压水堆核电厂严重事故应急操作干预水平的计算

压水堆核电厂严重事故应急操作干预水平的计算

1操作干预水平基于目前核电站监控能力和技术进步的能力和能力，我们介绍并评估了基于干预原则和干预水平的建议和公共保护措施。辐射释放前和核电站释放后的处理方法如下。在放射性释放前的阶段,公众防护行动的推荐和决策依据核事故工况或对该事故工况估计的预期剂量(包括造成此预期剂量的放射性释放可能性的估计)。在已发生放射性释放的阶段,则依据采取某一特定防护行动时预期可以避免的剂量是否接近或超过规定的通用干预水平。然而,直接应用通用干预水平实施起来较为困难。为了改善其可操作性,较现实可行的方法之一是尝试采用操作干预水平(OIL)。所谓操作干预水平,系指由对应于某一特定公众防护行动通用干预水平推算得出的易于测量的辐射量,例如距地面1m高处的γ辐射剂量率、空气中指定放射性核素浓度、食物或饮水中指定放射性核素浓度等。IAEA-TECDOC-955表B4中给出了9个这样的OIL默认值,并简要说明了确定这些默认值的假定条件。由此表可以看出,IAEA-TECDOC-955所给出的OIL默认值分为两类:一类是在已发生放射性释放但仍处于放射性烟羽照射情况下使用的,例如OIL1(主要用于撤离)和OIL2(主要用于服用碘片);另一类则是在放射性释放结束且烟羽已完全通过后主要由地面沉积放射性产生照射情况下使用的,例如OIL3(用于事故的中后期撤离)、OIL4(用于临时安置)以及OIL5～OIL9(用于限制食物和饮水消费)。本文计算、讨论和推荐适用于压水堆核电厂核事故应急的OIL1(在烟羽照射期间推荐公众撤离的操作干预水平)和OIL2(在烟羽照射期间推荐公众服用碘片的操作干预水平)的默认值。关于在实际发生核事故的情况下,如何根据预期受烟羽照射时间和所得到的辐射监测数据对事先确定的OIL默认值作调整修正,IAEA-TECDOC-955给出了较为详细的方法及程序,本文不作讨论。2计算方法2.1未增日本对比的未完全符合其规定的二元二、四水五meIAEA-TECDOC-955给出的OIL1调整修正计算公式为:OIL1=GILe×1R1×1Te(1)ΟΙL1=GΙLe×1R1×1Τe(1)式中:OIL1为撤离的操作干预水平修正值(mSv/h);GILe为紧急防护行动撤离的通用干预水平(50mSv,全身有效剂量);R1为按规定程序由取样和监测时段所得监测数据算出的总有效剂量率(包括外照射和内照射所致剂量率)与监测所得环境辐射外照射剂量率之比(无量纲);Te为预期受烟羽照射时间(h)(如果Te难以预计,对持续排放的源可假定为4h,这是考虑到典型气象情况是风向每4h发生变化)。OIL2的调整修正计算公式为:OIL2=GILthy×1R2×1Te(2)ΟΙL2=GΙLthy×1R2×1Τe(2)式中:OIL2为服用碘片的操作干预水平修正值(mSv/h);GILthy为紧急防护行动服用碘片的通用干预水平(100mGy,甲状腺剂量);R2为按规定程序由取样和监测时段所得监测数据算出的甲状腺剂量率(指吸入所致甲状腺内照射剂量率)与监测所得环境辐射外照射剂量率之比(无量纲);Te含义同前。IAEA-TECDOC-955表B4给出了OIL1和OIL2默认值及其确定的假设条件。OIL1默认值是在假设堆芯熔化事故的放射性非减少释放(anunreducedrelease)在4小时烟羽照射时间内所造成的吸入内照射有效剂量为外照射剂量10倍(相当于全身总有效剂量为外照射剂量的11倍)的条件下确定的。OIL2默认值则是在假设堆芯熔化事故的放射性非减少释放在4小时烟羽照射时间内所造成的吸入甲状腺剂量为外照射剂量200倍的条件下确定的。