寧德核電廠周圍環境空氣中14C的監測與評價

林明貴

(福建省輻射環境監督站，福州 350013)

14C是核電廠運行時向環境排放的主要放射性核素，其半衰期較長(5 730 a)。其排放途徑主要是氣態流出物，經排放后進入環境，并在環境中遷移擴散。由于C是組成生物組織的主要元素，進入環境中的14C，最終可能通過各種途徑進入人體，對公眾造成輻射影響[1]。核電廠的輻射環境影響評價表明，14C常成為核電廠排放流出物環境輻射影響的關鍵核素[2]。以寧德核電廠為例，核電廠4臺CPR1000核電機組正常運行對關鍵居民組造成的輻射劑量中，14C的貢獻比例為21.14%[3]。國家標準《核動力廠環境輻射防護規定》(GB 6249—2011)規定了核電廠流出物中14C的排放限值[4]，因而需要開展相應的排放控制管理；開展核電廠周圍環境空氣中14C的監測，是核電廠輻射環境監督性監測的重要內容。國內外核電廠的輻射環境監測研究表明，14C是除3H外在環境中最有可能檢出來自核電廠排放影響的核素之一[5-8]。

寧德核電廠目前運行有4臺CPR1000壓水堆核電機組，其首臺機組于2013年4月15日投入商運，至2021年，核電廠4臺機組已有30堆年的運行經驗。按照輻射環境監督管理的要求，2013年開始，福建省輻射環境監督站對寧德核電廠開展了監督性監測，至2021年，積累了9年的輻射環境監測數據。本文根據多年來寧德核電廠周圍環境空氣中14C的監測結果，分析寧德核電廠排放可能的影響，評價其變化趨勢和規律，可為國內同行開展相應監測與評價提供參考經驗。

1 分析方法

1.1 環境特征及監測點位

寧德核電廠位于福建省福鼎市太姥山鎮，廠址東臨東海，南側和北側分別為文渡灣和晴川灣，西北側為低山丘陵地形的備灣山。廠址區域屬中亞熱帶季風濕潤氣候，季風特征明顯。廠址80 m高處多年平均盛行風向為N，風頻19.7%，靜風頻率3.7%。

寧德核電廠監督性監測系統設有3個環境空氣中14C采樣點位，即小筼筜、漁井和牛郎崗。監測點位圖及其方位和距離的信息如圖1所示。其中牛郎崗的監測點位最近，距離廠址僅1.7 km。此外，在福州市設一個對照點，位于廠址SW方位約137 km處。

圖1 監測點位示意圖

1.2 采樣監測方案與方法

空氣中14C的分析采用《空氣中14C的取樣與測定方法》(EJ/T 1008—96)規定的方法[9]。分析的頻次為每月1次。

采用法國SDEC公司生產的空氣中14C采樣器進行采樣。采樣器流量范圍為10～55 L/h，對空氣中CO2和CH4的捕集效率分別大于85%和90%[10]。捕集液為2 mol/L的NaOH溶液，生成的NaCO3樣品在實驗室加入6 mol/L的CaCl2溶液形成CaCO3沉淀。沉淀經過濾后，轉移至20 mL的低鉀玻璃瓶(計數瓶)中，然后加入14 mL閃爍液和4 mL本底水，經充分混合和暗置后在Quantulus 1220型超低本底液閃譜儀上進行14C的計數。閃爍液采用357.1 mL甲苯、2.5 g PPO(2,5-二苯基噁唑)、0.225 g POPOP(1,4[5-苯基-2-噁唑基]苯和142.9 mL Triton-X100(聚乙二醇辛基苯基醚)制成。

1.3 質量保證

14C樣品的分析遵循輻射環境監測質量保證的相關標準要求。對超低本底液閃譜儀，定期委托計量機構對儀器進行校準，并使用標準試樣對儀器進行刻度，定期采用儀器自帶的無猝滅檢驗源開展探測效率測量，發現異常時及時查找原因。同時，針對譜儀開展長期穩定性和泊松分布檢驗，并繪制長期穩定性參數(包括本底、效率)的質控圖，發現問題及時分析并糾正。此外，根據實驗室質量管理體系的要求，對每批次樣品取一定比例進行平行樣分析和加標樣分析，同時定期參加14C分析的實驗室間比對。實驗室在長期的運行過程中均實施上述質量保證措施，保證了本文中實驗結果的可靠性。

2 監測結果分析

2.1 歷年來監測數據的統計分析

(1)結果統計及與其他核電基地的對比

圖2給出了2013—2021年間各點位的監測結果，表1列出了其統計結果。分析結果表明，廠址周圍各點位的監測結果處于相近的水平，平均值結果范圍為0.229～0.230 Bq/g(碳)，福州對照點結果平均值為0.225 Bq/g(碳)，廠址周圍監測點的結果稍大。

