后處理廠應急操作干預水平分析與計算

徐瀟瀟， 張建崗， 王學新， 李國強， 孫洪超， 莊大杰

(中國輻射防護研究院， 山西 太原，030006)

0 引言

操作干預水平是核事故情況下以環境監測數據為基礎實施響應行動的準則，可利用監測結果迅速比對確定人員的防護行動，因此在福島核事故之后，國際原子能機構(IAEA)出版的“安全標準叢書”第GSR Part 7號《核或輻射應急的準備與響應》[1]中，明確要求使用操作干預水平作為核與輻射應急戰略的依據之一。

我國已建成后處理中試廠，后處理示范工程已批準建設，之后還將建造大型商用后處理廠。2016年6月環保部發布了《民用核燃料循環設施分類原則和基本要求(試行)》，把后處理設施歸為一類設施，即高度風險，具有顯著的潛在廠外輻射后果。因此后處理廠的應急響應需要考慮公眾防護行動。

我國核電廠已經使用操作干預水平，用于核事故情況下人員的防護行動的指導。而乏燃料后處理設施在事故類型、釋放方式、持續時間以及釋放的放射性物質以及廠址環境(主要影響的是再懸浮因子)與核電廠有所不同，本文針對后處理廠的特點，開展事故條件下操作干預水平的分析與計算。

1 后處理廠操作干預水平制定的特點

我國還未見文獻有針對后處理廠事故進行操作干預水平的分析計算，盡管國內核電廠都制定事故下操作干預水平值，但后處理廠不能參考使用，主要的問題是：

(1) 事故類型和情景不同。

后處理核設施與反應堆核設施相比，不涉及反應堆等高溫高壓工藝過程，新燃料的放射性和衰變熱相對較小，但是后處理廠處理對象涉及易裂變材料、裂變產物、易燃有機溶劑和有毒物質，核安全和化學安全問題并存與整個后處理過程中。目前世界上大型后處理廠差不多采用PUREX流程，在該濕法工藝過程中涉及大量化學反應，有些反應還會產生氣體和熱量，對后處理廠安全運行造成影響。

后處理廠是將核電廠產生的乏燃料剪切并進行化學處理，放射性物質隨著化工工藝的流程分布在工藝系統及產品、廢物之中，產生的廢物集中了乏燃料99%以上的放射性物質；而在核電廠，99%以上的放射性物質被包容在反應堆內的堆芯燃料組件內。

從已發生的事故來看，核電廠已發生的嚴重核事故有1979年的美國三哩島核事故、1986年的前蘇聯切爾諾貝利核事故和2011年的日本福島核事故；后處理廠的嚴重事故有1957年前蘇聯南烏拉爾高放大罐爆炸事故和1999年日本東海村后處理廠臨界事故。

按照國際核事件分級，切爾諾貝利核事故和福島核事故為7級，三哩島核事故為5級，南烏拉爾高放大罐爆炸事故為6級。

核電廠嚴重事故主要是堆芯熔化，安全殼損壞，放射性物質大量釋放到環境中，產生的煙羽會持續時間由數天至數十天；后處理廠嚴重事故主要是火災、爆炸，火災或爆炸后放射性物質釋放的持續時間一般數小時至數天。

(2) 釋放源項不同。

壓水堆核電廠通常在較高的溫度、壓力和大流量下運行，在運行異常時則會產生反應性瞬變，在反應堆運行時會產生大量的裂變產物；在后處理廠中，所處理的乏燃料元件已放置了很長時間，裂變產物已經過較長時間的衰變，短壽命核素含量較少。

并且，由于后處理廠嚴重事故釋放到環境的主要放射性核素主要是α和β衰變鏈，這樣應急情況下公眾受照劑量主要是來源于內照射，而核電廠嚴重事故應急情況下公眾受照劑量有很大部分是來源外照射。

(3) 廠址環境。

目前我國核電廠主要分布在沿海地區，后處理廠主要在內陸戈壁地區。核電廠與后處理廠不同的環境，導致影響公眾外照劑量的懸浮因子有量級上的差別(見表1)。

(4) 人口的差異。

我國核電廠位于經濟比較發達的沿海地區(以福清核電廠為例，廠址半徑5 km范圍涉及6個行政村，共有人口達到了1 萬多人)；后處理廠目前主要在內陸、經濟不發達的地區，廠區外居民點很少。

