董 力，王夢(mèng)溪，劉新建，劉森林

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；3.國(guó)家核應(yīng)急響應(yīng)技術(shù)支持中心，北京 100071)

基于概率論的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法有助于更好地開(kāi)展廠址應(yīng)急可行性分析。美國(guó)早在20世紀(jì)90年代發(fā)布的NUREG-1150報(bào)告[1]就把三級(jí)PSA分析工具和方法應(yīng)用于應(yīng)急撤離模擬研究。SOARCA項(xiàng)目[2]在NUREG-1150報(bào)告的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)未考慮緩解措施和考慮緩解措施的事故序列，結(jié)合影子撤離(shadow evacuation)、鑰匙孔撤離(keyhole evacuation)等多種撤離策略及廠址周圍人口分布信息，對(duì)場(chǎng)外人員劑量后果及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了更現(xiàn)實(shí)的分析計(jì)算，以尋求更優(yōu)化的應(yīng)急撤離策略。此外，英國(guó)、日本、加拿大、阿根廷等國(guó)也在各自三級(jí)PSA分析工具的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)急撤離時(shí)間模擬結(jié)果，對(duì)應(yīng)急撤離后人員受照劑量及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了模擬和研究[3]。

我國(guó)對(duì)核電廠應(yīng)急撤離時(shí)間估計(jì)的相關(guān)研究及工程應(yīng)用起步于日本福島核事故，目前正處于快速發(fā)展階段?！逗穗姀S應(yīng)急計(jì)劃與準(zhǔn)備準(zhǔn)則 場(chǎng)內(nèi)應(yīng)急計(jì)劃與執(zhí)行程序》[4]規(guī)定核電廠向場(chǎng)外應(yīng)急組織提出應(yīng)急防護(hù)行動(dòng)建議時(shí)應(yīng)考慮撤離時(shí)間估計(jì)的影響。楊玲等人[5]結(jié)合我國(guó)場(chǎng)外應(yīng)急撤離管理要求現(xiàn)狀，借鑒美國(guó)撤離時(shí)間估算的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)核電廠場(chǎng)外應(yīng)急撤離時(shí)間問(wèn)題進(jìn)行了分析，建議我國(guó)核安全管理相關(guān)規(guī)定中增加對(duì)場(chǎng)外應(yīng)急撤離時(shí)間的要求。本文嘗試將概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于核電廠應(yīng)急撤離模擬，對(duì)應(yīng)急撤離過(guò)程中人員受照劑量和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)核電廠道路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比選，提出技術(shù)層面的建議。

1 問(wèn)題分析

核電廠應(yīng)急道路一直是廠址應(yīng)急可行性分析的重點(diǎn)?！逗藙?dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》[6]要求“設(shè)計(jì)中考慮的內(nèi)、外部事件或多個(gè)事件的組合發(fā)生后，必須至少有一條路線可供位于場(chǎng)區(qū)內(nèi)工作場(chǎng)所和其他區(qū)域的人員撤離”。 《核電廠總平面及運(yùn)輸設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]規(guī)定“廠外道路應(yīng)設(shè)置不同方向的主要和次要進(jìn)廠道路”。

兩條不同方向的撤離道路一直被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是一個(gè)良好實(shí)踐。事故條件下，一條道路可能被放射性煙云覆蓋，此時(shí)若能夠選擇另外一條不同方向的道路通行，人員受到的劑量可顯著降低。這種假設(shè)在多數(shù)情況下是成立的。然而，不同方向的道路并不意味著就能夠保證人員完全避免放射性煙羽的影響，也將存在一定照射風(fēng)險(xiǎn)，這與撤離策略的選擇和當(dāng)?shù)貧庀髼l件特別是風(fēng)向的變化密切相關(guān)。比如根據(jù)當(dāng)時(shí)的氣象條件，決定從某條道路撤離，但在開(kāi)始行動(dòng)后，風(fēng)向發(fā)生了變化，導(dǎo)致該道路的劑量率可能更高。也有一些天氣條件下(如小靜風(fēng)，風(fēng)向來(lái)回?cái)[動(dòng))，兩條道路在近距離的劑量率差別不大，此時(shí)兩條不同方向的道路并不能帶來(lái)輻射后果上的優(yōu)勢(shì)。

