高溫氣冷堆煙羽應急計劃區(qū)的計算分析

張良　侯連嬌

關(guān)鍵詞： 高溫氣冷堆 煙羽應急計劃區(qū) 擴散 劑量

中圖分類號： TL424 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0004-06

隨著我國“3060目標”的提出、“碳達峰、碳中和”工作已成為當前與未來中國綠色可持續(xù)發(fā)展工作的核心內(nèi)容。核電是我國能源供應體系的重要分支，也是新能源的重要組成部分。中國核能行業(yè)協(xié)會發(fā)布的《中國核能發(fā)展報告2021》顯示，“十三五”期間，我國新投入商運核電機組20 臺，新增裝機容量2344.7 萬kW，商運核電機組總數(shù)達48臺，總裝機容量為4 988萬kW，裝機容量位列全球第三，2020 年發(fā)電量達到世界第二；新開工核電機組11臺，裝機容量1 260.4萬kW，在建機組數(shù)量和裝機容量多年位居全球首位[1]。根據(jù)《“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》編制的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》中提到，積極安全有序發(fā)展核電，積極推動高溫氣冷堆、快堆、模塊化小型堆、海上浮動堆等先進堆型示范工程，至2025年，核電運行裝機容量達到7 000萬kW[2]。

高溫氣冷堆作為先進安全的第四代反應堆，以核安全為核心，固有安全性好、發(fā)電效率高、環(huán)境適應性強、用途廣泛，從技術(shù)上消除了放射性物質(zhì)大規(guī)模釋放的可能。高溫氣冷堆采用模塊化設計，單個模塊設計功率為20 萬kW，通過多個模塊的組合可以實現(xiàn)更高功率的輸出。本文基于不同地區(qū)的典型氣象條件對高溫氣冷堆最嚴重事故后果進行計算分析，確定其煙羽應急計劃區(qū)的范圍，最終推薦給出一個包絡性的應急計劃區(qū)范圍，為今后高溫氣冷堆的選址、應急計劃區(qū)分析、應急準備工作的開展提供參考。

1 應急計劃區(qū)

目前，我國對核電廠的應急計劃區(qū)的劃分主要是參考GB/T 17680 的規(guī)定。其中，《核電廠應急計劃與準備準則第1 部分：應急計劃區(qū)的劃分》（GB/T 17680.1-2008）第3.1 節(jié)給出了“應急計劃區(qū)”的定義：“為在核電廠發(fā)生事故時能及時有效地采取保護公眾的防護行動，事先在核電廠周圍建立的、制訂了應急計劃并做好應急準備的區(qū)域。”并在3.2 節(jié)給出了“煙羽應急計劃區(qū)”的定義：“針對煙羽照射途徑（煙羽浸沒外照射、吸入內(nèi)照射和地面沉積外照射）而建立的應急計劃區(qū)。這種應急計劃區(qū)又可以分為內(nèi)、外兩區(qū)，在內(nèi)區(qū)做好能在緊急情況下立即采取隱蔽、服用穩(wěn)定碘和緊急撤離等緊急防護行動。[3]”

GB/T 17680.1-2008 的6.1.1 節(jié)規(guī)定，對于壓水堆核電廠，在符合安全準則的前提下，其煙羽應急計劃區(qū)的區(qū)域范圍，一般應考慮反應堆熱功率的大小，在以反應堆為中心、半徑7～10 km 范圍內(nèi)確定；煙羽應急計劃區(qū)內(nèi)區(qū)的區(qū)域范圍，一般應考慮反應堆熱功率的大小，在以反應堆為中心、半徑3～5 km 的范圍內(nèi)確定[3]。

隨著能源需求的增加，核電技術(shù)的發(fā)展，核電在世界能源供應中所占比例逐年增加。對于電網(wǎng)較小、基礎設施不足或投資能力有限的國家或地區(qū)，小型反應堆（SMR）的設計得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展，綜合了國際上不同組織和機構(gòu)對小型反應堆（SMR）的表述，電功率小于等于300 MW 的反應堆稱之為小型反應堆，在設計上采用模塊化技術(shù)、工廠化預制，較短的建造周期，具有較好的經(jīng)濟性[4]。高溫氣冷堆采用模塊化設計，屬于小型反應堆（SMR）。

目前國內(nèi)并沒有專門針對高溫氣冷堆應急計劃區(qū)劃分的相關(guān)規(guī)定，但是其作為先進安全的第四代反應堆，以核安全為核心，從技術(shù)上消除了放射性物質(zhì)大規(guī)模釋放的可能，因此其輻射后果風險較小，應急計劃區(qū)范圍相對可以減小。結(jié)合高溫氣冷堆自身特性，煙羽應急計劃區(qū)的大小同樣滿足如下要求。

