徐瀟瀟 張建崗 孫洪超 莊大杰 孫樹(shù)堂

(中國(guó)輻射防護(hù)研究院， 太原， 030006)

0 引言

操作干預(yù)水平(OIL)是一種可實(shí)際操作的標(biāo)準(zhǔn)，在核事故應(yīng)急期間可利用監(jiān)測(cè)結(jié)果迅速實(shí)施對(duì)公眾防護(hù)行動(dòng)。福島核事故之后，IAEA在《核或輻射應(yīng)急的準(zhǔn)備與響應(yīng)》[1]中，要求使用操作干預(yù)水平作為核與輻射應(yīng)急戰(zhàn)略的一部分。

1979年美國(guó)三哩島、1986年前蘇聯(lián)的切爾諾貝利和2011年日本福島核事故都表明，在應(yīng)急響應(yīng)時(shí)建立一套防護(hù)行動(dòng)的準(zhǔn)則是不可能的[2]，且操作干預(yù)水平也應(yīng)在應(yīng)急準(zhǔn)備時(shí)期制定，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)應(yīng)急響應(yīng)，根本內(nèi)有時(shí)間設(shè)定操作干預(yù)水平值。因此對(duì)于核電廠的操作干預(yù)水平值需要預(yù)先制定。

1 基于操作干預(yù)水平的場(chǎng)外防護(hù)行動(dòng)

切爾諾貝利核電廠和日本福島第一核電廠事故都表明，主控室操縱員能在燃料出現(xiàn)破損前推斷出燃料破損，但對(duì)于觸發(fā)場(chǎng)外行動(dòng)的大多數(shù)嚴(yán)重釋放，操縱員無(wú)法預(yù)測(cè)它的釋放時(shí)間和規(guī)模[2]。因此，最有效的緊急防護(hù)行動(dòng)的啟動(dòng)是當(dāng)一旦超出場(chǎng)外應(yīng)急行動(dòng)水平時(shí)，不應(yīng)等待環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果，核電廠立即通知場(chǎng)外組織啟動(dòng)的響應(yīng)行動(dòng)。目前日本、美國(guó)等國(guó)家和IAEA，均是核電廠一旦發(fā)布場(chǎng)外應(yīng)急，在放射性物質(zhì)還未釋放到環(huán)境之前，公眾就要求執(zhí)行防護(hù)行動(dòng)(如：撤離，隱蔽等)。

對(duì)于切爾諾貝利核事故和福島核事故，除了釋放的位置、大小、開(kāi)始和持續(xù)時(shí)間無(wú)法預(yù)測(cè)，放射性核素釋放的速率和組分也無(wú)法預(yù)測(cè)估算，只能根據(jù)釋放后環(huán)境的劑量率和其他環(huán)境數(shù)據(jù)來(lái)估算放射性核素釋放速率和組分。并且在事故發(fā)生后多年的時(shí)間內(nèi)，不斷對(duì)事故釋放大小的估計(jì)值進(jìn)行修正[3,4]。

根據(jù)切爾諾貝利和福島應(yīng)急的經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)重核事故由于釋放的時(shí)間、方向和持續(xù)時(shí)間是不可預(yù)知的，當(dāng)核電廠工況表明出現(xiàn)實(shí)際或預(yù)計(jì)的燃料破損時(shí)，就需要組織場(chǎng)外開(kāi)展防護(hù)行動(dòng)，IAEA、美國(guó)和日本的核事故場(chǎng)外防護(hù)行動(dòng)具體如下。

1.1 IAEA

核電廠在嚴(yán)重事故大量放射性物質(zhì)釋放前，核電廠至少有幾個(gè)小時(shí)或幾天是時(shí)間發(fā)出警告，這也為在放射性物質(zhì)釋放前啟動(dòng)防護(hù)行動(dòng)提供時(shí)機(jī)。

福島事故后，IAEA要求一旦到達(dá)場(chǎng)外應(yīng)急，在45 min后預(yù)防行動(dòng)區(qū)(PAZ)公眾撤離至緊急防護(hù)行動(dòng)區(qū)(UPZ)以外，緊急防護(hù)行動(dòng)區(qū)公眾就地隱蔽直至撤離。當(dāng)出現(xiàn)放射性物質(zhì)釋放后，就采用操作干預(yù)水平指導(dǎo)防護(hù)行動(dòng)?；诓僮鞲深A(yù)水平的防護(hù)行動(dòng)時(shí)間步驟見(jiàn)圖1[2]。

