压水堆核电厂流出物中14C的排放限值探讨

上官志洪，黄彦君，蒋 婧，祝兆文，刘新华

(1.苏州热工研究院有限公司,江苏 苏州 215004；2.生态环境部核与辐射安全中心，北京 102445)

为了控制核电厂放射性物质排放，确保核电厂排放的放射性物质对公众造成的辐射剂量满足限值要求并保持在合理可达到尽量低的水平，我国实施气、液态流出物排放总量控制[1-2]。在2011年以前，实施排放总量控制的类别包括气态流出物中的3H、气溶胶、碘、惰性气体等，液态流出物的3H及其他核素[2]。从21世纪初开始，美、法等国开始将14C作为核电厂流出物排放控制的主要核素之一[3]。我国在开展核电厂环境影响评价的经验表明，流出物中排放的14C常成为大多数核电厂公众辐射影响的关键核素[4]。2011年，我国在修订国家标准《核动力厂环境辐射防护规定》(GB 6249)时，对核电厂液态流出物和气态流出物分别提出了14C年排放限值(对3 000 MW热功率的反应堆，分别为700 GBq/a和150 GBq/a)。同时，标准还规定了季度和月度排放总量应分别不超过年排放总量的二分之一和五分之一，且明确要求同一堆型的多堆厂址的年总排放量应控制在上述年排放限值的4倍以内。

近年来，国内运行压水堆核电厂流出物监测经验表明，气态流出物中14C的排放量占GB 6249—2011排放限值的比例常处于较高水平，尤其对于多堆厂址，有超过排放年限值的风险。与此同时，我国一些三代核电机组(如AP1000)近两年的运行经验表明，相比于常规的压水堆核电机组，14C排放量占批准限值的比例更高，且可能集中在大修阶段排放，面临超季度和月度排放控制值的风险，给目前排放控制的管理要求带来挑战。

目前，国家标准GB 6249—2011面临新的修订要求。基于国内外核电厂流出物中14C排放控制管理的经验，需探讨排放限值重新设定的合理性。本文分析了压水堆核电厂14C的产生及排放途径；对收集的国外压水堆核电厂流出物14C排放的数据进行分析；针对AP1000和EPR等三代压水堆，开展14C排放水平的调研；依据我国压水堆核电厂流出物中14C排放管理经验，提出完善GB 6249中关于14C排放限值的意见与建议；提出减少14C产生及开展资源利用研究工作的建议。

1 14C的产生、排放及辐射影响

在压水堆反应堆中，14C主要通过冷却剂、燃料芯块、包壳材料中的17O和14N经中子辐照产生，此外，燃料中核素的三元裂变也会产生14C[5]。

反应堆冷却剂中的14C，主要通过反应堆冷却剂中的两个活化反应14N(n, p)和17O(n,α)产生，二者的热中子反应截面分别为1.82 bar和0.24 bar[3]，其中14N和17O在自然界的丰度分别为99.6%和0.04%，均为稳定性核素。N元素主要来源于冷却剂中溶解的氮气、添加的化学试剂(如联氨、氨水等)；O元素主要来源于冷却剂中的水分子(H2O)[6]。由于冷却剂中N和O元素普遍存在，在压水堆冷却剂中产生14C是不可避免的。研究表明，在两个活化反应中，通过17O(n,α)产生的14C占主要部分。以CPR1000机组为例，通过14N和17O的活化反应产生的14C的量分别为13 GBq/a和306 GBq/a，两者比例达1∶24[7]。

压水堆一回路中的14C，通过各种途径进入核电厂的气、液态流出物和固体废物中。其中，气态14C主要由反应堆冷却剂产生，通过氮气吹扫和脱气后，经废气处理和厂房通风等系统通过烟囱排入环境。研究表明，压水堆核电厂气态排放的14C，其主要的化学形态为有机形态，主要为甲烷(CH4)和乙烷(C2H6)，约占气态流出物排放14C的75%～95%[5]。液态14C主要以离子形态存在于冷却剂中，经过废液处理排入环境[5-6,8]。通过液态流出物排放的14C占比极小，美国电力研究院(EPRI)相关报告给出美国传统压水堆核电厂液态流出物中14C的排放量占比小于产生量的1%[3]。Fejgl等人[9]对捷克的两座压水堆核电厂开展液态流出物中14C的监测(2016年和2017年)，研究表明其排放量占比最大不超过1.1%(2016年Temelin核电厂)。

