撤離引起環境變化對公眾造成的壓力遠大于放射性風險[6～8]。

福島事故前，日本核電廠應急計劃區是8～10 km；福島事故后，核電廠的預防行動區是5 km，緊急防護行動區是30 km。

1.3 美國

美國核電廠防護行動主要依據防護行動導則(PAG)手冊，在2017年PAG手冊中將核電廠周圍劃分了的4個區域(見圖3)，分別是：煙羽沉積區(區域1)；撤離區(區域2)；隱蔽區(區域3)；避遷區(區域4)。

2017版PAG手冊要求在核電廠一旦發布場外應急，在放射性物質還未釋放到環境之前，區域2的公眾就要求撤離，區域3的公眾進行隱蔽。如果證實區域2和區域3是在區域1以外，那么已經撤離和隱蔽的公眾可以回家。

在應急中期，區域1中除了區域4的其他污染區域，公眾還在繼續居住。不過，這些污染區域依然要求繼續進行環境監測和執行劑量降低的措施。

圖1 IAEA場外應急人員基于操作干預水平防護行動的時間步驟

圖2 日本場外應急人員基于操作干預水平防護行動的時間步驟

圖3 美國核電廠應急防護行動區域圖

由于美國自1992年以來，依據PAG手冊指導防護行動。并且采用導出響應水平(DRL)來判斷防護行動。導出響應水平即是：PAG預期劑量的可測量的量。

1.4 英國

英國采用的公眾防護行動原則與IAEA-EPR-NPP報告中提出的原則不同。英國公眾防護行動指導依據被稱為應急參考水平(ERLs)[9]。英國應急參考水平見表2。根據防護行動對公眾有利和不利因素的考慮，ERLs使用了上下限值。低于ERL的情況，不建議采取行動；高于ERL，建議采取行動。這主是考慮了防護行動帶來的風險和社會秩序中斷可能超過收益。

目前，英國正在對應急參考水平進行審查，但是對應急參考水平的改變的可能性很小。而操作干預水平由于具有直接測量的優點，英國目前也對其特別關注，但英國認為OIL在很大程度上依賴于假設，同時需要大量準確的劑量測量，并且操作干預水平僅包括單一的價值觀。在未來應急管理計劃中英國可能會同時使用ERL和操作干預水平，ERLs在早期階段(該階段準確的劑量測量收到限制)使用，后期使用操作干預水平。

1.5 綜述

IAEA、美國和日本要求核電廠一旦發布場外應急，在放射性物質還未釋放到環境之前，就需要開展防護行動。其中，IAEA和日本提出核電廠的場外組織就需要立即在各個方向執行緊急防護行動，而美國的防護區域還是使用下風向進行劃分。IAEA、美國和日本指導防護行動使用的是環境劑量率等可測量的數據，英國指導防護行動使用的器官或組織劑量等需要計算的值。

2 操作干預水平的默認值

操作干預水平默認值是需要實施防護行動(如：撤離、避遷和食品限制)的測量量的特定值。考慮到應急條件下，信息和數據的有限可用性和可靠性，操作干預水平默認值需要在應急準備階段加以制定，以便在應急早期及時作出防護行動的決定。

2.1 IAEA

操作干預水平至今已有4個版本，分別出自IAEA-TECDOC-955[10]、IAEA-GSG-2[11]、IAEA-EPR-NPP (2013)[2]、IAEA EPR-NPP-OIL (2017)[12]報告。

目前在IAEA EPR-NPP-OIL報告中，在應急條件下，IAEA使用周圍劑量當量率作為在地面上(OIL1γ、OIL2γ和OIL3γ)、在皮膚上(OIL4γ)以及在甲狀腺中(OIL8)所存在放射性物質量的有效指標，而無需測量β或α輻射。雖然使用γ劑量率優于β計數率，但是IAEA考慮到所有成員國，還是提供了用于皮膚監測的(OIL4β)。操作干預水平的默認值列于表3。

對于食品、牛奶和飲用水限制的防護行動的OIL7，IAEA使用了標志性核素131I和137Cs的活度濃度作為限值，它們代表預期存在的所有其他放射性核素。同時標志性放射性核素易于識別，還避免了既昂貴又費時的同位素分析。

OIL5是食品、牛奶和飲用水中總α和總β活度濃度，OIL6是食品、牛奶和飲用水中各種放射性核素的活度濃度，OIL5和OIL6默認值參見IAEA-GSG-2。IAEA認為在應急條件下，時間和資源非常有限，使用OIL7比使用OIL5和OIL6更理想。但一旦有足夠的資源和時間且認為必要，可以使用OIL5和OIL6默認值。OIL5和OIL6默認值適用于任何類型的核或輻射應急情況，并且OIL5和OIL6默認值比OIL7更保守。