1.2 日本

日本原子能監(jiān)管委員會(huì)2013年發(fā)布的《原子能災(zāi)害對(duì)策指南》[5]，要求核電廠一旦發(fā)布場(chǎng)外應(yīng)急，盡管放射性物質(zhì)還未釋放到環(huán)境，預(yù)防行動(dòng)區(qū)公眾就要求撤離和服碘，緊急防護(hù)行動(dòng)區(qū)公眾隱蔽(見(jiàn)圖2)。當(dāng)有環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)超過(guò)操作干預(yù)水平值時(shí)，緊急防護(hù)行動(dòng)區(qū)再撤離或搬遷。這是由于福島事故當(dāng)時(shí)要求核電廠20 km半徑范圍內(nèi)公眾撤離，而撤離引起環(huán)境變化對(duì)公眾造成的壓力遠(yuǎn)大于放射性風(fēng)險(xiǎn)[6～8]。

福島事故前，日本核電廠應(yīng)急計(jì)劃區(qū)是8～10 km；福島事故后，核電廠的預(yù)防行動(dòng)區(qū)是5 km，緊急防護(hù)行動(dòng)區(qū)是30 km。

1.3 美國(guó)

美國(guó)核電廠防護(hù)行動(dòng)主要依據(jù)防護(hù)行動(dòng)導(dǎo)則(PAG)手冊(cè)，在2017年P(guān)AG手冊(cè)中將核電廠周?chē)鷦澐至说?個(gè)區(qū)域(見(jiàn)圖3)，分別是：煙羽沉積區(qū)(區(qū)域1)；撤離區(qū)(區(qū)域2)；隱蔽區(qū)(區(qū)域3)；避遷區(qū)(區(qū)域4)。

2017版PAG手冊(cè)要求在核電廠一旦發(fā)布場(chǎng)外應(yīng)急，在放射性物質(zhì)還未釋放到環(huán)境之前，區(qū)域2的公眾就要求撤離，區(qū)域3的公眾進(jìn)行隱蔽。如果證實(shí)區(qū)域2和區(qū)域3是在區(qū)域1以外，那么已經(jīng)撤離和隱蔽的公眾可以回家。

在應(yīng)急中期，區(qū)域1中除了區(qū)域4的其他污染區(qū)域，公眾還在繼續(xù)居住。不過(guò)，這些污染區(qū)域依然要求繼續(xù)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)和執(zhí)行劑量降低的措施。

圖1 IAEA場(chǎng)外應(yīng)急人員基于操作干預(yù)水平防護(hù)行動(dòng)的時(shí)間步驟

圖2 日本場(chǎng)外應(yīng)急人員基于操作干預(yù)水平防護(hù)行動(dòng)的時(shí)間步驟

圖3 美國(guó)核電廠應(yīng)急防護(hù)行動(dòng)區(qū)域圖

由于美國(guó)自1992年以來(lái)，依據(jù)PAG手冊(cè)指導(dǎo)防護(hù)行動(dòng)。并且采用導(dǎo)出響應(yīng)水平(DRL)來(lái)判斷防護(hù)行動(dòng)。導(dǎo)出響應(yīng)水平即是：PAG預(yù)期劑量的可測(cè)量的量。

1.4 英國(guó)

英國(guó)采用的公眾防護(hù)行動(dòng)原則與IAEA-EPR-NPP報(bào)告中提出的原則不同。英國(guó)公眾防護(hù)行動(dòng)指導(dǎo)依據(jù)被稱為應(yīng)急參考水平(ERLs)[9]。英國(guó)應(yīng)急參考水平見(jiàn)表2。根據(jù)防護(hù)行動(dòng)對(duì)公眾有利和不利因素的考慮，ERLs使用了上下限值。低于ERL的情況，不建議采取行動(dòng)；高于ERL，建議采取行動(dòng)。這主是考慮了防護(hù)行動(dòng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)秩序中斷可能超過(guò)收益。