表1 2013—2021年環境空氣中14C的監測結果及本底調查水平

圖2 歷年來空氣中14C監測結果

孫勛杰等人[5]報道了大亞灣核電基地周圍環境空氣中14C的結果(2016年)。結果表明，大亞灣核電基地周圍空氣環境中14C的比活度范圍為0.23～0.28 Bq/g(碳)，并且呈現距離廠址越近、監測結果越高的特點(最大附加水平約22%)。在距離廠址約7 km時，即降到環境本底水平[0.23 Bq/g(碳)]。寧德核電廠周圍環境空氣中14C的比活度與大亞灣核電基地外圍本底0.23 Bq/g(碳)的水平相近，分析原因，可能與各廠址位置及環境條件、液閃譜儀分析結果的統計漲落等因素有關。

黃仁杰等人[6]報道了秦山核電基地周圍環境空氣中14C的結果(2002—2009年)，結果表明，廠址周圍環境空氣中14C的活度濃度范圍為38.3～55.4 mBq/m3，并且廠址近處點位的結果要比對照點略高。調查時段環境空氣中CO2的體積濃度約380 ppm(大氣中CO2濃度逐年升高，取2017年值)[11]，換算為空氣中含碳量約為0.22 g/m3，則秦山核電基地周圍環境空氣中14C的比活度范圍約為0.188～0.272 Bq/g(碳)。整體上，寧德核電廠歷年來的監測結果均處于秦山核電基地的監測結果范圍內。注意到壓水堆核電廠排放的14C主要是14CH4[1]，而該文報道的采樣方法僅采集空氣中CO2。盡管其進入環境中將通過各種途徑轉化為14CO2，但考慮到轉化可能是一個非常緩慢的過程，預計采樣方法的選擇對監測結果帶來影響。

Varga等人[7]研究了匈牙利Paks核電廠(運行4臺VVER壓水堆核電機組)周圍環境空氣中14C的分布及影響(2015—2016年)。研究表明，位于廠址2 km范圍以內的9個監測點位，14CO2形態的14C附加水平(即監測結果與對照點之差)平均為3.8‰，最大值為91.2‰,而其他14CO2+14CnHm形態的14C附加水平平均為31.1‰，表明應加強14CnHm形態的14C的監測。

法國輻射防護與核安全研究所(IRSN)報道了法國境內核電廠周圍環境介質中14C的結果統計[8]。分析表明，核電廠正常運行長期釋放條件下廠址周圍14C比活度可能在1994—2003年本底水平[0.243 Bq/g(碳)]的基礎上增加0.003 Bq/g(碳)，約1%。

上述對比分析表明，14C是壓水堆排放到環境中量較大的核素之一，通過液閃測量技術在廠址周圍環境空氣均能檢出，但附加水平較低，一般在百分之幾的水平，具體與反應堆類型及運行年限、14C的排放水平、廠址環境條件、監測點位與反應堆的距離等有關。

(2)與對照點監測結果的對比分析

前述分析表明，寧德核電廠周圍三個點位的監測結果與對照點相比有微弱的差異，如考慮以對照點監測數據作為參考，預計小筼筜、漁井、牛郎崗監測點的結果分別比對照點高出0.004 Bq/g(碳)、0.005 Bq/g(碳)和0.005 Bq/g(碳)(相應于核電廠排放影響的附加值)，約高出2%，與上述國內外報道的結果相符[5-6,8]。然而，考慮各點位所有監測結果統計漲落較大，三個點位附加值的不確定度分別為507%、398%和499%，這表明上述估算的附加比活度水平具有極大的不確定性，需進一步采用一致性檢驗方法進行分析。

對各點位的長時間序列數據采用正態分布檢驗，結果表明，在顯著性水平p=0.05條件下，小筼筜、光漁監測點的結果不滿足正態分布(p值分別為0.006和0.03)，而牛郎崗和福州監測點的結果滿足正態分布(p值分別為0.056和0.074)。考慮廠址周圍監測點與對照點監測結果作為兩組配對的非正態分布連續變量，采用配對Wilcoxon符號秩檢驗進行一致性分析，小筼筜、漁井和牛郎崗監測結果與福州對照點的監測結果一致，因此，從統計學角度看，廠址周圍監測結果與對照點的監測結果不存在統計學上的顯著性差異。

2.2 與運行前本底調查結果的對比

寧德核電廠運行前的輻射本底調查于2009年6月至2011年6月開展。環境空氣中14C的監測點與監督性監測的點位基本相同(牛郎崗、漁井、小筼筜、福州)，頻次亦為每月1次。本底調查結果的統計列于表1。采用單樣品Wilcoxon符號秩檢驗進行一致性分析，結果表明，在p=0.05的水平，各點位2013—2021年間的監測結果比運行前本底調查結果顯著偏高。

