張良　侯連嬌

關(guān)鍵詞： 高溫氣冷堆 煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū) 擴(kuò)散 劑量

中圖分類號(hào)： TL424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2023）15-0004-06

隨著我國(guó)“3060目標(biāo)”的提出、“碳達(dá)峰、碳中和”工作已成為當(dāng)前與未來(lái)中國(guó)綠色可持續(xù)發(fā)展工作的核心內(nèi)容。核電是我國(guó)能源供應(yīng)體系的重要分支，也是新能源的重要組成部分。中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)核能發(fā)展報(bào)告2021》顯示，“十三五”期間，我國(guó)新投入商運(yùn)核電機(jī)組20 臺(tái)，新增裝機(jī)容量2344.7 萬(wàn)kW，商運(yùn)核電機(jī)組總數(shù)達(dá)48臺(tái)，總裝機(jī)容量為4 988萬(wàn)kW，裝機(jī)容量位列全球第三，2020 年發(fā)電量達(dá)到世界第二；新開(kāi)工核電機(jī)組11臺(tái)，裝機(jī)容量1 260.4萬(wàn)kW，在建機(jī)組數(shù)量和裝機(jī)容量多年位居全球首位[1]。根據(jù)《“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)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(dòng)高溫氣冷堆、快堆、模塊化小型堆、海上浮動(dòng)堆等先進(jìn)堆型示范工程，至2025年，核電運(yùn)行裝機(jī)容量達(dá)到7 000萬(wàn)kW[2]。

高溫氣冷堆作為先進(jìn)安全的第四代反應(yīng)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(yīng)性強(qiáng)、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(shè)計(jì)，單個(gè)模塊設(shè)計(jì)功率為20 萬(wàn)kW，通過(guò)多個(gè)模塊的組合可以實(shí)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(duì)高溫氣冷堆最嚴(yán)重事故后果進(jìn)行計(jì)算分析，確定其煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的范圍，最終推薦給出一個(gè)包絡(luò)性的應(yīng)急計(jì)劃區(qū)范圍，為今后高溫氣冷堆的選址、應(yīng)急計(jì)劃區(qū)分析、應(yīng)急準(zhǔn)備工作的開(kāi)展提供參考。

1 應(yīng)急計(jì)劃區(qū)

目前，我國(guó)對(duì)核電廠的應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分主要是參考GB/T 17680 的規(guī)定。其中，《核電廠應(yīng)急計(jì)劃與準(zhǔn)備準(zhǔn)則第1 部分：應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分》（GB/T 17680.1-2008）第3.1 節(jié)給出了“應(yīng)急計(jì)劃區(qū)”的定義：“為在核電廠發(fā)生事故時(shí)能及時(shí)有效地采取保護(hù)公眾的防護(hù)行動(dòng)，事先在核電廠周圍建立的、制訂了應(yīng)急計(jì)劃并做好應(yīng)急準(zhǔn)備的區(qū)域?！辈⒃?.2 節(jié)給出了“煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)”的定義：“針對(duì)煙羽照射途徑（煙羽浸沒(méi)外照射、吸入內(nèi)照射和地面沉積外照射）而建立的應(yīng)急計(jì)劃區(qū)。這種應(yīng)急計(jì)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(hù)行動(dòng)。[3]”

GB/T 17680.1-2008 的6.1.1 節(jié)規(guī)定，對(duì)于壓水堆核電廠，在符合安全準(zhǔn)則的前提下，其煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的區(qū)域范圍，一般應(yīng)考慮反應(yīng)堆熱功率的大小，在以反應(yīng)堆為中心、半徑7～10 km 范圍內(nèi)確定；煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)內(nèi)區(qū)的區(qū)域范圍，一般應(yīng)考慮反應(yīng)堆熱功率的大小，在以反應(yīng)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(yīng)中所占比例逐年增加。對(duì)于電網(wǎng)較小、基礎(chǔ)設(shè)施不足或投資能力有限的國(guó)家或地區(qū)，小型反應(yīng)堆（SMR）的設(shè)計(jì)得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展，綜合了國(guó)際上不同組織和機(jī)構(gòu)對(duì)小型反應(yīng)堆（SMR）的表述，電功率小于等于300 MW 的反應(yīng)堆稱之為小型反應(yīng)堆，在設(shè)計(jì)上采用模塊化技術(shù)、工廠化預(yù)制，較短的建造周期，具有較好的經(jīng)濟(jì)性[4]。高溫氣冷堆采用模塊化設(shè)計(jì)，屬于小型反應(yīng)堆（SMR）。