由此可以推断,IAEA-TECDOC-955确定OIL1和OIL2默认值的计算公式形式上分别与式(1)和(2)相同,但式中R1的含义变为在预期的烟羽照射时间内全身所接受的总有效剂量(包括外、内照射剂量)与全身外照射剂量之比(不再是剂量率之比),R2的含义变为在预期的烟羽照射时间内吸入所致甲状腺的剂量与全身外照射剂量之比。本文亦采用式(1)和(2)计算OIL1和OIL2,公式中的R1和R2的含义则为IAEA-TECDOC-955用于确定相应操作干预水平默认值时的含义。2.2“sq3”事故前面已经提及,IAEA-TECDOC-955明确说明其表B4所给出的OIL1和OIL2默认值是对来自堆芯熔化事故的非减少的放射性释放给出的。而所谓非减少的放射性释放,主要是指堆芯熔化后进入安全壳的放射性在释放到环境之前未经喷淋和(或)过滤等机制去除减少。本文则对压水堆核电厂以下两类假想大量放射性释放事故进行OIL1和OIL2计算:(1)堆芯熔化/安全壳完整性丧失或泄漏事故。对于这类事故,将其特征进一步分为以下三种情况:—无喷淋,释放路径无过滤;—有喷淋,释放路径无过滤;—无喷淋,释放路径有过滤[对于此种情况,又分为对碘的过滤效率分别为90%和99%两种情况(对其它气溶胶核素,过滤效率均为99%)]。(2)蒸汽发生器(SG)完整性严重丧失事故,即SG内传热管破裂或WWER-1000型核电厂SG的集流管破裂且事故SG二次侧未能隔离而由安全阀(或旁排阀)释放放射性的事故。对于这类事故,将其特征按从一回路泄漏到二回路的冷却剂的放射性浓度进一步分为两种情况:—冷却剂中裂变产物浓度主要由燃料棒包壳气隙裂变产物释放决定(即由“包壳气隙释放”决定的浓度);—瞬变为正常冷却剂裂变产物浓度的100倍(即由“尖峰效应”决定的浓度)。对选定的事故类型计算其OIL1和OIL2(实质上是计算比值R1和R2),必须要用到该事故的放射性释放源项参数,其中最重要的是放射性释放速率及释放核素组分。对于堆芯熔化/安全壳完整性丧失或泄漏事故和SG完整性严重丧失事故,均采用InterRAS1.3程序中文版所述的“ST-DOSE模式”中的“基于电厂工况计算源项”模块来估计事故释放核素组分和释放速率。具体计算时,首先依照计算程序的规定对照两类事故各自的主要特征选择相应的“选项”。还要对“事故发生前反应堆热功率”、“安全壳泄漏率”、“主冷却剂向二回路的泄漏率”三个选项选定具体数值(本文分别取为3000MWt,4%安全壳内自由空间容积/h,30m3/h)。应当注意,对于计算R1和R2来说,这三个选项的数值实际上可在计算程序规定范围内任意选取。这是因为R1和R2几乎仅依赖于释放源项中所释放的放射性核素组分,而这三个选项的取值对释放核素组分无影响。需说明的是,SG完整性严重丧失事故释放源属于近地表低架释放源,堆芯熔化/安全壳完整性丧失或泄漏事故的释放源本文亦主要关注其低架释放源。为简化计算均取其释放高度为10m,并假定为孤立释放。实际上通过简单的计算即可证明,近地表低架释放源的释放高度的有限变化(例如释放高度从10m变为不超过50m)及建筑物尾流效应对OIL1和OIL2的计算结果没有值得关注的影响。2.3按剂量计算的模型确定各影响因素在利用基本计算公式(1)和(2)分别计算OIL1和OIL2时,首先需要基于事故释放源项作相应的剂量估算,以确定R1和R2。本文作剂量计算采用的仍然是InterRAS1.3程序的中文版。计算输出结果包括距释放点1km、2km、5km、25km和50km处的全身有效剂量(烟云照射剂量+地面照射剂量+吸入有效剂量)、甲状腺剂量、烟云照射剂量、地面照射剂量、吸入有效剂量的最大值。因此,R1=全身有效剂量/(烟云照射剂量+地面照射剂量),R2=甲状腺剂量/(烟云照射剂量+地面照射剂量)。进行剂量计算所用相关时间通常选取为表1所列值。至于相关时间的不同选择对OIL1和OIL2计算的影响将在第4节讨论。计算所用气象条件均取风速3m/s、中性稳定度(D类)、混合层高度500m、无降雨。