運行前本底調查中，14C的采樣僅采集空氣中的CO2，而監督性監測中采用的是法國SEDC公司HAGUE 7000型采樣器[10]，具備采集CH4形態14C的功能。考慮到壓水堆核電廠氣態流出物排放主要以CH4形態為主，監督性監測結果與運行前本底調查結果的差異可能與具體采樣的差異有關。具體原因有待進一步研究。

2.3 與流出物排放數據趨勢的對比分析

收集了2014年1月至2021年4月間寧德核電廠氣態流出物月度排放14C的數據(如圖3所示)。考慮核電廠大修期間可能的集中排放，采用月排放值開展相關性分析，結果列于表2。從線性系數(Pearson系數)來看，各點位的14C比活度與寧德核電廠排放量線性均為正，其中牛郎崗監測結果與排放量呈現弱相關特征(弱相關的相關系數0.2～0.4)，其他點位結果呈現極弱相關或不相關特征(相關系數0～0.2)。為進一步檢驗相關性，采用方差分析(ANOVA)方法分析在p=0.05水平的相關性。結果表明，在不相關假設條件下，僅牛郎崗的相關性分析結果拒絕該假設條件(p=0.006<0.05)，其他點位則滿足該假設條件。這表明，距離廠址最近的牛郎崗監測點的空氣14C監測結果，明顯受到核電廠排放的影響。

表2 環境空氣中14C比活度與氣態流出物排放量相關性的分析

圖3 環境空氣中14C比活度與氣態流出物排放量的對比分析

3 季節周期性分析

14C在環境空氣中的比活度受到多種因素的影響，包括生物效應、城市氣體排放、大氣循環[12-15]。受大氣圈和生物圈C循環的影響，天然環境中14C的年周期性化一般顯示夏秋季高、冬春季低的特點[14-15]。對于核電廠周圍環境空氣，14C的比活度可能還受到核電廠排放的影響。研究分析了各點位監測結果的月平均變化，并采用正弦曲線模型進行回歸分析，結果如圖4所示。圖中，色帶區域為統計結果的不確定度(標準偏差)范圍，曲線為正弦擬合曲線(其中固定周期為12個月)。擬合曲線的相關參數列于表3。結果表明，在給定年周期變化假定條件下，小筼筜、漁井、福州點位的監測結果最大值均一般出現在7—9月，且年周期變化漲落的范圍為0.003～0.007 Bq/g(碳)。這與國外文獻報道的北半球環境空氣中14C的變化規律相一致[14-15]。對于牛郎崗監測點位，呈現不一致的結果，由于距離核電廠較近，可能與寧德核電廠排放的影響有關。需要關注的是，采用正弦曲線回歸的校正決定系數(AdjustedR2)較低(-0.009～0.338)，顯示回歸結果具有非常大的不確定性。

圖4 環境空氣中14C比活度月均值變化

表3 年周期變化的正弦模型回歸參數

4 結論與建議

4.1 結論

本文分析給出了寧德核電廠周圍2013—2021年間開展的空氣中14C的監督性監測結果。分析表明，各點位多年平均值范圍為0.229～0.230 Bq/g(碳)。將結果與國內外其他核電廠周圍監測結果進行了對比；對廠址周圍監測點的結果與對照點的結果進行了對比，結果表明核電廠排放造成的附加值極小，且在統計學上具有極大的不確定性；同時與本底調查結果進行了對比分析，統計的差異性可能與采樣方法的差異有關；采用核電廠氣態流出物排放量與監測結果進行了相關性分析，結果表明，距離廠址最近的牛郎崗監測點的結果在統計學上具有明顯的正相關性。此外，對監測結果進行了年周期性分析，除牛郎崗監測點位外，結果呈現夏秋季高、冬春季低的特點，但在統計學上具有非常大的不確定性。

4.2 建議

(1)建議統一環境空氣中14C監測的技術規范，在采樣、制樣、測量、結果表達等環節均應統一方法。應針對不同形態的14C進行采樣(包括有機形態和無機形態)，如有條件應分別開展相應的監測。應統一評價規范，合理確定對照點，采用對照點的結果作為參考評估核電廠排放的附加影響。應采用比活度為單位開展評價，避免環境空氣中碳含量的波動對評價帶來的不確定性。

(2)對寧德核電廠周圍環境空氣中14C的監督性監測，應進一步累積數據，開展長時間序列的趨勢分析，或優化監測方案，進一步開展相應的調查，以更準確評價核電廠排放的影響。