林明貴

(福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站，福州 350013)

14C是核電廠運行時向環(huán)境排放的主要放射性核素，其半衰期較長(5 730 a)。其排放途徑主要是氣態(tài)流出物，經(jīng)排放后進入環(huán)境，并在環(huán)境中遷移擴散。由于C是組成生物組織的主要元素，進入環(huán)境中的14C，最終可能通過各種途徑進入人體，對公眾造成輻射影響[1]。核電廠的輻射環(huán)境影響評價表明，14C常成為核電廠排放流出物環(huán)境輻射影響的關(guān)鍵核素[2]。以寧德核電廠為例，核電廠4臺CPR1000核電機組正常運行對關(guān)鍵居民組造成的輻射劑量中，14C的貢獻比例為21.14%[3]。國家標準《核動力廠環(huán)境輻射防護規(guī)定》(GB 6249—2011)規(guī)定了核電廠流出物中14C的排放限值[4]，因而需要開展相應(yīng)的排放控制管理；開展核電廠周圍環(huán)境空氣中14C的監(jiān)測，是核電廠輻射環(huán)境監(jiān)督性監(jiān)測的重要內(nèi)容。國內(nèi)外核電廠的輻射環(huán)境監(jiān)測研究表明，14C是除3H外在環(huán)境中最有可能檢出來自核電廠排放影響的核素之一[5-8]。

寧德核電廠目前運行有4臺CPR1000壓水堆核電機組，其首臺機組于2013年4月15日投入商運，至2021年，核電廠4臺機組已有30堆年的運行經(jīng)驗。按照輻射環(huán)境監(jiān)督管理的要求，2013年開始，福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站對寧德核電廠開展了監(jiān)督性監(jiān)測，至2021年，積累了9年的輻射環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文根據(jù)多年來寧德核電廠周圍環(huán)境空氣中14C的監(jiān)測結(jié)果，分析寧德核電廠排放可能的影響，評價其變化趨勢和規(guī)律，可為國內(nèi)同行開展相應(yīng)監(jiān)測與評價提供參考經(jīng)驗。

1 分析方法

1.1 環(huán)境特征及監(jiān)測點位

寧德核電廠位于福建省福鼎市太姥山鎮(zhèn)，廠址東臨東海，南側(cè)和北側(cè)分別為文渡灣和晴川灣，西北側(cè)為低山丘陵地形的備灣山。廠址區(qū)域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，季風(fēng)特征明顯。廠址80 m高處多年平均盛行風(fēng)向為N，風(fēng)頻19.7%，靜風(fēng)頻率3.7%。

寧德核電廠監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)有3個環(huán)境空氣中14C采樣點位，即小筼筜、漁井和牛郎崗。監(jiān)測點位圖及其方位和距離的信息如圖1所示。其中牛郎崗的監(jiān)測點位最近，距離廠址僅1.7 km。此外，在福州市設(shè)一個對照點，位于廠址SW方位約137 km處。

圖1 監(jiān)測點位示意圖

1.2 采樣監(jiān)測方案與方法

空氣中14C的分析采用《空氣中14C的取樣與測定方法》(EJ/T 1008—96)規(guī)定的方法[9]。分析的頻次為每月1次。

采用法國SDEC公司生產(chǎn)的空氣中14C采樣器進行采樣。采樣器流量范圍為10～55 L/h，對空氣中CO2和CH4的捕集效率分別大于85%和90%[10]。捕集液為2 mol/L的NaOH溶液，生成的NaCO3樣品在實驗室加入6 mol/L的CaCl2溶液形成CaCO3沉淀。沉淀經(jīng)過濾后，轉(zhuǎn)移至20 mL的低鉀玻璃瓶(計數(shù)瓶)中，然后加入14 mL閃爍液和4 mL本底水，經(jīng)充分混合和暗置后在Quantulus 1220型超低本底液閃譜儀上進行14C的計數(shù)。閃爍液采用357.1 mL甲苯、2.5 g PPO(2,5-二苯基噁唑)、0.225 g POPOP(1,4[5-苯基-2-噁唑基]苯和142.9 mL Triton-X100(聚乙二醇辛基苯基醚)制成。