（1）在煙羽應急計劃區(qū)之外，高溫堆設計基準事故導致個人劑量不會超過緊急防護行動的通用干預水平，如表1 所示。

（2）在煙羽應急計劃區(qū)之外，高溫堆應急基準釋放類導致個人劑量在絕大多數(shù)情況下不會超過緊急防護行動的通用干預水平。

（3）在煙羽應急計劃區(qū)之外，高溫堆應急基準釋放類中后果更為嚴重的釋放類其導致的個人劑量一般不會達到任何情況下都必須采取干預行動的劑量水平。

針對小型壓水堆，國家核事故應急辦公室于2017年印發(fā)了《陸上小型壓水堆核應急工作指導意見（試行）》，其中要求綜合考慮各種因素，小型堆應急計劃區(qū)的范圍推薦值不大于3 km，具體范圍由營運單位經(jīng)系統(tǒng)論證和科學測算后提出建議，按規(guī)定程序確定[5]。

蘇永杰等曾對小型堆應急計劃區(qū)劃分方法進行了探討，提出小型堆的應急計劃區(qū)不建議直接給一個明確的限制范圍（如限制在場區(qū)內(nèi)），應根據(jù)每個小型堆的堆芯設計特點、具體用途、擬建廠址環(huán)境特點進行綜合分析，而后予以確認，最終的確認標準應該是關(guān)注人群的潛在風險，并適當考慮公眾的可接受性[6]。近期中國核學會正在組織開展小型堆應急計劃區(qū)的劃分團體標準的編制，其參考了《陸上小型壓水堆核應急工作指導意見（試行）》的規(guī)定，應急計劃區(qū)范圍的推薦值為廠址邊界到半徑3 km 的范圍內(nèi)，具體大小可由營運單位考慮小型堆的功率、設計特點、廠址條件、安全水平等因素，經(jīng)系統(tǒng)論證和科學測算后提出，按規(guī)定程序確定。參照上述研究和規(guī)定，高溫氣冷堆的應急計劃區(qū)范圍的劃定就有了一定的參考。

另外，針對小型堆和新技術(shù)堆型的應急準備，美國核管會在2017年4月13日公布一份題為Emergency Preparednessfor Small Modular Reactors and Other NewTechnologies 的報告[7]，以接受公共評議。這份報告將成為美國為小堆及其他新技術(shù)（如非輕水型反應堆設施）制定新應急準備要求的監(jiān)管基準。2019年11月NRC正式同意在《聯(lián)邦公報》上公布擬議的規(guī)則。并于2020 年5月12日在Federal Register（Vol.85，No.92）公布。該報告給出了小型堆和新技術(shù)堆型應急計劃區(qū)劃分的基本準則建議，其中煙羽應急計劃區(qū)的劃分建議如下[8]。

（1）預計場址邊界外總有效劑量小于10 mSv，則場址外沒有煙羽照射途徑的應急計劃區(qū)，同時場外輻射應急計劃及要求將是有限的。

（2）如果廠址邊界外總有效劑量大于10 mSv，但是在3 km 處小于10 mSv，則煙羽照射途徑應急計劃區(qū)將限制在3 km。

（3）如果 3 km 處總有效劑量預計大于10 mSv，但是在8 km 處小于10 mSv，則煙羽照射途徑應急計劃區(qū)將設置為8 km。

（4）如果8 km 處總有效劑量預計大于10 mSv，則煙羽照射途徑應急計劃區(qū)將默認設置為16 km。

參照美國上述文件的建議，國內(nèi)也可以開展相關(guān)的研究，制定對應的規(guī)范，為高溫氣冷堆等小型堆、新技術(shù)堆型的發(fā)展和應急準備工作開展提供法律依據(jù)。

2 氣象數(shù)據(jù)選取

目前，我國核電項目主要分布在沿海地區(qū)，但同時在逐步推進內(nèi)陸核電項目的建設。在綜合考慮了我國各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展及電力需求情況，分別選擇了沿海的廣東、福建、浙江、山東等地區(qū)，以及內(nèi)陸的北京、吉林等地區(qū)作為評估對象。

氣象數(shù)據(jù)采用6 個不同參考地區(qū)的整年（或兩整年）觀測數(shù)據(jù)，三維聯(lián)合頻率以此觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到，圖1 給出了6 個地區(qū)的風玫瑰圖，表2 給出了各自的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。

從上述6 個場址氣象條件來看，對于沿海廠址，其平均風速高，靜風頻率低，擴散條件要遠好于內(nèi)陸廠址。

3 煙羽應急計劃區(qū)計算分析

3.1 計算模型與參數(shù)設置

3.1.1 彌散因子的計算

此次模擬計算采用PAVAN 程序，PAVAN 程序是用于計算核設施事故后果影響的推薦模型，該模型可用于計算非居住區(qū)、規(guī)劃限制區(qū)以及應急計劃區(qū)，詳細模型介紹可參見美國NRC 導則RG1.145[9]。