除了上述因素外，還必須考慮兩個(gè)因素：整個(gè)撤離過(guò)程中人員受照劑量的來(lái)源和應(yīng)急撤離理念的變化。根據(jù)相關(guān)研究[8-9]，人員在應(yīng)急撤離過(guò)程中受到的劑量，更多的來(lái)自集合與等待過(guò)程，而非道路通行過(guò)程。特別是在人員密集的情況下，如考慮現(xiàn)場(chǎng)有幾千人需要在短時(shí)間內(nèi)撤離，此時(shí)只要有道路可用，就應(yīng)該盡快通行?？桃馓暨x一條不在下風(fēng)向的道路，未必是一種最優(yōu)方案。應(yīng)急撤離理念的變化，主要是指撤離的時(shí)機(jī)。無(wú)論是國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)倡導(dǎo)的理念[10]，還是日本福島事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[11]，都表明預(yù)防性撤離是大趨勢(shì)。大多數(shù)事故情況下，尚未有大量放射性物質(zhì)釋放，核電廠已開(kāi)始實(shí)施人員撤離。因此，整個(gè)過(guò)程中撤離人員一般不會(huì)受到明顯的輻射影響，也就不存在哪個(gè)方向道路更優(yōu)的問(wèn)題。有必要根據(jù)廠址實(shí)際情況，開(kāi)展代價(jià)利益分析，為核電廠道路方案優(yōu)化提出切實(shí)可行的建議。

2 計(jì)算原理

通常應(yīng)急撤離時(shí)間估算按照?qǐng)D1所示流程進(jìn)行[12]。

圖1 撤離時(shí)間估計(jì)流程Fig.1 The process of evacuation time estimation

對(duì)于每一個(gè)撤離情景，主要分為兩部分的工作：一部分是成行時(shí)間的計(jì)算，基本上采取的方法都是通過(guò)一定的概率分布或者函數(shù)關(guān)系式來(lái)假設(shè)；另一部分是通行時(shí)間的計(jì)算，這一部分通常情況下依靠計(jì)算機(jī)程序的模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)。即撤離時(shí)間估計(jì)值ETE(evacuation time estimation)為：

ETE=TGT+TT

(1)

式中，TGT(trip generation time)為居民在收到撤離通知后到坐上撤離車輛所經(jīng)歷的時(shí)間，即成行時(shí)間；TT(travel time)為居民上車后撤離車輛在路網(wǎng)上的通行時(shí)間[13]。

一般的應(yīng)急撤離時(shí)間估算軟件考慮的因素較多，計(jì)算模型相對(duì)復(fù)雜，每次模擬計(jì)算往往需要數(shù)分鐘甚至更長(zhǎng)時(shí)間。而為了得到全年不同時(shí)刻的場(chǎng)景，就需要開(kāi)展上千次(如果采用逐小時(shí)的計(jì)算，則大約為8 760次)的模擬計(jì)算，實(shí)際應(yīng)用就變得極其困難。為此，本文在抓住上述主要特征的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一套簡(jiǎn)化的撤離時(shí)間估算模型。按照經(jīng)驗(yàn)分布模擬人員接到通知到應(yīng)急集合點(diǎn)等待車輛的過(guò)程，車輛到達(dá)應(yīng)急集合點(diǎn)后，人員順序上車，之后沿著指定的路徑向目的地(安置點(diǎn))疏散。可根據(jù)環(huán)境的不同靈活設(shè)定車輛類型和撤離速度，過(guò)程中車輛的速度保持不變。不考慮實(shí)際道路中的交通燈、加減速等過(guò)程。