1.3 質(zhì)量保證

14C樣品的分析遵循輻射環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量保證的相關(guān)標準要求。對超低本底液閃譜儀，定期委托計量機構(gòu)對儀器進行校準，并使用標準試樣對儀器進行刻度，定期采用儀器自帶的無猝滅檢驗源開展探測效率測量，發(fā)現(xiàn)異常時及時查找原因。同時，針對譜儀開展長期穩(wěn)定性和泊松分布檢驗，并繪制長期穩(wěn)定性參數(shù)(包括本底、效率)的質(zhì)控圖，發(fā)現(xiàn)問題及時分析并糾正。此外，根據(jù)實驗室質(zhì)量管理體系的要求，對每批次樣品取一定比例進行平行樣分析和加標樣分析，同時定期參加14C分析的實驗室間比對。實驗室在長期的運行過程中均實施上述質(zhì)量保證措施，保證了本文中實驗結(jié)果的可靠性。

2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 歷年來監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

(1)結(jié)果統(tǒng)計及與其他核電基地的對比

圖2給出了2013—2021年間各點位的監(jiān)測結(jié)果，表1列出了其統(tǒng)計結(jié)果。分析結(jié)果表明，廠址周圍各點位的監(jiān)測結(jié)果處于相近的水平，平均值結(jié)果范圍為0.229～0.230 Bq/g(碳)，福州對照點結(jié)果平均值為0.225 Bq/g(碳)，廠址周圍監(jiān)測點的結(jié)果稍大。

表1 2013—2021年環(huán)境空氣中14C的監(jiān)測結(jié)果及本底調(diào)查水平

圖2 歷年來空氣中14C監(jiān)測結(jié)果

孫勛杰等人[5]報道了大亞灣核電基地周圍環(huán)境空氣中14C的結(jié)果(2016年)。結(jié)果表明，大亞灣核電基地周圍空氣環(huán)境中14C的比活度范圍為0.23～0.28 Bq/g(碳)，并且呈現(xiàn)距離廠址越近、監(jiān)測結(jié)果越高的特點(最大附加水平約22%)。在距離廠址約7 km時，即降到環(huán)境本底水平[0.23 Bq/g(碳)]。寧德核電廠周圍環(huán)境空氣中14C的比活度與大亞灣核電基地外圍本底0.23 Bq/g(碳)的水平相近，分析原因，可能與各廠址位置及環(huán)境條件、液閃譜儀分析結(jié)果的統(tǒng)計漲落等因素有關(guān)。

黃仁杰等人[6]報道了秦山核電基地周圍環(huán)境空氣中14C的結(jié)果(2002—2009年)，結(jié)果表明，廠址周圍環(huán)境空氣中14C的活度濃度范圍為38.3～55.4 mBq/m3，并且廠址近處點位的結(jié)果要比對照點略高。調(diào)查時段環(huán)境空氣中CO2的體積濃度約380 ppm(大氣中CO2濃度逐年升高，取2017年值)[11]，換算為空氣中含碳量約為0.22 g/m3，則秦山核電基地周圍環(huán)境空氣中14C的比活度范圍約為0.188～0.272 Bq/g(碳)。整體上，寧德核電廠歷年來的監(jiān)測結(jié)果均處于秦山核電基地的監(jiān)測結(jié)果范圍內(nèi)。注意到壓水堆核電廠排放的14C主要是14CH4[1]，而該文報道的采樣方法僅采集空氣中CO2。盡管其進入環(huán)境中將通過各種途徑轉(zhuǎn)化為14CO2，但考慮到轉(zhuǎn)化可能是一個非常緩慢的過程，預(yù)計采樣方法的選擇對監(jiān)測結(jié)果帶來影響。

Varga等人[7]研究了匈牙利Paks核電廠(運行4臺VVER壓水堆核電機組)周圍環(huán)境空氣中14C的分布及影響(2015—2016年)。研究表明，位于廠址2 km范圍以內(nèi)的9個監(jiān)測點位，14CO2形態(tài)的14C附加水平(即監(jiān)測結(jié)果與對照點之差)平均為3.8‰，最大值為91.2‰,而其他14CO2+14CnHm形態(tài)的14C附加水平平均為31.1‰，表明應(yīng)加強14CnHm形態(tài)的14C的監(jiān)測。

法國輻射防護與核安全研究所(IRSN)報道了法國境內(nèi)核電廠周圍環(huán)境介質(zhì)中14C的結(jié)果統(tǒng)計[8]。分析表明，核電廠正常運行長期釋放條件下廠址周圍14C比活度可能在1994—2003年本底水平[0.243 Bq/g(碳)]的基礎(chǔ)上增加0.003 Bq/g(碳)，約1%。