气象条件选择对OIL1和OIL2计算的影响亦在第4节讨论。3主要结论堆芯熔化/安全壳完整性丧失或泄漏事故(低架释放)和SG完整性严重丧失事故OIL1和OIL2的主要计算结果列于表2、表3和表4。4讨论4.1预期的te最符合自然正义规则(1)由基本计算公式(1)和(2)可看出,OIL形式上与Te成反比关系。而由表2和表3看出,比值R随Te的增加而减少,故OIL并非严格与Te成反比关系。不过,由于预期的Te一般与实际的Te总有差别,故基于预期的Te严格按基本公式和InterRAS程序算出的OIL亦是近似的。因此,如果将Te为4h时的OIL作为典型值,则当预期的Te与4h的差别不超过2h时,则基于此OIL典型值并按与Te成反比的关系近似算得的OIL1,应是可以接受的。(2)在基本计算公式(1)中,GILe代表撤离的通用干预水平,即一周内的可避免全身有效剂量50mSv。而计算OIL1的Te却只取数小时的预期烟羽照射时间。实际遇到的情况可能是:若事故释放的持续时间达十几小时或更长,则在其持续释放时间内风向可能有数次变化,烟羽在最初的方向持续数小时后有可能转到其它方向,但随之又可能再次转到最初方向;若事故释放持续时间仅为数小时,则烟羽照射可能在基本不变的风向上维持数小时,但烟羽过后地面沉积还会继续产生照射。因此,选取数小时的Te来确定OIL1,并由此OIL1决策采取撤离的防护行动,则在一周内实际所避免的剂量很可能大于50mSv。由此可见,取烟羽照射时间Te为数小时所算出的OIL1一般说来是偏安全的,但对于烟羽照射期间的防护行动快速决策却是比较符合实际的。显然,对OIL2也应如此。另外还需要提及的是,按OIL推荐和决策防护行动需要花费时间,公众实施防护行动也要花费时间,这可能使公众实际所避免的剂量较预期值小。4.2计算剂量对油的影响的相关时间(1)不同构造条件下油气密度变化的特征表1中所选取的放射性向环境开始释放时间t2,对堆芯熔化/安全壳完整性丧失或泄漏事故的OIL1和OIL2默认值有少许影响。例如对于无喷淋且释放路径无过滤的这类事故(低架释放),当t2=20h、t3=20h、t4=24h时,相应的有OIL1=0.79mSv/h和OIL2=0.092mSv/h,均比t2=0h、t3=0h、t4=4h时相应值(OIL1=1.0mSv/h,OIL2=0.12mSv/h)略有减小。这是因为进入安全壳的放射性物质在安全壳内衰变和沉淀了20h后,核素的组成有所变化,导致R1和R2稍有变大,OIL1和OIL2比原来值要略小。但从总体上看,放射性开始向环境释放时间t2值对OIL的影响不大。(2)第三,假设当te期间专业完整地储存了大量的照射途径剂量计算起始时间t3对堆芯熔化/安全壳完整性丧失或泄漏事故的OIL1和OIL2有较大影响(参见表5)。这是因为随着剂量计算起始时间t3的增加,在t3之前释放的放射性对Te(=t4-t3)期间地面沉积照射剂量的贡献显著增大,而相对来说其它照射途径在Te期间所造成的剂量基本不变。总体上看,t3的增加将使R1和R2变小,OIL1和OIL2有所增加。应当注意,表5是在假设从t2到t4期间风向不变情况下计算得到的。实际上,在t2到t3的长达20h期间风向大多是变化的,故t3的取值对OIL的影响实际上比表5所示要小,即相应于t3=20h的OIL1和OIL2值比表5所列相应值要小。更应当注意,在放射性物质释放之后应尽快进行干预决策,而不应在放射性物质已释放了很长时间再根据OIL1和OIL2进行干预,这与利用操作干预水平作快速决策的初衷不符。特别是如果拖延了服用碘片的防护行动的推荐和决策,则此项防护行动也就丧失其意义。因而对于计算OIL来说,应选取t3与t2相同。4.3稳定度和降水的影响表6列出了气象条件对SG完整性严重丧失事故(冷却剂裂变产物浓度由“燃料包壳气隙释放”决定)的OIL1和OIL2的影响。