簡(jiǎn)化模型能夠體現(xiàn)微觀撤離模型的特點(diǎn)，綜合反映成行時(shí)間、車輛速度、疏散道路對(duì)疏散過(guò)程的影響，給出每個(gè)居民在任意時(shí)刻的地理位置，便于與風(fēng)向和模擬區(qū)域的劑量場(chǎng)(二維網(wǎng)格，并隨時(shí)間變化)結(jié)合，統(tǒng)計(jì)所有個(gè)體在撤離過(guò)程中所受的輻射劑量，進(jìn)而對(duì)整個(gè)撤離策略進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 工程應(yīng)用

3.1 不同廠址現(xiàn)有應(yīng)急撤離道路風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)廠址的代表性和資料獲取的便利性，本文選取河北海興、湖南桃花江、江蘇田灣和福建霞浦四個(gè)廠址作為研究對(duì)象。海興廠址和桃花江廠址分別為近海和內(nèi)陸廠址，容易確定兩條不同方向的道路，前者5 km范圍內(nèi)的人口數(shù)量中等，后者略多。江蘇田灣作為老核電基地，隨著周邊城鎮(zhèn)化的發(fā)展，5 km范圍內(nèi)人口逐年增加，因此有一定代表性。霞浦廠址是本文重點(diǎn)研究的案例，在前期工作基礎(chǔ)上，對(duì)其應(yīng)急道路上的隧道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行初步分析。

為了更好地反映廠區(qū)兩條應(yīng)急道路對(duì)劑量結(jié)果的影響，假定每個(gè)廠區(qū)內(nèi)有6 000名工作人員，均勻分布在兩個(gè)應(yīng)急集合點(diǎn)。各廠址環(huán)境要素信息列于表1。

表1 代表廠址主要環(huán)境要素Tab.1 The main environmental elements for typical sites

圖2給出了四個(gè)廠址的衛(wèi)星遙感影像圖，可以大體看出廠址區(qū)域的環(huán)境特征。

(圖中左上為海興廠址，右上為桃花江廠址，左下為田灣廠址，右下為霞浦廠址)圖2 代表廠址5 km范圍內(nèi)的衛(wèi)星遙感圖Fig.2 The satellite remote sensing images of 5 km around the typical sites

3.1.1計(jì)算參數(shù)

在應(yīng)急撤離模擬中，無(wú)論工作人員還是公眾，接到通知后到達(dá)最近應(yīng)急集合點(diǎn)的時(shí)間滿足泊松分布[14]，即：

(2)

式中，f為在一定時(shí)間間隔中發(fā)生x次事件的概率；λ為單位時(shí)間內(nèi)事件發(fā)生的平均次數(shù)。

假定白天和晚上的集合時(shí)間均值分別為0.5 h和1 h(平均值即為λ值)，同時(shí)假定所有人員在兩個(gè)集合點(diǎn)一次撤離。車輛白天的平均行駛速度為15 km/h，夜間的行駛速度為10 km/h。從事故開(kāi)始到非應(yīng)急工作人員與公眾撤離到煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)外，典型時(shí)間為4～6個(gè)小時(shí)以上，能夠反映當(dāng)?shù)責(zé)熡鸱较蜃兓挠绊憽?/p>

事故場(chǎng)景假定為RG1.183[15]LOCA事故，堆芯熔化后，放射性物質(zhì)通過(guò)安全殼以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)泄漏率向環(huán)境釋放，在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)假定釋放速率恒定。在計(jì)算劑量時(shí)適當(dāng)簡(jiǎn)化，考慮吸入內(nèi)照射和空氣浸沒(méi)外照射兩個(gè)途徑。假定事故發(fā)生時(shí)場(chǎng)內(nèi)外人員同時(shí)收到應(yīng)急撤離的通知。人員進(jìn)入到應(yīng)急集合點(diǎn)后開(kāi)始計(jì)算劑量，在集合點(diǎn)時(shí)考慮一定的防護(hù)因子(取10)，從集合點(diǎn)進(jìn)入車輛開(kāi)始撤離時(shí)不再考慮車輛的防護(hù)作用。