上述對比分析表明，14C是壓水堆排放到環(huán)境中量較大的核素之一，通過液閃測量技術(shù)在廠址周圍環(huán)境空氣均能檢出，但附加水平較低，一般在百分之幾的水平，具體與反應(yīng)堆類型及運行年限、14C的排放水平、廠址環(huán)境條件、監(jiān)測點位與反應(yīng)堆的距離等有關(guān)。

(2)與對照點監(jiān)測結(jié)果的對比分析

前述分析表明，寧德核電廠周圍三個點位的監(jiān)測結(jié)果與對照點相比有微弱的差異，如考慮以對照點監(jiān)測數(shù)據(jù)作為參考，預(yù)計小筼筜、漁井、牛郎崗監(jiān)測點的結(jié)果分別比對照點高出0.004 Bq/g(碳)、0.005 Bq/g(碳)和0.005 Bq/g(碳)(相應(yīng)于核電廠排放影響的附加值)，約高出2%，與上述國內(nèi)外報道的結(jié)果相符[5-6,8]。然而，考慮各點位所有監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計漲落較大，三個點位附加值的不確定度分別為507%、398%和499%，這表明上述估算的附加比活度水平具有極大的不確定性，需進一步采用一致性檢驗方法進行分析。

對各點位的長時間序列數(shù)據(jù)采用正態(tài)分布檢驗，結(jié)果表明，在顯著性水平p=0.05條件下，小筼筜、光漁監(jiān)測點的結(jié)果不滿足正態(tài)分布(p值分別為0.006和0.03)，而牛郎崗和福州監(jiān)測點的結(jié)果滿足正態(tài)分布(p值分別為0.056和0.074)?？紤]廠址周圍監(jiān)測點與對照點監(jiān)測結(jié)果作為兩組配對的非正態(tài)分布連續(xù)變量，采用配對Wilcoxon符號秩檢驗進行一致性分析，小筼筜、漁井和牛郎崗監(jiān)測結(jié)果與福州對照點的監(jiān)測結(jié)果一致，因此，從統(tǒng)計學(xué)角度看，廠址周圍監(jiān)測結(jié)果與對照點的監(jiān)測結(jié)果不存在統(tǒng)計學(xué)上的顯著性差異。

2.2 與運行前本底調(diào)查結(jié)果的對比

寧德核電廠運行前的輻射本底調(diào)查于2009年6月至2011年6月開展。環(huán)境空氣中14C的監(jiān)測點與監(jiān)督性監(jiān)測的點位基本相同(牛郎崗、漁井、小筼筜、福州)，頻次亦為每月1次。本底調(diào)查結(jié)果的統(tǒng)計列于表1。采用單樣品Wilcoxon符號秩檢驗進行一致性分析，結(jié)果表明，在p=0.05的水平，各點位2013—2021年間的監(jiān)測結(jié)果比運行前本底調(diào)查結(jié)果顯著偏高。

運行前本底調(diào)查中，14C的采樣僅采集空氣中的CO2，而監(jiān)督性監(jiān)測中采用的是法國SEDC公司HAGUE 7000型采樣器[10]，具備采集CH4形態(tài)14C的功能?？紤]到壓水堆核電廠氣態(tài)流出物排放主要以CH4形態(tài)為主，監(jiān)督性監(jiān)測結(jié)果與運行前本底調(diào)查結(jié)果的差異可能與具體采樣的差異有關(guān)。具體原因有待進一步研究。

2.3 與流出物排放數(shù)據(jù)趨勢的對比分析

收集了2014年1月至2021年4月間寧德核電廠氣態(tài)流出物月度排放14C的數(shù)據(jù)(如圖3所示)?？紤]核電廠大修期間可能的集中排放，采用月排放值開展相關(guān)性分析，結(jié)果列于表2。從線性系數(shù)(Pearson系數(shù))來看，各點位的14C比活度與寧德核電廠排放量線性均為正，其中牛郎崗監(jiān)測結(jié)果與排放量呈現(xiàn)弱相關(guān)特征(弱相關(guān)的相關(guān)系數(shù)0.2～0.4)，其他點位結(jié)果呈現(xiàn)極弱相關(guān)或不相關(guān)特征(相關(guān)系數(shù)0～0.2)。為進一步檢驗相關(guān)性，采用方差分析(ANOVA)方法分析在p=0.05水平的相關(guān)性。結(jié)果表明，在不相關(guān)假設(shè)條件下，僅牛郎崗的相關(guān)性分析結(jié)果拒絕該假設(shè)條件(p=0.006<0.05)，其他點位則滿足該假設(shè)條件。這表明，距離廠址最近的牛郎崗監(jiān)測點的空氣14C監(jiān)測結(jié)果，明顯受到核電廠排放的影響。