2.2 日本

福島第一核電站嚴重事故，導致了大量放射性物質釋放。當時有超過15萬人撤離，且比較混亂。因此，從確保公眾生命和身體安全的角度出發，確保采取防護行動是盡量減少輻射對核設施周邊居民和其他人的影響，日本為此建立了《原子能災害對策指南》[5]，并建立了應急行動水平(EAL)和操作干預水平。

該操作干預水平是基于IAEA“安全標準叢書”GSG-2[11]制定的，規定了緊急防護措施OIL1和OIL2的值，早期防護措施OIL4的值以及對食品和水限制措施OIL6的值(見表4)。

通過與IAEA 2017年報告[12]中操作干預水平的值進行比較，可以看出日本制定的操作干預水平，除了食品的限值以外，其他的操作干預水平值較IAEA的更加保守。

表3 IAEA 2017年報告中操作干預水平默認值

表4 日本政府規定的公眾防護行動的操作干預水平值

3 操作干預水平制定

3.1 代表人、照射情景和照射途徑

根據ICRP 101、103號報告的建議，EPR-NPP-OIL報告中操作干預水平計算主要基于“代表人”和胎兒的預期劑量。“代表人”并不代表特定年齡組的任何具體人，它是一個通過將導致公眾成員合理預期受到的最高劑量(有效劑量或器官劑量)的劑量學因素和情景因素(例如呼吸率和食入率)結合起來定義的理論上的構成體。

將ICRP不同年齡組參考人的內照射和外照射的劑量模型與相關照射情景結合起來，提供了特定途徑的最高劑量估計值。根據照射特征的類型，例如有效劑量或器官劑量，必須將不同的劑量模型集合起來，以評價代表人的受照情況。所考慮的照射途徑代表人的劑量學特性如表5所列。操作干預水平計算所用的情景描述見表6。

3.2 OIL1、OIL2的計算方法

EPR-NPP-OIL報告中OIL1和OIL2是指反應堆停堆t時間后，地面上方1 m處測量的周圍環境劑量當量率。

表5 對于所考慮的照射途徑代表人的劑量學特性

表6 操作干預水平計算中考慮的照射情景的描述

基于地面γ劑量率的操作干預水平(OIL1、OIL2)OILxγ值的計算公式：

(1)

DAOILx(t,mix)=

min〔AOILx,E(t,mix)，AOILx,Hfetus(t,mix)〕

(2)

式中，AOILx,E(t,mix)為基于t時間參考人有效劑量的地面沉積濃度，Bq/m2；AOILx,Hfetus(t,mix)為基于t時間胎兒當量劑量的地面沉積濃度，Bq/m2。

3.3 操作干預水平計算所用放射性核素

根據OIL1和OIL2計算公式可知，操作干預水平值主要與事故釋放到環境的放射性核素有關。在EPR-NPP-OIL報告中參加操作干預水平計算核素主要考慮其會對場外健康效應的顯著影響。操作干預水平計算所用的核素沒有包括惰性氣體和短壽命核素，主要因為EPR-NPP-OIL報告中考慮情景是照射從放射性物質的沉積(在地面或皮膚上)開始，操作干預水平計算不考慮煙羽(外照和吸入)的貢獻，因此操作干預水平計算沒有包括惰性氣體；其次是IAEA認為在反應堆停堆30 min內不會發生公眾照射，所以不用考慮短壽命放射性核素。所以EPR-NPP-OIL報告里輕水反應堆操作干預水平計算使用了包括：Sr、Zr、Ru、Te、I、Cs、Ce、Pu、Am、Cm等38種核素。

3.4 放射性核素對操作干預水平計算影響

3.4.1OIL1

IAEA采用了包括福島核事故、切爾諾貝利核事故等19種事故源項進行OIL1計算，得到OIL1值隨時間變化的曲線見圖4。由圖4可見，19類事故停堆后所有時間的OIL1值基本都高于IAEA的OIL1默認值(1000 μSv/h)。

對我國秦山一廠等5個壓水堆核電機組10類事故源項(PWR1～PWR7和S1～S3)進行OIL1計算，OIL1值隨時間的變化如圖5～圖9所示。

由圖5～圖9可見：秦山一廠、方家山核電、福清核電、昌江核電等4個機組10類事故停堆后所有時間的OIL1值基本都高于IAEA的OIL1默認值；秦山二廠10類事故停堆30 d后的OIL1值比IAEA的默認值低。