采用2017年整年的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，利用美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)和我國(guó)生態(tài)環(huán)境部推薦的CALPUFF煙團(tuán)模式[16]計(jì)算大氣彌散因子。模擬區(qū)域覆蓋廠址中心半徑6 km的范圍，水平網(wǎng)格分辨率為100 m。

模擬廠區(qū)和公眾撤離過(guò)程，將人員位置隨時(shí)間的變化與劑量場(chǎng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，計(jì)算人員在每個(gè)網(wǎng)格中的通過(guò)時(shí)間和受照劑量，這樣就可以統(tǒng)計(jì)每個(gè)撤離過(guò)程中的個(gè)人劑量和集體劑量。對(duì)全年8724次模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析在下節(jié)展開(kāi)。

3.1.2計(jì)算結(jié)果

圖3給出了不同概率水平條件下包含廠區(qū)工作人員的集體劑量結(jié)果(對(duì)應(yīng)數(shù)值從大到小排序，如5%表示有5%的樣本會(huì)超過(guò)該數(shù)值，即對(duì)應(yīng)不保證率)?？梢钥闯?，桃花江廠址集體劑量最大，這與當(dāng)?shù)厝丝跀?shù)量最多密不可分。各種概率水平條件下的結(jié)果趨勢(shì)基本一致，從高到低依次為桃花江、田灣、霞浦和海興廠址。對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行更細(xì)致的分析，發(fā)現(xiàn)海興廠址廠區(qū)人員集體劑量與周邊居民集體劑量相當(dāng)，但是霞浦廠址廠區(qū)工作人員集體劑量占總集體劑量的比重很高。其原因是，雖然四個(gè)廠區(qū)的工作人員數(shù)量均為6 000人，平均分配在兩個(gè)應(yīng)急集合點(diǎn)，但兩個(gè)集合點(diǎn)距離事故釋放點(diǎn)的位置略有不同，100 m的距離差就可能導(dǎo)致結(jié)果相差數(shù)倍。

圖3 不同概率水平條件下集體劑量對(duì)比(含工作人員)Fig.3 Comparison of collective dose for different probability levels (staff included)

為了更好地對(duì)比四個(gè)廠址公眾的風(fēng)險(xiǎn)水平，這里將廠區(qū)工作人員排除，僅考慮公眾的集體劑量，如圖4所示。田灣和桃花江廠址集體劑量的最大值分別為46和19人·Sv，但大約20%～25%概率區(qū)間后，兩者的趨勢(shì)發(fā)生了反轉(zhuǎn)。在前20%的區(qū)間內(nèi)，田灣廠址的集體劑量數(shù)值偏大；隨著概率水平的升高，如50%概率水平下，桃花江廠址的集體劑量為田灣廠址數(shù)值的2倍。而霞浦廠址由于公眾人口數(shù)量?jī)H為1 100人，公眾集體劑量最大值為0.6人·Sv，5%概率水平下，集體劑量已經(jīng)低于0.1人·Sv。

圖4 不同概率水平條件下公眾集體劑量對(duì)比Fig.4 Comparison of public collective dose for different probability levels

表2給出了各廠址公眾的最大個(gè)人有效劑量，主要受居民點(diǎn)距離和當(dāng)?shù)卮髿鈴浬l件的影響?？梢钥闯觯捎谙计謴S址的居民點(diǎn)距離廠址中心較遠(yuǎn)，且彌散條件較好，各種概率水平條件下，公眾最大個(gè)人有效劑量?jī)H為1.22 mSv。對(duì)于桃花江和田灣廠址，在0.1%概率水平下，公眾的最大個(gè)人劑量也低于10 mSv。如果考慮平均個(gè)人有效劑量，數(shù)值要更低。