表2 環(huán)境空氣中14C比活度與氣態(tài)流出物排放量相關(guān)性的分析

圖3 環(huán)境空氣中14C比活度與氣態(tài)流出物排放量的對比分析

3 季節(jié)周期性分析

14C在環(huán)境空氣中的比活度受到多種因素的影響，包括生物效應(yīng)、城市氣體排放、大氣循環(huán)[12-15]。受大氣圈和生物圈C循環(huán)的影響，天然環(huán)境中14C的年周期性化一般顯示夏秋季高、冬春季低的特點[14-15]。對于核電廠周圍環(huán)境空氣，14C的比活度可能還受到核電廠排放的影響。研究分析了各點位監(jiān)測結(jié)果的月平均變化，并采用正弦曲線模型進行回歸分析，結(jié)果如圖4所示。圖中，色帶區(qū)域為統(tǒng)計結(jié)果的不確定度(標準偏差)范圍，曲線為正弦擬合曲線(其中固定周期為12個月)。擬合曲線的相關(guān)參數(shù)列于表3。結(jié)果表明，在給定年周期變化假定條件下，小筼筜、漁井、福州點位的監(jiān)測結(jié)果最大值均一般出現(xiàn)在7—9月，且年周期變化漲落的范圍為0.003～0.007 Bq/g(碳)。這與國外文獻報道的北半球環(huán)境空氣中14C的變化規(guī)律相一致[14-15]。對于牛郎崗監(jiān)測點位，呈現(xiàn)不一致的結(jié)果，由于距離核電廠較近，可能與寧德核電廠排放的影響有關(guān)。需要關(guān)注的是，采用正弦曲線回歸的校正決定系數(shù)(AdjustedR2)較低(-0.009～0.338)，顯示回歸結(jié)果具有非常大的不確定性。

圖4 環(huán)境空氣中14C比活度月均值變化

表3 年周期變化的正弦模型回歸參數(shù)

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文分析給出了寧德核電廠周圍2013—2021年間開展的空氣中14C的監(jiān)督性監(jiān)測結(jié)果。分析表明，各點位多年平均值范圍為0.229～0.230 Bq/g(碳)。將結(jié)果與國內(nèi)外其他核電廠周圍監(jiān)測結(jié)果進行了對比；對廠址周圍監(jiān)測點的結(jié)果與對照點的結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明核電廠排放造成的附加值極小，且在統(tǒng)計學(xué)上具有極大的不確定性；同時與本底調(diào)查結(jié)果進行了對比分析，統(tǒng)計的差異性可能與采樣方法的差異有關(guān)；采用核電廠氣態(tài)流出物排放量與監(jiān)測結(jié)果進行了相關(guān)性分析，結(jié)果表明，距離廠址最近的牛郎崗監(jiān)測點的結(jié)果在統(tǒng)計學(xué)上具有明顯的正相關(guān)性。此外，對監(jiān)測結(jié)果進行了年周期性分析，除牛郎崗監(jiān)測點位外，結(jié)果呈現(xiàn)夏秋季高、冬春季低的特點，但在統(tǒng)計學(xué)上具有非常大的不確定性。

4.2 建議

(1)建議統(tǒng)一環(huán)境空氣中14C監(jiān)測的技術(shù)規(guī)范，在采樣、制樣、測量、結(jié)果表達等環(huán)節(jié)均應(yīng)統(tǒng)一方法。應(yīng)針對不同形態(tài)的14C進行采樣(包括有機形態(tài)和無機形態(tài))，如有條件應(yīng)分別開展相應(yīng)的監(jiān)測。應(yīng)統(tǒng)一評價規(guī)范，合理確定對照點，采用對照點的結(jié)果作為參考評估核電廠排放的附加影響。應(yīng)采用比活度為單位開展評價，避免環(huán)境空氣中碳含量的波動對評價帶來的不確定性。

(2)對寧德核電廠周圍環(huán)境空氣中14C的監(jiān)督性監(jiān)測，應(yīng)進一步累積數(shù)據(jù)，開展長時間序列的趨勢分析，或優(yōu)化監(jiān)測方案，進一步開展相應(yīng)的調(diào)查，以更準確評價核電廠排放的影響。