目前，英國(guó)正在對(duì)應(yīng)急參考水平進(jìn)行審查，但是對(duì)應(yīng)急參考水平的改變的可能性很小。而操作干預(yù)水平由于具有直接測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，英國(guó)目前也對(duì)其特別關(guān)注，但英國(guó)認(rèn)為OIL在很大程度上依賴于假設(shè)，同時(shí)需要大量準(zhǔn)確的劑量測(cè)量，并且操作干預(yù)水平僅包括單一的價(jià)值觀。在未來(lái)應(yīng)急管理計(jì)劃中英國(guó)可能會(huì)同時(shí)使用ERL和操作干預(yù)水平，ERLs在早期階段(該階段準(zhǔn)確的劑量測(cè)量收到限制)使用，后期使用操作干預(yù)水平。

1.5 綜述

IAEA、美國(guó)和日本要求核電廠一旦發(fā)布場(chǎng)外應(yīng)急，在放射性物質(zhì)還未釋放到環(huán)境之前，就需要開(kāi)展防護(hù)行動(dòng)。其中，IAEA和日本提出核電廠的場(chǎng)外組織就需要立即在各個(gè)方向執(zhí)行緊急防護(hù)行動(dòng)，而美國(guó)的防護(hù)區(qū)域還是使用下風(fēng)向進(jìn)行劃分。IAEA、美國(guó)和日本指導(dǎo)防護(hù)行動(dòng)使用的是環(huán)境劑量率等可測(cè)量的數(shù)據(jù)，英國(guó)指導(dǎo)防護(hù)行動(dòng)使用的器官或組織劑量等需要計(jì)算的值。

2 操作干預(yù)水平的默認(rèn)值

操作干預(yù)水平默認(rèn)值是需要實(shí)施防護(hù)行動(dòng)(如：撤離、避遷和食品限制)的測(cè)量量的特定值?？紤]到應(yīng)急條件下，信息和數(shù)據(jù)的有限可用性和可靠性，操作干預(yù)水平默認(rèn)值需要在應(yīng)急準(zhǔn)備階段加以制定，以便在應(yīng)急早期及時(shí)作出防護(hù)行動(dòng)的決定。

2.1 IAEA

操作干預(yù)水平至今已有4個(gè)版本，分別出自IAEA-TECDOC-955[10]、IAEA-GSG-2[11]、IAEA-EPR-NPP (2013)[2]、IAEA EPR-NPP-OIL (2017)[12]報(bào)告。

目前在IAEA EPR-NPP-OIL報(bào)告中，在應(yīng)急條件下，IAEA使用周?chē)鷦┝慨?dāng)量率作為在地面上(OIL1γ、OIL2γ和OIL3γ)、在皮膚上(OIL4γ)以及在甲狀腺中(OIL8)所存在放射性物質(zhì)量的有效指標(biāo)，而無(wú)需測(cè)量β或α輻射。雖然使用γ劑量率優(yōu)于β計(jì)數(shù)率，但是IAEA考慮到所有成員國(guó)，還是提供了用于皮膚監(jiān)測(cè)的(OIL4β)。操作干預(yù)水平的默認(rèn)值列于表3。

對(duì)于食品、牛奶和飲用水限制的防護(hù)行動(dòng)的OIL7，IAEA使用了標(biāo)志性核素131I和137Cs的活度濃度作為限值，它們代表預(yù)期存在的所有其他放射性核素。同時(shí)標(biāo)志性放射性核素易于識(shí)別，還避免了既昂貴又費(fèi)時(shí)的同位素分析。

OIL5是食品、牛奶和飲用水中總α和總β活度濃度，OIL6是食品、牛奶和飲用水中各種放射性核素的活度濃度，OIL5和OIL6默認(rèn)值參見(jiàn)IAEA-GSG-2。IAEA認(rèn)為在應(yīng)急條件下，時(shí)間和資源非常有限，使用OIL7比使用OIL5和OIL6更理想。但一旦有足夠的資源和時(shí)間且認(rèn)為必要，可以使用OIL5和OIL6默認(rèn)值。OIL5和OIL6默認(rèn)值適用于任何類(lèi)型的核或輻射應(yīng)急情況，并且OIL5和OIL6默認(rèn)值比OIL7更保守。