表2 廠址公眾最大個(gè)人有效劑量對(duì)比(mSv)Tab.2 Comparison of the maximum individual effective dose for different sites (mSv)

3.2 霞浦廠址應(yīng)急撤離道路方案比選

霞浦廠址由于地理?xiàng)l件的限制，只能沿半島兩側(cè)設(shè)計(jì)進(jìn)廠道路和應(yīng)急道路，如圖5所示。北側(cè)的進(jìn)廠道路為主要道路，南側(cè)的道路則作為應(yīng)急道路。南側(cè)應(yīng)急道路在向西時(shí)需要開(kāi)挖約3 km的隧道。為了防止極端條件下該隧道不能通行，距離廠址最近的天堂村居民或者其他人員需要再返回到七尺門水道或廠址繞行的情況出現(xiàn)，曾在道路設(shè)計(jì)方案中提出在長(zhǎng)門村開(kāi)設(shè)一條連接進(jìn)廠道路與應(yīng)急道路的隧道，長(zhǎng)度大約900 m(如圖5中黃點(diǎn)線所示)，工程造價(jià)極高。

圖5 霞浦廠址區(qū)域道路Fig.5 Regional roads for Xiapu NPP site

本節(jié)針對(duì)隧道設(shè)計(jì)方案，模擬天堂村居民的撤離過(guò)程并進(jìn)行初步定量評(píng)價(jià)，分析是否設(shè)置隧道可能對(duì)應(yīng)急撤離的影響。此外，盡管兩條道路的走向較為一致，研究中也將結(jié)合具體道路走向開(kāi)展更完整的模擬分析。

計(jì)算參數(shù)與3.1.1節(jié)保持一致，保守估計(jì)天堂村居民為1 000人。為了得到更全面的結(jié)果，對(duì)全年開(kāi)展逐時(shí)模擬計(jì)算。圖6給出了前200次模擬的個(gè)人平均劑量結(jié)果。圖中標(biāo)注的四條曲線對(duì)應(yīng)圖5中的四個(gè)集合點(diǎn)(集合點(diǎn)1位于廠區(qū)北側(cè)，集合點(diǎn)2位于廠區(qū)南側(cè)，集合點(diǎn)3對(duì)應(yīng)天堂村位置，集合點(diǎn)4對(duì)應(yīng)長(zhǎng)門村)。可以看出，集合點(diǎn)2的工作人員幾乎都受到了相對(duì)較高的輻射照射，其中第4次模擬結(jié)果的劑量值最大，與圖7左上子圖對(duì)應(yīng)，此時(shí)煙羽向南正對(duì)集合點(diǎn)2。大約在第135次模擬中，廠區(qū)工作人員和天堂村居民的個(gè)人劑量均出現(xiàn)了局部峰值，與圖7右下子圖對(duì)應(yīng)，煙羽向西南方向伸展，覆蓋集合點(diǎn)2和3。在第145次模擬中，集合點(diǎn)2出現(xiàn)了劑量的次高值，對(duì)應(yīng)圖7左下圖，此時(shí)煙羽雖然也正對(duì)集合點(diǎn)2，但擴(kuò)散范圍更廣，對(duì)應(yīng)的劑量率略低。而在第160次模擬附近，所有集合點(diǎn)的劑量結(jié)果相差不大，對(duì)應(yīng)圖7右上子圖，此時(shí)煙羽擴(kuò)散范圍最大，覆蓋廠區(qū)和場(chǎng)外所有集合點(diǎn)。

圖6 霞浦廠址個(gè)人劑量模擬結(jié)果Fig.6 The simulation results of individual dose for Xiapu site