(5) 由于后處理廠在事故類型、事故情景、釋放源項、廠址環境和人口上都與核電廠存在較大的差異。因此后處理廠操作干預水平制定時需要考慮后處理廠的特點。

表1 不同環境條件下的再懸浮因子[2]

2 后處理廠操作干預水平的計算方法

目前我國核電廠操作干預水平計算方法主要來自IAEA-TECDOC-955技術文件，IAEA最新的操作干預水平技術文件是2017年出版的《Operational Intervention Levels for Reactor Emergencies》(IAEA EPR-NPP-OIL)報告[2]。

IAEA-TECDOC-955技術文件與IAEA EPR-NPP-OIL報告，在操作干預水平制定使用的劑量準則、監測對象、監測類別、防護行動限值、計算方法等方面有所區別。

IAEA EPR-NPP-OIL報告提供的操作干預水平的默認值，是依據IAEA 《輻射防護與輻射源安全：國際基本安全標準》(IAEA GSR 3)中為減少隨機效應風險的防護行動和其它響應行動的通用準則導出的，目前國家職業衛生標準《核或輻射應急準備與響應通用準則》中采用的為減少隨機性效應風險的隨機性效應閾劑量與IAEA GSR 3中通用準則一致。

IAEA-TECDOC-955技術文件報告提供的操作干預水平的默認值，是依據IAEA《國際電離輻射防護和輻射源安全基本標準》(BSS 115)中應急照射情況下通用優化干預水平導出的，我國現行的國家標準《電離輻射防護和輻射源安全基本標準》(GB 18871—2002)[3]是以BSS 115為基礎修訂的，其中，對于應急照射下劑量控制的基本要求與BSS 115一致。

2.1 IAEA-TECDOC-955的方法

IAEA-TECDOC-955中導出操作干預水平的準則與GB 18871—2002附錄E中E2應急照射情況下的通用優化干預水平和行動水平[3]一致，其中緊急防護行動(隱蔽、撤離)使用的通用優化干預水平是10 mSv，考慮的是在核事故情況下，公眾采取隱蔽、撤離的防護行動可避免10 mSv的劑量。

本文對后處理廠使用可避免劑量10 mSv作為隱蔽、撤離的防護行動準則，并采用式(1)計算了俄羅斯Tomsk“紅油”爆炸事故和某后處理廠蒸發器紅油爆炸事故條件下的操作干預水平OIL1(撤離行動)的值，得到OIL1計算結果的數值很小，在常用γ劑量率儀的探測限以下。主要是原因是由于后處理廠嚴重事故釋放到環境中的放射性核素主要是α和β衰變鏈核素，應急情況下公眾有效劑量主要是來源于內照射，使得式(1)中外照射劑量與有效劑量比值很小。

(1)

式中，OIL1為撤離操作干預水平值，mSv/h；GILe為撤離的通用干預水平(見GB 18871附錄B)；R1為有效劑量(包括外照和內照所致劑量)與外照射(包括煙羽外照射和地面外照射)劑量之比；Te為預期受煙羽照射時間，h。

并且對于核電廠來說，宣布場外應急到大量放射性物質釋放至少有數小時或數天的時間，這也為在放射性物質釋放前啟動防護行動提供時機，這樣核電廠執行撤離等防護行動的可避免劑量可達到最大。而對于后處理廠操作干預水平來說，如果發生有大量放射性物質釋放的事故(如高放廢液蒸發器爆炸)，發布場外應急時，放射性物質已經就開始釋放到環境中。這樣后處理廠的公眾執行撤離等防護行動的可避免劑量實際就很小。若操作干預水平采用可避免劑量在實際操作和計算中不確定性較高，且無法考慮多重防護行動的疊加；同時，與預期劑量相比，可避免劑量不便計算，也不利于緊急情況下和早期行動中的決策。因此，對于后處理廠可以考慮使用IAEA EPR-NPP-OIL中使用預期劑量導出操作干預水平的方法。

2.2 IAEA EPR-NPP-OIL的方法

IAEA EPR-NPP-OIL采用的操作干預水平計算方法，是依據IAEA GSR 3中為減少隨機效應風險的防護行動和其它響應行動的通用準則導出的。應急照射情況下，GSR 3提供了一套與20～100 mSv范圍的參考水平(用剩余劑量表示)相一致的在防護策略中采用的一套準則(用預期劑量和已接受劑量表示)，用作應急情況下為減少隨機效應風險采取的具體防護行動和其他響應行動通用準則(見表2)。