由表6可以看出气象条件中的风速和混合层高度对OIL1和OIL2没有影响,这是因为它们不会影响释放源项中核素的组成和释放率。稳定度对OIL1和OIL2有一定影响。由A类稳定度推算的OIL与D类稳定度推算值相比虽然差别最大,但相对差仅约50%。因此,选用D类稳定度算出的OIL值应是可以接受的。降水对OIL1和OIL2有很大影响。因为如果有降水,放射性碘和气溶胶将会大量沉降,甲状腺剂量和吸入有效剂量随降水的增加而大大减少,地面沉积照射剂量大大增加,使得R1和R2变小,OIL1和OIL2变大。但在降水情况下采用无降水情况下的OIL是偏安全的。4.4低架释放的堆芯纤维化/安全壳完整性丧失或泄漏事故距近地表低架释放源不同距离处的OIL1和OIL2计算值已列于表4。图1和图2分别示出了堆芯熔化/安全壳完整性丧失或泄漏事故(无喷淋,释放路径无过滤)的OIL1及OIL2与距释放源距离关系图。由表4和图1、2可以看出:OIL1和OIL2随距释放点距离的增加有所变化(增加),但在1～3km距离范围内变化(增加)不太大。因而,1km处的OIL具有一定代表性,对1～3km范围均适用,并且可以偏安全的用于3～5km范围。对于低架释放的堆芯熔化/安全壳完整性丧失或泄漏事故(无喷淋,释放路径无过滤),本文得到距释放点1km处的OIL与IAEA-TECDOC-955表B4推荐的OIL1和OIL2默认值符合得很好,这不但验证了IAEA推荐的OIL默认值是在假设堆芯熔化的放射性非减少释放条件下确定的,而且或许从另一个侧面说明了1km处的OIL计算值对于低架释放源在距释放点近距离范围内具有一定代表性。值得注意的是,对于低架释放的堆芯熔化/安全壳完整性丧失或泄漏事故,在距释放点较远距离的不同范围(例如大于5km距离的范围),宜采用有别于近距离范围的OIL值,否则可能过于保守。本文建议,对于这种事故,在5～10km距离范围内可采用表4所列距释放点5km处的OIL计算值。对于低架释放的堆芯熔化/安全壳完整性丧失或泄漏事故,若其特征是对放射性碘和气溶胶有很大去除减少(例如,对碘和气溶胶的过滤效率均在99%以上),则以下两点需要注意:一是由于高效过滤使释放源项中放射性碘和气溶胶核素的份额大为减少,使全身有效剂量主要是烟羽外照射剂量的贡献,因而推算出的OIL1随距源释放点的距离变化不大,几乎变成为一个恒定值(在烟羽照射时间Te为4h的情况下,OIL1约为10mSv/h);二是由于高效过滤和放射性碘在地面上的沉积,使在远距离处计算得到的OIL2值可能大于OIL1值,但从实际实施防护行动角度考虑同一距离处的OIL2不应大于OIL1,故需将此处的OIL2取为与OIL1相同(参见表4)。4.5高架释放源的距离范围对于堆芯熔化/安全壳完整性丧失或泄漏事故,有可能是高架释放。表7列出了对高架释放(释放高度100m、150m和200m)的堆芯熔化/安全壳完整性丧失或泄漏事故在距释放源不同距离处计算得到的OIL1和OIL2。图1和图2分别示出了无喷淋及释放路径无过滤情况下这类释放源的OIL1及OIL2与距释放源距离关系曲线。由表7和图1、2可以看出:距近地表低架释放源所确定的较远距离范围(例如等于和大于5km)的OIL1和OIL2值,对相应的高架释放源的相应距离范围是近似适用的,且是偏安全的;但距近地表低架释放源所确定的近距离范围(例如小于5km)的OIL1和OIL2值,对高架释放源的相应距离范围是不适用的。还需要指出:(1)在距高架释放源的近距离范围(例如数km内),烟羽可能为不稳定的有限烟羽,这种烟羽在地面1m高处造成的外照射剂量率和放射性核素空气浓度受释放高度、风向、风速的波动以及地形高低的影响很大,因而通过某种模式计算得出的OIL值似无实际应用意义,试图通过实际测得的辐射监测数据