核电厂场外防护行动操作干预水平的制定

核电厂场外防护行动操作干预水平的制定徐潇潇;张建岗;孙洪超;庄大杰;孙树堂【摘要】AftertheFukushimaaccident,IAEAmadeoperationalinterventionlevelsaspartofitsnuclearandradiationemergencystrategy,andrequiredNPPstosettheminadvance.ThetimestepsandscopeofprotectionactionsofIAEAandseveralmajornuclearstatesaredescribed,aswellastheirrespectiveprotectiveactioncriteria,suchasoperationalinterventionlevels,derivedresponselevelsandreferenceemergencylevels.ThetimedependentcurvesofOIL1andOIL2for10accidentsourcetermsinfivePWRNPPsofChinawereobtainedbyusingtheIAEA-EPR-NPP-OILoperationalinterventionlevelcalculationformulas.Atthesametime,theinfluenceofcorestorageamountonoperationalinterventionlevelwasanalyzed.Itisexpectedtoprovidereferenceforsettingdefaultvaluesforoperationinterventionlevels.%福岛核事故后,IAEA将操作干预水平作为核与辐射应急战略的一部分,并要求核电厂预先制定操作干预水平值.本文介绍了福岛事故后IAEA和几个主要核国家防护行动的时间步骤、防护行动范围，以及各自的防护行动判据（如:操作干预水平、导出响应水平和参考应急水平）;应用IAEAEPR-NPP-OIL的操作干预水平计算公式，得出我国5个压水堆核电厂10种事故源项下OIL1和0IL2随时间变化的曲线;同时，分析了堆芯存积量对操作干预水平的影响;为操作干预水平默认值的制定提供参考.【期刊名称】《辐射防护通讯》年（卷）,期】2018（038）006【总页数】10页(P1-10)【关键词】核事故应急;操作干预水平;防护行动判据【作者】徐潇潇;张建岗;孙洪超;庄大杰;孙树堂【作者单位】中国辐射防护研究院,太原,030006;中国辐射防护研究院,太原,030006;中国辐射防护研究院,太原,030006;中国辐射防护研究院,太原,030006;中国辐射防护研究院,太原,030006【正文语种】中文【中图分类】TL730引言操作干预水平(OIL)是一种可实际操作的标准，在核事故应急期间可利用监测结果迅速实施对公众防护行动。福岛核事故之后，IAEA在《核或辐射应急的准备与响应》［1］中，要求使用操作干预水平作为核与辐射应急战略的一部分。1979年美国三哩岛、1986年前苏联的切尔诺贝利和2011年日本福岛核事故都表明，在应急响应时建立一套防护行动的准则是不可能的［2］，且操作干预水平也应在应急准备时期制定，因为一旦出现应急响应，根本内有时间设定操作干预水平值。因此对于核电厂的操作干预水平值需要预先制定。基于操作干预水平的场外防护行动切尔诺贝利核电厂和日本福岛第一核电厂事故都表明，主控室操纵员能在燃料出现破损前推断出燃料破损，但对于触发场外行动的大多数严重释放，操纵员无法预测它的释放时间和规模［2］。因此，最有效的紧急防护行动的启动是当一旦超出场外应急行动水平时，不应等待环境监测结果，核电厂立即通知场外组织启动的响应行动。目前日本、美国等国家和IAEA，均是核电厂一旦发布场外应急，在放射性物质还未释放到环境之前，公众就要求执行防护行动(如：撤离，隐蔽等)。对于切尔诺贝利核事故和福岛核事故，除了释放的位置、大小、开始和持续时间无法预测，放射性核素释放的速率和组分也无法预测估算，只能根据释放后环境的剂量率和其他环境数据来估算放射性核素释放速率和组分。并且在事故发生后多年的时间内，不断对事故释放大小的估计值进行修正［3,4］。