針對減少隨機效應風險，GSR 3用預期劑量取代了可避免劑量。GSR 3以預期劑量與通用準則進行比較，這是通過實際使用過程中改進的結果。我國近幾年的實際工作中，也已用預期劑量取代了可避免劑量。

表2 操作干預水平的計算準則

2.2.1OIL1

操作干預水平OIL1(撤離行動)考慮地面照射情景和煙羽照射情景，后處理廠的OIL1值取兩個情景計算得到較保守的值。

(1) 地面照射情景

撤離行動的操作干預水平OIL1(地面照射情景)由式(2)計算：

WFOIL1×DAOIL1(t)

(2)

(2) 煙羽照射情景

撤離行動的操作干預水平OIL1(煙羽照射情景)由式(3)計算：

WFOIL1×DAOIL1(t)

(3)

(4)

式中，eair-sh,i(adult)為放射性核素i的每單位體積活度給成人造成的外部有效劑量率，(Sv/s)·(Bq/m2)-1；SFe→H*是將有效劑量率轉化為周圍劑量當量率的換算系數(對所關注的光子能量)，無量綱，取1.4。

(3) 操作干預水平OIL1(撤離行動)考慮地面照射情景和煙羽照射情景下分別的計算值中的最小值。

2.2.2OIL2

避遷行動的操作干預水平OIL2由式(5)計算：

WFOIL2×DAOIL2(t)

(5)

式中，WFOIL2為權重因子，用于避免按OIL2實施不正當的響應行動，取值為1；DAOIL2(t)為t時刻的釋放產物地面沉積濃度，Bq/m2；其它量同前。

2.2.3OIL3

早期食品限制行動的操作干預水平OIL3由式(6)計算：

WFOIL3×DAOIL3(t)

(6)

式中，WFOIL3為權重因子，用于避免按OIL3實施不正當的響應行動，取值為5；DAOIL3(t)為t時刻的釋放產物地面沉積濃度，Bq/m2；其它量同前。

3 后處理廠操作干預水平計算分析

IAEA EPR-NPP-OIL報告中的操作干預水平計算方法，放射性核素釋放量是計算的唯一輸入，因此放射性核素釋放量直接影響操作干預水平計算，本文以EPR-NPP-OIL報告中所給的38種核素進行分析，得到其中134I對OIL1和OIL2影響最大，86Rb對OIL1和OIL2影響最小。分析如下：

(1) 假設核素的釋放份額一致。將EPR-NPP-OIL報告中所給的38種核素的釋放份額取一致，計算出OIL1、OIL2的值作為標準值。將釋放份額同時擴大或減小同樣的倍數，計算出的OIL1、OIL2值不發生變化。

(2) 將38種核素的釋放份額擴大1 000倍，分別計算OIL1、OIL2，將38種核素OIL1、OIL2值與標準值比較，得到38種核素對OIL1、OIL2影響的重要性排序列于表3。

表3 核素對操作干預水平值影響的重要性排序

由于后處理廠事故釋放到環境中放射性核素的種類和釋放量難以獲得，本文以俄羅斯Tomsk“紅油”爆炸事故環境釋放源項[4]為例，計算操作干預水平(OIL1，OIL2，OIL3)，結果列于表4。

表4 后處理廠操作干預水平計算結果

4 小結

本文根據后處理廠操作干預水平制定的特點，以俄羅斯Tomsk“紅油”爆炸事故源項為例，分別采用以可避免劑量和預期劑量導出操作干預水平的兩種方法，計算后處理廠操作干預水平。

計算結果顯示，采用可避免劑量作為隱蔽、撤離的防護行動準則，計算得到后處理廠嚴重事故操作干預水平OIL1計算結果數值很小，在常用γ劑量率儀的探測限以下。使用可避免劑量導出操作干預水平的計算方法時，考慮到放射性核素釋放量是計算的唯一輸入，給出了核素對操作干預水平值影響的重要性排序，并得到了操作干預水平OIL1、OIL2和OIL3的值，可以為后處理廠場外公眾防護行動提供指導，完善后處理廠應急準備和管理。