將秦山二廠的堆芯存積量與秦山一廠比較，37種核素(OIL1計算需38種核素)的相對活度與秦山一廠基本一致，僅238Pu的相對活度高2個量級；將秦山二廠的堆芯存積量與昌江核電比較，昌江核電最終安全分析報告中堆芯存積量的相對活度是秦山二廠的2倍，但昌江核電缺238Pu(昌江核電最終安全分析報告中堆芯存積量給出了21種核素)。

通過堆芯存積量對OIL1值的影響分析發現：

(1)OIL1計算所需的38個核素，同時對38個核素擴大或減小相同的倍數(核素的相對活度不變)，對OIL1隨時間變化的曲線沒有影響；

(2) 如果堆芯存積量中238Pu的相對活度大于10-3，那么會使OIL1隨時間變化的曲線在約30 d后小于IAEA的OIL1默認值。

3.4.2OIL2

IAEA采用19種事故源項進行OIL2計算，得到OIL2值隨時間變化的曲線見圖10。由圖10可見，19類事故停堆后所有時間的OIL2值基本都高于IAEA的OIL2默認值(100 μSv/h)。

對我國秦山一廠等5個壓水堆核電機組10類事故源項(PWR1～PWR7和S1～S3)進行OIL2值計算，OIL2值隨時間變化的曲線和OIL2默認值見圖11～圖15。

由圖11～圖15可見：秦山一廠、福清核電、昌江核電、秦山二廠等4個機組10類事故停堆后所有時間的OIL2值基本都高于IAEA的OIL2默認值；方家山核電8類事故(PWR1、PWR2、PWR3、PWR6、PWR7、S1、S2、S3)停堆后10 d內的OIL2值低于IAEA的默認值。

將方家山核電的堆芯存積量與福清核電比較，方家山核電的堆芯存積量與福清核電基本一致，但方家山核電缺少關鍵核素132Te的數據，導致OIL2值比IAEA的默認值低。

圖4 IAEA 19類事故中OIL1隨時間的變化

圖5 秦山一期核電10類事故中OIL1隨時間的變化

圖6 福清核電10類事故中OIL1隨時間的變化

圖7 方家山核電10類事故中OIL1隨時間的變化

圖8 昌江核電10類事故中OIL1隨時間的變化

圖9 秦山二期核電10類事故中OIL1隨時間的變化

圖10 IAEA 19類事故中OIL2隨時間的變化

圖11 秦山一期核電10類事故中OIL2隨時間的變化

圖12 福清核電10類事故中OIL2隨時間的變化

圖13 方家山核電10類事故中OIL2隨時間的變化

圖14 昌江核電10類事故中OIL2隨時間的變化

圖15 秦山二期核電10類事故中OIL2隨時間的變化

4 小結

福島核事故后，IAEA要求核電廠一旦發布場外應急，預防行動區公眾就要求撤離和服碘，而當有環境測量數據時，再通過基于操作干預水平擴大撤離的范圍。目前IAEA、日本、美國等國家，均是核電廠一旦發布場外應急，在放射性物質還未釋放到環境之前，公眾就要求執行防護行動(如撤離、隱蔽等)。同時IAEA和日本防護行動是一定范圍內各個方向執行，而美國的防護區域還是使用下方向進行劃分。

同樣福島核事故后，IAEA在出版的安全標準中明確要求在核與輻射應急中使用操作干預水平。日本已經基于IAEA “安全標準叢書”GSG-2制定并發布了核事故下公眾防護行動的操作干預水平值，來指導場外公眾防護行動。

目前我國核電廠操作干預水平還是依據福島事故前發布的IAEA-TECDOC-955技術文件[11]。但是在操作干預水平的實際使用上暴露了許多問題。比如IAEA-TECDOC-955要求早期行動OIL需要測量煙羽中的劑量率或空氣中核素活度濃度，但是在許多情況下，嚴重釋放的時間長度將超過環境監測的時間，監測時煙羽的釋放并未結束，這就造成了數據的不準確，并且空氣樣品中的核素活度濃度分析時間很長，不能及時得到結果。為了完善嚴重事故條件下對公眾防護行動，建議采用IAEA EPR-NPP-OIL方法制定操作干預水平值，制定時需要考慮核電廠事故源項、照射情景、代表人、劑量轉換因子以及使用的參考水平，并且在使用EPR-NPP-OIL方法制定操作干預水平OIL1和OIL2初始值時，要根據IAEA所考慮的38種放射性核素，提供堆芯裂變產物積存量數據。