根据切尔诺贝利和福岛应急的经验，严重核事故由于释放的时间、方向和持续时间是不可预知的，当核电厂工况表明出现实际或预计的燃料破损时，就需要组织场外开展防护行动，IAEA、美国和日本的核事故场外防护行动具体如下。IAEA核电厂在严重事故大量放射性物质释放前，核电厂至少有几个小时或几天是时间发出警告，这也为在放射性物质释放前启动防护行动提供时机。福岛事故后，IAEA要求一旦到达场外应急，在45min后预防行动区(PAZ)公众撤离至紧急防护行动区(UPZ)以外，紧急防护行动区公众就地隐蔽直至撤离。当出现放射性物质释放后，就采用操作干预水平指导防护行动。基于操作干预水平的防护行动时间步骤见图1［2］。1.2日本日本原子能监管委员会2013年发布的《原子能灾害对策指南》［5］，要求核电厂一旦发布场外应急，尽管放射性物质还未释放到环境，预防行动区公众就要求撤离和服碘，紧急防护行动区公众隐蔽(见图2)。当有环境测量数据超过操作干预水平值时，紧急防护行动区再撤离或搬迁。这是由于福岛事故当时要求核电厂20km半径范围内公众撤离，而撤离引起环境变化对公众造成的压力远大于放射性风险［6~8］。福岛事故前，日本核电厂应急计划区是8~10km;福岛事故后，核电厂的预防行动区是5km，紧急防护行动区是30km。美国美国核电厂防护行动主要依据防护行动导则（PAG）手册，在2017年PAG手册中将核电厂周围划分了的4个区域（见图3），分别是：烟羽沉积区（区域1）；撤离区（区域2）；隐蔽区（区域3）；避迁区（区域4）。2017版PAG手册要求在核电厂一旦发布场外应急，在放射性物质还未释放到环境之前，区域2的公众就要求撤离，区域3的公众进行隐蔽。如果证实区域2和区域3是在区域1以外，那么已经撤离和隐蔽的公众可以回家。在应急中期，区域1中除了区域4的其他污染区域，公众还在继续居住。不过，这些污染区域依然要求继续进行环境监测和执行剂量降低的措施。图1IAEA场外应急人员基于操作干预水平防护行动的时间步骤图2日本场外应急人员基于操作干预水平防护行动的时间步骤图3美国核电厂应急防护行动区域图由于美国自1992年以来，依据PAG手册指导防护行动。并且采用导出响应水平（DRL）来判断防护行动。导出响应水平即是：PAG预期剂量的可测量的量。英国英国采用的公众防护行动原则与IAEA-EPR-NPP报告中提出的原则不同。英国公众防护行动指导依据被称为应急参考水平（ERLs）［9］。英国应急参考水平见表2。根据防护行动对公众有利和不利因素的考虑，ERLs使用了上下限值。低于ERL的情况，不建议采取行动；高于ERL，建议采取行动。这主是考虑了防护行动带来的风险和社会秩序中断可能超过收益。目前，英国正在对应急参考水平进行审查，但是对应急参考水平的改变的可能性很小。而操作干预水平由于具有直接测量的优点，英国目前也对其特别关注，但英国认为OIL在很大程度上依赖于假设，同时需要大量准确的剂量测量，并且操作干预水平仅包括单一的价值观。在未来应急管理计划中英国可能会同时使用ERL和操作干预水平，ERLs在早期阶段(该阶段准确的剂量测量收到限制)使用，后期使用操作干预水平。综述IAEA、美国和日本要求核电厂一旦发布场外应急，在放射性物质还未释放到环境之前，就需要开展防护行动。其中，IAEA和日本提出核电厂的场外组织就需要立即在各个方向执行紧急防护行动，而美国的防护区域还是使用下风向进行划分。IAEA、美国和日本指导防护行动使用的是环境剂量率等可测量的数据，英国指导防护行动使用的器官或组织剂量等需要计算的值。操作干预水平的默认值操作干预水平默认值是需要实施防护行动(如：撤离、避迁和食品限制)的测量量的特定值。考虑到应急条件下，信息和数据的有限可用性和可靠性，操作干预水平默认值需要在应急准备阶段加以制定，以便在应急早期及时作出防护行动的决定。IAEA操作干预水平至今已有4个版本，分别出自IAEA-TECDOC-955[10]、IAEA-GSG-2[11]、IAEA-EPR-NPP(2013)[2]、IAEAEPR-NPP-OIL(2017)[12]报告。目前在IAEAEPR-NPP-OIL报告中，在应急条件下，IAEA使用周围剂量当量率作为在地面上(OIL1y、OIL2y和OIL3y)、在皮肤上(OIL4y)以及在甲状腺中(OIL8)所存在放射性物质量的有效指标，而无需测量P或a辐射。虽然使用y剂量率优于P计数率，但是IAEA考虑到所有成员国，还是提供了用于皮肤监测的(OIL4®。