計算時主要參數(shù)設置如下。

（1）擴散參數(shù)采用P-G 擴散參數(shù)。

（2）考慮建筑物尾流影響，建筑物高度45 m，最小橫截面面積1 530 m2。

（3）不考慮降水沖洗的影響。

（4）采用地面釋放，釋放高度為10 m。

3.1.2 輻射劑量的計算

劑量計算主要考慮煙云浸沒外照射劑量，吸入內(nèi)照射劑量，以及地面沉積外照射劑量3 種照射途徑，具體計算模型可參考《核事故應急情況下公眾受照劑量估算的模式和參數(shù)》（GB/T 17982-2018）[10]。

3.2 高溫氣冷堆的事故源項

煙羽應急計劃區(qū)的測算中需考慮設計基準事故和超設計基準事故。由于高溫氣冷堆事故后果最嚴重的事故為設計基準事故“蒸汽發(fā)生器一根傳熱管斷裂事故”，因此選其作為測算煙羽應急計劃區(qū)的事故。

蒸汽發(fā)生器一根傳熱管斷裂事故導致的一回路進水量在保守的分析條件下可造成一回路泄壓閥開啟，并且在開閥之前有足夠的時間使進入一回路的水蒸氣與所有破損燃料顆粒反應，從而導致破損顆粒中氣體裂變產(chǎn)物和碘同位素有較多的釋放量增加，這種突增的釋放是有較多的實驗基礎的。更大進水量的事故（如蒸汽發(fā)生器管板破裂事故）短時間內(nèi)導致一回路泄壓閥開啟，進入一回路的水蒸氣來不及與破損燃料顆粒反應，破損顆粒中氣體裂變產(chǎn)物不會大量釋放，因而其放射性源項反而不如蒸汽發(fā)生器一根傳熱管斷裂事故來得大。

計算表明蒸汽發(fā)生器一根傳熱管斷裂事故的源項比一回路大破口失壓事故（DN65 管道斷裂事故）的釋放源項更大，特別是放射性碘同位素的釋放源項更大，因而事故后果更大。蒸汽發(fā)生器一根傳熱管斷裂事故釋放源項見表3[11]。

3.3 大氣彌散因子分析

不同地區(qū)、不同時間段平均彌散因子計算結(jié)果見圖2。

從上述計算結(jié)果來看，北京地區(qū)的模擬值相對最大，其次為吉林、廣東、山東、浙江等地區(qū)，福建地區(qū)的模擬值相對最小。模擬值最大與最小地區(qū)之間相差5倍左右，意味著針對同樣的事故釋放源項，擴散條件差的地區(qū)其放射性物質(zhì)濃度和劑量也要高5 倍左右。這與第2 節(jié)關(guān)于氣象擴散條件的分析結(jié)論相同，當平均風速越大，靜風頻率越小時彌散因子越小，擴散條件越好。

3.4 輻射劑量及煙羽計劃區(qū)分析

結(jié)果按成人劑量值輸出，主要考慮煙云浸沒外照射、吸入內(nèi)照射和地面沉積外照射等3 種途徑。不同距離處的公眾在事故期間（30 d）受到的有效劑量結(jié)果見圖3，不同距離處甲狀腺當量劑量匯總結(jié)果見圖4。結(jié)合表1 緊急防護行動通用干預水平，以及煙羽應急計劃區(qū)劃分標準來看，基于有效劑量（劑量限值10 mSv）時各地區(qū)最大包絡距離約150 m，基于甲狀腺劑量（劑量限值100 mGy）時各地區(qū)最大包絡距離為140 m。為保守考慮，取2 倍安全系數(shù)（即劑量限值取50%）時則綜合最大包絡距離為200 m。

4 結(jié)論與建議

通過對不同地區(qū)氣象條件下高溫氣冷堆的煙羽應急計劃區(qū)的計算分析，可以得到以下結(jié)論和建議。

（1）廠址擴散條件的差異對劑量后果影響很大，基于當前的案例來看，沿海的擴散條件相對較好。

（2）高溫氣冷堆的設計采用模塊化設計，單個模塊設計功率較小約20 萬kW，同時具有較高的固有安全性，這些特性使其事故放射性后果相對于其他核電站大大減小。

（3）綜合分析不同場址氣象條件來看，高溫氣冷堆其煙羽應急計劃區(qū)最大包絡距離約為200 m，大大小于GB/T 17680 推薦的7～10 km 的煙羽應急計劃區(qū)范圍，以及針對小型壓水堆的3 km 推薦范圍，因此有必要開展研究，參照美國的做法，制定相關(guān)規(guī)范，對具有更小輻射后果影響堆型的應急計劃區(qū)劃分給出建議。