2.2 日本

福島第一核電站嚴(yán)重事故，導(dǎo)致了大量放射性物質(zhì)釋放。當(dāng)時(shí)有超過(guò)15萬(wàn)人撤離，且比較混亂。因此，從確保公眾生命和身體安全的角度出發(fā)，確保采取防護(hù)行動(dòng)是盡量減少輻射對(duì)核設(shè)施周邊居民和其他人的影響，日本為此建立了《原子能災(zāi)害對(duì)策指南》[5]，并建立了應(yīng)急行動(dòng)水平(EAL)和操作干預(yù)水平。

該操作干預(yù)水平是基于IAEA“安全標(biāo)準(zhǔn)叢書(shū)”GSG-2[11]制定的，規(guī)定了緊急防護(hù)措施OIL1和OIL2的值，早期防護(hù)措施OIL4的值以及對(duì)食品和水限制措施OIL6的值(見(jiàn)表4)。

通過(guò)與IAEA 2017年報(bào)告[12]中操作干預(yù)水平的值進(jìn)行比較，可以看出日本制定的操作干預(yù)水平，除了食品的限值以外，其他的操作干預(yù)水平值較IAEA的更加保守。

表3 IAEA 2017年報(bào)告中操作干預(yù)水平默認(rèn)值

表4 日本政府規(guī)定的公眾防護(hù)行動(dòng)的操作干預(yù)水平值

3 操作干預(yù)水平制定

3.1 代表人、照射情景和照射途徑

根據(jù)ICRP 101、103號(hào)報(bào)告的建議，EPR-NPP-OIL報(bào)告中操作干預(yù)水平計(jì)算主要基于“代表人”和胎兒的預(yù)期劑量?！按砣恕辈⒉淮硖囟挲g組的任何具體人，它是一個(gè)通過(guò)將導(dǎo)致公眾成員合理預(yù)期受到的最高劑量(有效劑量或器官劑量)的劑量學(xué)因素和情景因素(例如呼吸率和食入率)結(jié)合起來(lái)定義的理論上的構(gòu)成體。

將ICRP不同年齡組參考人的內(nèi)照射和外照射的劑量模型與相關(guān)照射情景結(jié)合起來(lái)，提供了特定途徑的最高劑量估計(jì)值。根據(jù)照射特征的類(lèi)型，例如有效劑量或器官劑量，必須將不同的劑量模型集合起來(lái)，以評(píng)價(jià)代表人的受照情況。所考慮的照射途徑代表人的劑量學(xué)特性如表5所列。操作干預(yù)水平計(jì)算所用的情景描述見(jiàn)表6。

3.2 OIL1、OIL2的計(jì)算方法

EPR-NPP-OIL報(bào)告中OIL1和OIL2是指反應(yīng)堆停堆t時(shí)間后，地面上方1 m處測(cè)量的周?chē)h(huán)境劑量當(dāng)量率。

表5 對(duì)于所考慮的照射途徑代表人的劑量學(xué)特性

表6 操作干預(yù)水平計(jì)算中考慮的照射情景的描述

基于地面γ劑量率的操作干預(yù)水平(OIL1、OIL2)OILxγ值的計(jì)算公式：

(1)

DAOILx(t,mix)=

min〔AOILx,E(t,mix)，AOILx,Hfetus(t,mix)〕

(2)

式中，AOILx,E(t,mix)為基于t時(shí)間參考人有效劑量的地面沉積濃度，Bq/m2；AOILx,Hfetus(t,mix)為基于t時(shí)間胎兒當(dāng)量劑量的地面沉積濃度，Bq/m2。