操作干预水平的默认值列于表3。对于食品、牛奶和饮用水限制的防护行动的OIL7,IAEA使用了标志性核素1311和137CS的活度浓度作为限值，它们代表预期存在的所有其他放射性核素。同时标志性放射性核素易于识别，还避免了既昂贵又费时的同位素分析。OIL5是食品、牛奶和饮用水中总a和总p活度浓度,OIL6是食品、牛奶和饮用水中各种放射性核素的活度浓度，OIL5和OIL6默认值参见IAEA-GSG-2°IAEA认为在应急条件下，时间和资源非常有限，使用OIL7比使用OIL5和OIL6更理想。但一旦有足够的资源和时间且认为必要，可以使用OIL5和OIL6默认值。OIL5和OIL6默认值适用于任何类型的核或辐射应急情况，并且OIL5和OIL6默认值比OIL7更保守。日本福岛第一核电站严重事故，导致了大量放射性物质释放。当时有超过15万人撤离，且比较混乱。因此，从确保公众生命和身体安全的角度出发，确保采取防护行动是尽量减少辐射对核设施周边居民和其他人的影响，日本为此建立了《原子能灾害对策指南》⑸，并建立了应急行动水平(EAL)和操作干预水平。该操作干预水平是基于IAEA"安全标准丛书”GSG-2［11］制定的，规定了紧急防护措施OIL1和OIL2的值，早期防护措施OIL4的值以及对食品和水限制措施OIL6的值(见表4)。通过与IAEA2017年报告［12］中操作干预水平的值进行比较，可以看出日本制定的操作干预水平，除了食品的限值以外，其他的操作干预水平值较IAEA的更加保守。表3IAEA2017年报告中操作干预水平默认值OILx默认值防护行动测量类别OIL1yOIL2yOIL3yOIL4yOIL4pOIL7OIL8y1000pSv/h100pSv/h,停堆<10d25pSv/h,停堆>10d1pSv/h1pSv/h1000记数/s1000Bq/kg,131I200Bq/kg,137Cs0.5pSv/h撤离等避迁等管制食品、牛奶和水等服用稳定碘等停止非必要食品、牛奶和水食用服用稳定碘等地面以上1m处的剂量率地面以上1m处的剂量率地面以上1m处的剂量率距离皮肤表面10cm处的剂量率（优先使用OIL4y）距离皮肤表面2cm处的p计数食品、牛奶和饮用水样品中的1311和137CS的活度浓度在甲状腺前方与皮肤接触测得的周围剂量当量率表4日本政府规定的公众防护行动的操作干预水平值OILx默认值防护行动测量类别0IL10IL20IL30IL4OIL6500pSv/h20pSv/h0.5pSv/h4000记数/min,初始应急13000记数/min,事故一个月后300Bq/kg,131I,水和牛奶2000Bq/kg,131I,食品200Bq/kg,137Cs,水和牛奶500Bq/kg,137Cs,食品撤离与碘防护地面以上1m处的剂量率避迁地面以上1m处的剂量率食品需要监测地面以上1m处的剂量率人员去污皮肤表面的P计数停止非必要食品、牛奶和水食用食品、牛奶和饮水中放射性核素浓度操作干预水平制定代表人、照射情景和照射途径根据ICRP101、103号报告的建议，EPR-NPP-OIL报告中操作干预水平计算主要基于“代表人”和胎儿的预期剂量。“代表人”并不代表特定年龄组的任何具体人，它是一个通过将导致公众成员合理预期受到的最高剂量（有效剂量或器官剂量）的剂量学因素和情景因素（例如呼吸率和食入率）结合起来定义的理论上的构成体。将ICRP不同年龄组参考人的内照射和外照射的剂量模型与相关照射情景结合起来，提供了特定途径的最高剂量估计值。根据照射特征的类型，例如有效剂量或器官剂量，必须将不同的剂量模型集合起来，以评价代表人的受照情况。所考虑的照射途径代表人的剂量学特性如表5所列。操作干预水平计算所用的情景描述见表6。OIL1、OIL2的计算方法EPR-NPP-OIL报告中0IL1和0IL2是指反应堆停堆t时间后，地面上方1m处测量的周围环境剂量当量率。表5对于所考虑的照射途径代表人的剂量学特性代表人剂量食入无意食入外照射吸入甲状腺中的放射性碘有效剂量婴儿或成人婴儿婴儿成人-胎儿的当量剂量成人成人成人成人-甲状腺的当量剂量婴儿婴儿-成人婴儿皮肤真皮的相对生物效能加权吸收剂量--与年龄无关--表6操作干预水平计算中考虑的照射情景的描述OILx照射情景名称摘要照射途径OIL1yOIL2y地面假设所有公众成员在受放射性物质释放影响的地区正常生活7d（对于OIL1y计算）和1a（对于OIL2y计算），开展正常活动（如孩子在地上玩耍，人们部分时间呆在普通的构筑物里）。