圖7 霞浦廠址四個(gè)典型模擬樣例Fig.7 The typical simulation examples for Xiapu site

圖8給出了不同概率水平條件下的集體劑量。對(duì)于廠區(qū)工作人員，可以看出由于風(fēng)向的影響，從集合點(diǎn)2出發(fā)并沿南側(cè)道路撤離(道路2)的集體劑量整體要高于從集合點(diǎn)1出發(fā)，沿北側(cè)道路撤離(道路1)的集體劑量。對(duì)于保守的5%概率分布，兩者的比值約為3；但是對(duì)于大多數(shù)(約80%)情況，兩者的集體劑量數(shù)值均不高于1人·Sv，差別不大。

圖8 廠區(qū)工作人員選擇不同撤離道路的集體劑量對(duì)比Fig.8 Comparison of staff collective doses for different evacuation roads

對(duì)于天堂村居民，為分析連接隧道的影響，考慮兩條不同的撤離道路差異：直接通過(guò)設(shè)計(jì)的連接隧道撤離(道路3，圖7深藍(lán)色路線)和返回東沖半島繞路撤離(道路4，圖7淺藍(lán)色路線)。圖9給出了兩條撤離道路情形下的人員受照劑量分布。由于道路4路程更遠(yuǎn)，且要向著機(jī)組的方向繞行，無(wú)論集體劑量和最大個(gè)人劑量，都要略高于道路3的計(jì)算結(jié)果，但兩者的差異并不明顯。對(duì)于5%概率水平的最大個(gè)人有效劑量，兩者相差大約0.1 mSv。即使廠址后期考慮建設(shè)其他核電機(jī)組，對(duì)應(yīng)的事故源項(xiàng)增加10倍，兩者之間的差異也仍可忽略。

圖9 天堂村居民采用兩條撤離道路的劑量對(duì)比Fig.9 Comparison of public doses of Tiantang village residents for different evacuation roads

本節(jié)針對(duì)霞浦廠址兩條應(yīng)急撤離道路和天堂村居民采用不同撤離道路的劑量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，無(wú)論對(duì)于廠區(qū)工作人員或者公眾，事故條件下選擇不同的道路進(jìn)行撤離，可能受到的輻射劑量差別不大。從輻射防護(hù)的角度考慮，連接隧道產(chǎn)生的防護(hù)效果不明顯。

4 結(jié)論

本文基于CALPUFF煙團(tuán)模式和自主研發(fā)的簡(jiǎn)化應(yīng)急撤離模擬程序，將各種條件下的公眾防護(hù)行動(dòng)與劑量計(jì)算有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的指導(dǎo)作用，為應(yīng)急防護(hù)行動(dòng)建議和應(yīng)急道路方案優(yōu)化提供了技術(shù)支持。

本文的主要結(jié)論如下：

(1)結(jié)合國(guó)內(nèi)幾個(gè)典型廠址的模擬結(jié)果可以看出，人口分布、氣象條件對(duì)應(yīng)急條件下人員的受照劑量影響較大。從多廠址對(duì)比結(jié)果來(lái)看，在相同的事故場(chǎng)景下，霞浦廠址5 km區(qū)域內(nèi)公眾集體劑量風(fēng)險(xiǎn)要明顯低于內(nèi)陸廠址(以桃花江廠址為代表)?？紤]到快堆本身的固有安全特性，如更低的事故發(fā)生頻率和剩余風(fēng)險(xiǎn)，其對(duì)應(yīng)急道路的要求將進(jìn)一步降低。

(2)通過(guò)對(duì)比霞浦廠址天堂村居民迂回撤離和隧道撤離的模擬結(jié)果，兩者都能保證99%置信水平下，人員受照劑量最大值不超過(guò)1 mSv。從輻射防護(hù)的角度考慮，額外增加隧道帶來(lái)的效果不明顯。

(3)采用概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法能夠更全面地評(píng)估核電廠應(yīng)急道路方案，通過(guò)代價(jià)利益分析，識(shí)別關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，保證設(shè)計(jì)上的平衡，有助于更直觀地開(kāi)展核電公眾溝通。