目前國(guó)內(nèi)并沒(méi)有專門(mén)針對(duì)高溫氣冷堆應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的相關(guān)規(guī)定，但是其作為先進(jìn)安全的第四代反應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)較小，應(yīng)急計(jì)劃區(qū)范圍相對(duì)可以減小。結(jié)合高溫氣冷堆自身特性，煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的大小同樣滿足如下要求。

（1）在煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)之外，高溫堆設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故導(dǎo)致個(gè)人劑量不會(huì)超過(guò)緊急防護(hù)行動(dòng)的通用干預(yù)水平，如表1 所示。

（2）在煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)之外，高溫堆應(yīng)急基準(zhǔn)釋放類導(dǎo)致個(gè)人劑量在絕大多數(shù)情況下不會(huì)超過(guò)緊急防護(hù)行動(dòng)的通用干預(yù)水平。

（3）在煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)之外，高溫堆應(yīng)急基準(zhǔn)釋放類中后果更為嚴(yán)重的釋放類其導(dǎo)致的個(gè)人劑量一般不會(huì)達(dá)到任何情況下都必須采取干預(yù)行動(dòng)的劑量水平。

針對(duì)小型壓水堆，國(guó)家核事故應(yīng)急辦公室于2017年印發(fā)了《陸上小型壓水堆核應(yīng)急工作指導(dǎo)意見(jiàn)（試行）》，其中要求綜合考慮各種因素，小型堆應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的范圍推薦值不大于3 km，具體范圍由營(yíng)運(yùn)單位經(jīng)系統(tǒng)論證和科學(xué)測(cè)算后提出建議，按規(guī)定程序確定[5]。

蘇永杰等曾對(duì)小型堆應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分方法進(jìn)行了探討，提出小型堆的應(yīng)急計(jì)劃區(qū)不建議直接給一個(gè)明確的限制范圍（如限制在場(chǎng)區(qū)內(nèi)），應(yīng)根據(jù)每個(gè)小型堆的堆芯設(shè)計(jì)特點(diǎn)、具體用途、擬建廠址環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，而后予以確認(rèn)，最終的確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是關(guān)注人群的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并適當(dāng)考慮公眾的可接受性[6]。近期中國(guó)核學(xué)會(huì)正在組織開(kāi)展小型堆應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的編制，其參考了《陸上小型壓水堆核應(yīng)急工作指導(dǎo)意見(jiàn)（試行）》的規(guī)定，應(yīng)急計(jì)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(yíng)運(yùn)單位考慮小型堆的功率、設(shè)計(jì)特點(diǎn)、廠址條件、安全水平等因素，經(jīng)系統(tǒng)論證和科學(xué)測(cè)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(yīng)急計(jì)劃區(qū)范圍的劃定就有了一定的參考。

另外，針對(duì)小型堆和新技術(shù)堆型的應(yīng)急準(zhǔn)備，美國(guó)核管會(huì)在2017年4月13日公布一份題為Emergency Preparednessfor Small Modular Reactors and Other NewTechnologies 的報(bào)告[7]，以接受公共評(píng)議。這份報(bào)告將成為美國(guó)為小堆及其他新技術(shù)（如非輕水型反應(yīng)堆設(shè)施）制定新應(yīng)急準(zhǔn)備要求的監(jiān)管基準(zhǔn)。2019年11月NRC正式同意在《聯(lián)邦公報(bào)》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(bào)告給出了小型堆和新技術(shù)堆型應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分的基本準(zhǔn)則建議，其中煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分建議如下[8]。

（1）預(yù)計(jì)場(chǎng)址邊界外總有效劑量小于10 mSv，則場(chǎng)址外沒(méi)有煙羽照射途徑的應(yīng)急計(jì)劃區(qū)，同時(shí)場(chǎng)外輻射應(yīng)急計(jì)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(yīng)急計(jì)劃區(qū)將限制在3 km。

（3）如果 3 km 處總有效劑量預(yù)計(jì)大于10 mSv，但是在8 km 處小于10 mSv，則煙羽照射途徑應(yīng)急計(jì)劃區(qū)將設(shè)置為8 km。

（4）如果8 km 處總有效劑量預(yù)計(jì)大于10 mSv，則煙羽照射途徑應(yīng)急計(jì)劃區(qū)將默認(rèn)設(shè)置為16 km。

參照美國(guó)上述文件的建議，國(guó)內(nèi)也可以開(kāi)展相關(guān)的研究，制定對(duì)應(yīng)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(yīng)急準(zhǔn)備工作開(kāi)展提供法律依據(jù)。