但是,假定公众不食用受影响地区的食品、牛奶或饮用水,因为在应急分级的基础上己经实施了限制。沉积在地面上的放射性物质的外照射;再悬浮“放射性物质的外照射;再悬浮“放射性物质的吸入;土的无意食入。OIL3y食品分析前假设公众会在食品进入分发系统因而以任何方式采样或控制之前,食用直接受放射性物质沉积影响的当地食品和牛奶（如产自他们的牛或菜园里的食品）。假设:⑻食用之前没有因食品制备使放射性物质的浓度减少（例如剥皮、洗涤）;（b）食用受影响的食品和牛奶超过1a时间;（c）50%的食品和牛奶受到影响。食入受影响地区的当地产品（如菜园里的蔬菜或食草动物的奶）中的放射性物质。OIL4yOIL4P皮肤假设人皮肤（包括面部和手）上有放射性物质，而且还没有采取行动去除皮肤上的这些物质（如洗涤）或减少无意食入（例如,保持手不触口）。由皮肤上放射性物质而致的真皮外;照射量皮肤上放射性物质的无意食入。0IL7食品分析后假设食品供应中食品、牛奶或饮用水受到影响,已经取样,而且食品中的标志性放射性核素1311和137CS的活度浓度是己知的（例如通过实验室分析）。假设:⑻50%的饮食受到影响；（b）食用这种食品超过1a;（c）加工或制备没有使其活度浓度减少。来自食品、牛奶或饮用水中的放射性物质的食入。OIL8y甲状腺假设人由于吸入或食入导致甲状腺有放射性碘。甲状腺中放射性碘引起的甲状腺的照射量基于地面Y剂量率的操作干预水平（0IL1、0IL2）OILxy值的计算公式：(1)式中，t为反应堆停堆后的时间，s;RAi(t,mix)为反应堆停堆后，时间t时堆芯释放核素i对所有释放产物相对活度，无量纲；为地面以上1m处的沉积周围剂量率转换因子，(Sv/s)・(Bq/m2)-1;WFOIL1y=3,WFOIL2y=1为权重因子；3.6x109为Sv/s到pSv/h的单位换算系数；DAOILx(t,mix)为反应堆停堆t时间后的释放产物地面沉积浓度，Bq/m2。DAOILx(t,mix)=min〔AOILx,E(t,mix)，AOILx,Hfetus(t,mix)〕(2)式中，AOILx,E(t,mix)为基于t时间参考人有效剂量的地面沉积浓度，Bq/m2;AOILx,Hfetus(t,mix)为基于t时间胎儿当量剂量的地面沉积浓度，Bq/m2。操作干预水平计算所用放射性核素根据OIL1和OIL2计算公式可知，操作干预水平值主要与事故释放到环境的放射性核素有关。在EPR-NPP-OIL报告中参加操作干预水平计算核素主要考虑其会对场外健康效应的显著影响。操作干预水平计算所用的核素没有包括惰性气体和短寿命核素，主要因为EPR-NPP-OIL报告中考虑情景是照射从放射性物质的沉积(在地面或皮肤上)开始，操作干预水平计算不考虑烟羽(外照和吸入)的贡献，因此操作干预水平计算没有包括惰性气体；其次是IAEA认为在反应堆停堆30min内不会发生公众照射，所以不用考虑短寿命放射性核素。所以EPR-NPP-OIL报告里轻水反应堆操作干预水平计算使用了包括：Sr、Zr、Ru、Te、I、Cs、Ce、Pu、Am、Cm等38种核素。放射性核素对操作干预水平计算影响OIL1IAEA采用了包括福岛核事故、切尔诺贝利核事故等19种事故源项进行0IL1计算，得到OIL1值随时间变化的曲线见图4。由图4可见，19类事故停堆后所有时间的OIL1值基本都高于IAEA的OIL1默认值(1000pSv/h)。对我国秦山一厂等5个压水堆核电机组10类事故源项(PWR1~PWR7和S1~S3)进行OIL1计算，OIL1值随时间的变化如图5~图9所示。由图5~图9可见：秦山一厂、方家山核电、福清核电、昌江核电等4个机组10类事故停堆后所有时间的OIL1值基本都高于IAEA的OIL1默认值；秦山二厂10类事故停堆30d后的OIL1值比IAEA的默认值低。将秦山二厂的堆芯存积量与秦山一厂比较，37种核素(OIL1计算需38种核素)的相对活度与秦山一厂基本一致，仅238Pu的相对活度高2个量级；将秦山二厂的堆芯存积量与昌江核电比较，昌江核电最终安全分析报告中堆芯存积量的相对活度是秦山二厂的2倍，但昌江核电缺238Pu(昌江核电最终安全分析报告中堆芯存积量给出了21种核素)。