3.3 操作干預(yù)水平計(jì)算所用放射性核素

根據(jù)OIL1和OIL2計(jì)算公式可知，操作干預(yù)水平值主要與事故釋放到環(huán)境的放射性核素有關(guān)。在EPR-NPP-OIL報(bào)告中參加操作干預(yù)水平計(jì)算核素主要考慮其會(huì)對(duì)場(chǎng)外健康效應(yīng)的顯著影響。操作干預(yù)水平計(jì)算所用的核素沒(méi)有包括惰性氣體和短壽命核素，主要因?yàn)镋PR-NPP-OIL報(bào)告中考慮情景是照射從放射性物質(zhì)的沉積(在地面或皮膚上)開(kāi)始，操作干預(yù)水平計(jì)算不考慮煙羽(外照和吸入)的貢獻(xiàn)，因此操作干預(yù)水平計(jì)算沒(méi)有包括惰性氣體；其次是IAEA認(rèn)為在反應(yīng)堆停堆30 min內(nèi)不會(huì)發(fā)生公眾照射，所以不用考慮短壽命放射性核素。所以EPR-NPP-OIL報(bào)告里輕水反應(yīng)堆操作干預(yù)水平計(jì)算使用了包括：Sr、Zr、Ru、Te、I、Cs、Ce、Pu、Am、Cm等38種核素。

3.4 放射性核素對(duì)操作干預(yù)水平計(jì)算影響

3.4.1OIL1

IAEA采用了包括福島核事故、切爾諾貝利核事故等19種事故源項(xiàng)進(jìn)行OIL1計(jì)算，得到OIL1值隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，19類(lèi)事故停堆后所有時(shí)間的OIL1值基本都高于IAEA的OIL1默認(rèn)值(1000 μSv/h)。

對(duì)我國(guó)秦山一廠等5個(gè)壓水堆核電機(jī)組10類(lèi)事故源項(xiàng)(PWR1～PWR7和S1～S3)進(jìn)行OIL1計(jì)算，OIL1值隨時(shí)間的變化如圖5～圖9所示。

由圖5～圖9可見(jiàn)：秦山一廠、方家山核電、福清核電、昌江核電等4個(gè)機(jī)組10類(lèi)事故停堆后所有時(shí)間的OIL1值基本都高于IAEA的OIL1默認(rèn)值；秦山二廠10類(lèi)事故停堆30 d后的OIL1值比IAEA的默認(rèn)值低。

將秦山二廠的堆芯存積量與秦山一廠比較，37種核素(OIL1計(jì)算需38種核素)的相對(duì)活度與秦山一廠基本一致，僅238Pu的相對(duì)活度高2個(gè)量級(jí)；將秦山二廠的堆芯存積量與昌江核電比較，昌江核電最終安全分析報(bào)告中堆芯存積量的相對(duì)活度是秦山二廠的2倍，但昌江核電缺238Pu(昌江核電最終安全分析報(bào)告中堆芯存積量給出了21種核素)。

通過(guò)堆芯存積量對(duì)OIL1值的影響分析發(fā)現(xiàn)：

(1)OIL1計(jì)算所需的38個(gè)核素，同時(shí)對(duì)38個(gè)核素?cái)U(kuò)大或減小相同的倍數(shù)(核素的相對(duì)活度不變)，對(duì)OIL1隨時(shí)間變化的曲線沒(méi)有影響；

(2) 如果堆芯存積量中238Pu的相對(duì)活度大于10-3，那么會(huì)使OIL1隨時(shí)間變化的曲線在約30 d后小于IAEA的OIL1默認(rèn)值。

3.4.2OIL2

IAEA采用19種事故源項(xiàng)進(jìn)行OIL2計(jì)算，得到OIL2值隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖10。由圖10可見(jiàn)，19類(lèi)事故停堆后所有時(shí)間的OIL2值基本都高于IAEA的OIL2默認(rèn)值(100 μSv/h)。

對(duì)我國(guó)秦山一廠等5個(gè)壓水堆核電機(jī)組10類(lèi)事故源項(xiàng)(PWR1～PWR7和S1～S3)進(jìn)行OIL2值計(jì)算，OIL2值隨時(shí)間變化的曲線和OIL2默認(rèn)值見(jiàn)圖11～圖15。

由圖11～圖15可見(jiàn)：秦山一廠、福清核電、昌江核電、秦山二廠等4個(gè)機(jī)組10類(lèi)事故停堆后所有時(shí)間的OIL2值基本都高于IAEA的OIL2默認(rèn)值；方家山核電8類(lèi)事故(PWR1、PWR2、PWR3、PWR6、PWR7、S1、S2、S3)停堆后10 d內(nèi)的OIL2值低于IAEA的默認(rèn)值。