2 氣象數(shù)據(jù)選取

目前，我國(guó)核電項(xiàng)目主要分布在沿海地區(qū)，但同時(shí)在逐步推進(jìn)內(nèi)陸核電項(xiàng)目的建設(shè)。在綜合考慮了我國(guó)各地區(qū)經(jīng)濟(jì)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(píng)估對(duì)象。

氣象數(shù)據(jù)采用6 個(gè)不同參考地區(qū)的整年（或兩整年）觀測(cè)數(shù)據(jù)，三維聯(lián)合頻率以此觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到，圖1 給出了6 個(gè)地區(qū)的風(fēng)玫瑰圖，表2 給出了各自的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

從上述6 個(gè)場(chǎng)址氣象條件來(lái)看，對(duì)于沿海廠址，其平均風(fēng)速高，靜風(fēng)頻率低，擴(kuò)散條件要遠(yuǎn)好于內(nèi)陸廠址。

3 煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型與參數(shù)設(shè)置

3.1.1 彌散因子的計(jì)算

此次模擬計(jì)算采用PAVAN 程序，PAVAN 程序是用于計(jì)算核設(shè)施事故后果影響的推薦模型，該模型可用于計(jì)算非居住區(qū)、規(guī)劃限制區(qū)以及應(yīng)急計(jì)劃區(qū)，詳細(xì)模型介紹可參見(jiàn)美國(guó)NRC 導(dǎo)則RG1.145[9]。

計(jì)算時(shí)主要參數(shù)設(shè)置如下。

（1）擴(kuò)散參數(shù)采用P-G 擴(kuò)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(jì)算

劑量計(jì)算主要考慮煙云浸沒(méi)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(jì)算模型可參考《核事故應(yīng)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(xiàng)

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

蒸汽發(fā)生器一根傳熱管斷裂事故導(dǎo)致的一回路進(jìn)水量在保守的分析條件下可造成一回路泄壓閥開(kāi)啟，并且在開(kāi)閥之前有足夠的時(shí)間使進(jìn)入一回路的水蒸氣與所有破損燃料顆粒反應(yīng)，從而導(dǎo)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的。更大進(jìn)水量的事故（如蒸汽發(fā)生器管板破裂事故）短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致一回路泄壓閥開(kāi)啟，進(jìn)入一回路的水蒸氣來(lái)不及與破損燃料顆粒反應(yīng)，破損顆粒中氣體裂變產(chǎn)物不會(huì)大量釋放，因而其放射性源項(xiàng)反而不如蒸汽發(fā)生器一根傳熱管斷裂事故來(lái)得大。

計(jì)算表明蒸汽發(fā)生器一根傳熱管斷裂事故的源項(xiàng)比一回路大破口失壓事故（DN65 管道斷裂事故）的釋放源項(xiàng)更大，特別是放射性碘同位素的釋放源項(xiàng)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(xiàng)見(jiàn)表3[11]。

3.3 大氣彌散因子分析

不同地區(qū)、不同時(shí)間段平均彌散因子計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

從上述計(jì)算結(jié)果來(lái)看，北京地區(qū)的模擬值相對(duì)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(duì)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(duì)同樣的事故釋放源項(xiàng)，擴(kuò)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(kuò)散條件的分析結(jié)論相同，當(dāng)平均風(fēng)速越大，靜風(fēng)頻率越小時(shí)彌散因子越小，擴(kuò)散條件越好。

3.4 輻射劑量及煙羽計(jì)劃區(qū)分析

結(jié)果按成人劑量值輸出，主要考慮煙云浸沒(méi)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(jiàn)圖3，不同距離處甲狀腺當(dāng)量劑量匯總結(jié)果見(jiàn)圖4。結(jié)合表1 緊急防護(hù)行動(dòng)通用干預(yù)水平，以及煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，基于有效劑量（劑量限值10 mSv）時(shí)各地區(qū)最大包絡(luò)距離約150 m，基于甲狀腺劑量（劑量限值100 mGy）時(shí)各地區(qū)最大包絡(luò)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(shí)則綜合最大包絡(luò)距離為200 m。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)不同地區(qū)氣象條件下高溫氣冷堆的煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的計(jì)算分析，可以得到以下結(jié)論和建議。

（1）廠址擴(kuò)散條件的差異對(duì)劑量后果影響很大，基于當(dāng)前的案例來(lái)看，沿海的擴(kuò)散條件相對(duì)較好。

（2）高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，單個(gè)模塊設(shè)計(jì)功率較小約20 萬(wàn)kW，同時(shí)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(duì)于其他核電站大大減小。

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