通过堆芯存积量对OIL1值的影响分析发现：⑴OIL1计算所需的38个核素，同时对38个核素扩大或减小相同的倍数(核素的相对活度不变)，对OIL1随时间变化的曲线没有影响；⑵如果堆芯存积量中238Pu的相对活度大于10-3，那么会使OIL1随时间变化的曲线在约30d后小于IAEA的OIL1默认值。OIL2IAEA采用19种事故源项进行OIL2计算，得到OIL2值随时间变化的曲线见图10。由图10可见，19类事故停堆后所有时间的OIL2值基本都高于IAEA的OIL2默认值(100pSv/h)。对我国秦山一厂等5个压水堆核电机组10类事故源项(PWR1~PWR7和S1~S3)进行OIL2值计算，OIL2值随时间变化的曲线和OIL2默认值见图11~图15。由图11~图15可见：秦山一厂、福清核电、昌江核电、秦山二厂等4个机组10类事故停堆后所有时间的OIL2值基本都高于IAEA的0IL2默认值；方家山核电8类事故（PWR1、PWR2、PWR3、PWR6、PWR7、S1、S2、S3）停堆后10d内的OIL2值低于IAEA的默认值。将方家山核电的堆芯存积量与福清核电比较，方家山核电的堆芯存积量与福清核电基本一致，但方家山核电缺少关键核素132Te的数据，导致OIL2值比IAEA的默认值低。图4IAEA19类事故中OIL1随时间的变化图5秦山一期核电10类事故中OIL1随时间的变化图6福清核电10类事故中OIL1随时间的变化图7方家山核电10类事故中OIL1随时间的变化图8昌江核电10类事故中OIL1随时间的变化图9秦山二期核电10类事故中OIL1随时间的变化图10IAEA19类事故中OIL2随时间的变化图11秦山一期核电10类事故中OIL2随时间的变化图12福清核电10类事故中OIL2随时间的变化图13方家山核电10类事故中OIL2随时间的变化图14昌江核电10类事故中OIL2随时间的变化图15秦山二期核电10类事故中OIL2随时间的变化小结福岛核事故后，IAEA要求核电厂一旦发布场外应急，预防行动区公众就要求撤离和服碘，而当有环境测量数据时，再通过基于操作干预水平扩大撤离的范围。目前IAEA、日本、美国等国家，均是核电厂一旦发布场外应急，在放射性物质还未释放到环境之前，公众就要求执行防护行动（如撤离、隐蔽等）。同时IAEA和日本防护行动是一定范围内各个方向执行，而美国的防护区域还是使用下方向进行划分。同样福岛核事故后，IAEA在出版的安全标准中明确要求在核与辐射应急中使用操作干预水平。日本已经基于IAEA“安全标准丛书"GSG-2制定并发布了核事故下公众防护行动的操作干预水平值，来指导场外公众防护行动。目前我国核电厂操作干预水平还是依据福岛事故前发布的IAEA-TECDOC-955技术文件［11］。但是在操作干预水平的实际使用上暴露了许多问题。比如IAEA-TECDOC-955要求早期行动OIL需要测量烟羽中的剂量率或空气中核素活度浓度，但是在许多情况下，严重释放的时间长度将超过环境监测的时间，监测时烟羽的释放并未结束，这就造成了数据的不准确，并且空气样品中的核素活度浓度分析时间很长，不能及时得到结果。为了完善严重事故条件下对公众防护行动，建议采用IAEAEPR-NPP-OIL方法制定操作干预水平值，制定时需要考虑核电厂事故源项、照射情景、代表人、剂量转换因子以及使用的参考水平，并且在使用EPR-NPP-OIL方法制定操作干预水平OIL1和OIL2初始值时，要根据IAEA所考虑的38种放射性核素，提供堆芯裂变产物积存量数据。参考文献【相关文献】IAEA.核或辐射应急的准备与响应[R].国际原子能机构安全标准丛书第GSRPart7号Vienna:IAEA,2016.IAEA.ActionstoProtectthePublicinanEmergencyDuetoSevereConditionsataLightWaterReactor[R].IAEA-EPR-NPP,Vienna:IAEA,2013.TokyoElectricalPowerCompany.PressreleaseontheEstimatedAmountofRadioactiveMaterialsReleasedintotheAirandtheOceanCausedbyFukushimaDaiichiNuclearPowerStationAccidentDuetotheTohoku-Chihou-Taiheiyou-OkiEarthquake[R].2012IAEA.TheIn