將方家山核電的堆芯存積量與福清核電比較，方家山核電的堆芯存積量與福清核電基本一致，但方家山核電缺少關(guān)鍵核素132Te的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致OIL2值比IAEA的默認(rèn)值低。

圖4 IAEA 19類(lèi)事故中OIL1隨時(shí)間的變化

圖5 秦山一期核電10類(lèi)事故中OIL1隨時(shí)間的變化

圖6 福清核電10類(lèi)事故中OIL1隨時(shí)間的變化

圖7 方家山核電10類(lèi)事故中OIL1隨時(shí)間的變化

圖8 昌江核電10類(lèi)事故中OIL1隨時(shí)間的變化

圖9 秦山二期核電10類(lèi)事故中OIL1隨時(shí)間的變化

圖10 IAEA 19類(lèi)事故中OIL2隨時(shí)間的變化

圖11 秦山一期核電10類(lèi)事故中OIL2隨時(shí)間的變化

圖12 福清核電10類(lèi)事故中OIL2隨時(shí)間的變化

圖13 方家山核電10類(lèi)事故中OIL2隨時(shí)間的變化

圖14 昌江核電10類(lèi)事故中OIL2隨時(shí)間的變化

圖15 秦山二期核電10類(lèi)事故中OIL2隨時(shí)間的變化

4 小結(jié)

福島核事故后，IAEA要求核電廠一旦發(fā)布場(chǎng)外應(yīng)急，預(yù)防行動(dòng)區(qū)公眾就要求撤離和服碘，而當(dāng)有環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，再通過(guò)基于操作干預(yù)水平擴(kuò)大撤離的范圍。目前IAEA、日本、美國(guó)等國(guó)家，均是核電廠一旦發(fā)布場(chǎng)外應(yīng)急，在放射性物質(zhì)還未釋放到環(huán)境之前，公眾就要求執(zhí)行防護(hù)行動(dòng)(如撤離、隱蔽等)。同時(shí)IAEA和日本防護(hù)行動(dòng)是一定范圍內(nèi)各個(gè)方向執(zhí)行，而美國(guó)的防護(hù)區(qū)域還是使用下方向進(jìn)行劃分。

同樣福島核事故后，IAEA在出版的安全標(biāo)準(zhǔn)中明確要求在核與輻射應(yīng)急中使用操作干預(yù)水平。日本已經(jīng)基于IAEA “安全標(biāo)準(zhǔn)叢書(shū)”GSG-2制定并發(fā)布了核事故下公眾防護(hù)行動(dòng)的操作干預(yù)水平值，來(lái)指導(dǎo)場(chǎng)外公眾防護(hù)行動(dòng)。

目前我國(guó)核電廠操作干預(yù)水平還是依據(jù)福島事故前發(fā)布的IAEA-TECDOC-955技術(shù)文件[11]。但是在操作干預(yù)水平的實(shí)際使用上暴露了許多問(wèn)題。比如IAEA-TECDOC-955要求早期行動(dòng)OIL需要測(cè)量煙羽中的劑量率或空氣中核素活度濃度，但是在許多情況下，嚴(yán)重釋放的時(shí)間長(zhǎng)度將超過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)的時(shí)間，監(jiān)測(cè)時(shí)煙羽的釋放并未結(jié)束，這就造成了數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，并且空氣樣品中的核素活度濃度分析時(shí)間很長(zhǎng)，不能及時(shí)得到結(jié)果。為了完善嚴(yán)重事故條件下對(duì)公眾防護(hù)行動(dòng)，建議采用IAEA EPR-NPP-OIL方法制定操作干預(yù)水平值，制定時(shí)需要考慮核電廠事故源項(xiàng)、照射情景、代表人、劑量轉(zhuǎn)換因子以及使用的參考水平，并且在使用EPR-NPP-OIL方法制定操作干預(yù)水平OIL1和OIL2初始值時(shí)，要根據(jù)IAEA所考慮的38種放射性核素，提供堆芯裂變產(chǎn)物積存量數(shù)據(jù)。