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

(中国辐射防护研究院， 太原， 030006)

0 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。

1 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。

1.1 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45 min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20 km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8～10 km；福岛事故后，核电厂的预防行动区是5 km，紧急防护行动区是30 km。

1.3 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1 IAEA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。

1.4 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。

1.5 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。

2 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。

2.1 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]、IAEA EPR-NPP-OIL (2017)[12]报告。

目前在IAEA EPR-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(OIL1γ、OIL2γ和OIL3γ)、在皮肤上(OIL4γ)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β或α辐射。虽然使用γ剂量率优于β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(OIL4β)。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131I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α和总β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。

2.2 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》[5]，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IAEA 2017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3 IAEA 2017年报告中操作干预水平默认值

表4 日本政府规定的公众防护行动的操作干预水平值

3 操作干预水平制定

3.1 代表人、照射情景和照射途径

根据ICRP 101、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。

3.2 OIL1、OIL2的计算方法

EPR-NPP-OIL报告中OIL1和OIL2是指反应堆停堆t时间后，地面上方1 m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

表6 操作干预水平计算中考虑的照射情景的描述

基于地面γ剂量率的操作干预水平(OIL1、OIL2)OILxγ值的计算公式：

(1)

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。

3.3 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30 min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。

3.4 放射性核素对操作干预水平计算影响

3.4.1OIL1

IAEA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OIL1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(1000 μSv/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30 d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：

(1)OIL1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；

(2) 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30 d后小于IAEA的OIL1默认值。

3.4.2OIL2

IAEA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(100 μSv/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OIL2默认值；方家山核电8类事故(PWR1、PWR2、PWR3、PWR6、PWR7、S1、S2、S3)停堆后10 d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4 IAEA 19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10 IAEA 19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

4 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IAEA EPR-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。