从近年来国内核电厂的辐射影响评价经验来看，14C一般是对关键居民组造成辐射照射的关键核素。以国内某核电基地(运行4台CPR1000核电机组)为例，其公众照射的关键核素为14C，占关键居民组总有效剂量的63.4%，其中通过气态排放由食入陆生食品和通过液态排放由食入海产品造成的辐射剂量占总有效剂量的比分别为52.2%和11.2%。

2 国内外核电厂14C排放统计分析

2.1 数据来源

近年来国际上对核电厂流出物监测数据信息公开已逐步达到共识，有关公开的监测数据可作为分析参考。美国核能管理委员会(NRC)自1978年以来，除1994—2006年外，每年均发布一份放射性流出物统计年报[10]，并且自2005年起在NRC网站公开各核电厂流出物排放监测数据[11]。欧盟根据2004年发布的2004/2/Euratom建议书[12]，为成员国提供了一个核设施放射性流出物排放数据库(RADD)并通过网络公开，从中可以查询到各成员国核电厂排放数据[13]。基于美国和欧洲发布的压水堆核电厂流出物排放统计数据，无疑可以为我国确定14C的排放限值提供参考。

本文采用的数据来源于2005—2019年美国各核电厂流出物监测报告以及1995—2019年RADD数据库。进入本次统计的国家共有13个，核电厂址共98个。剔除退役核电厂在退役后发布的有关数据及个别异常数据，共获取气态流出物中14C的排放数据1 150组，液态流出物中14C的排放数据386组。

需要说明的是，美国核电厂开展流出物中14C的排放统计基本上是从2010年开始的，且主要针对气态流出物。14C作为难测核素，美国各核电厂一般都是按EPRI发布的技术报告计算得到。报告给出了不同堆型核电厂归一化14C的产生量及对应气态排放、液态排放的比例。例如，对西屋公司生产的压水堆，可采用3.4 Ci/GWth·a(或10 Ci/GWe·a，假定34%的效率)的归一化排放值，其中进入气态的比例为98%，而进入液态的比例一般小于1%[3]。对气态流出物排放，可以考虑该归一化排放值与进入气态的比例、设计热功率及年度内的能力因子相乘进行计算。

2.2 国外核电厂的14C的归一化排放量统计

统计美国和欧洲发布的14C排放量数据一般按厂址为单位，由于机组的排放量水平与反应堆的功率有关，按厂址的排放量与各厂址机组发电量进行归一化。年度发电量的数据取自IAEA核电信息数据库(PRIS)[14]。

分析表明，核电厂14C排放量的统计分布基本为偏态分布。对于统计平均值，在本文中采用几何平均进行分析。国外核电厂流出物中14C归一化排放水平列于表1。

从表1中可以看到，对上述国外压水堆核电厂址，气态流出物中14C归一化排放量范围为1.5～706.7 Bq/kWh，平均值为30.7 Bq/kWh，液态流出物中14C归一化排放量范围为0.001 5～3.2 Bq/kWh，平均值为1.2 Bq/kWh。以一台百万千瓦级压水堆核电机组(1 GWh)按年满功率运行8 000 h计算，则每堆的预期年排放量为：气态流出物中14C排放量的范围为12.2～5 654 GBq/a，平均值为246 GBq/a(占GB 6249—2011规定排放限值700 GBq/a的35%)；液态流出物中14C排放量的范围为0.01～25.3 GBq/a，平均值为9.6 GBq/a(占GB 6249—2011规定排放限值150 GBq/a的6.4%)。各厂址气态和液态流出物中14C排放量水平最大相差近3个数量级，部分统计值较高的主要原因是这些核电厂年度发电量低，经归一化后导致结果较大。

表1 美国和欧洲核电厂流出物中14C归一化排放水平统计(单位：Bq/kWh)

对液态流出物，目前仅有3个国家给出了14C排放量水平。其中，美国的排放量平均值约为0.06 Bq/kWh(与气态排放的比例为0.15%), 法国为1.7 Bq/kWh(与气态排放的比例为7.2%)。美国和法国压水堆核电厂液态流出物排放的14C可能都是采用计算得到，具体的差异可能与相关的设计及计算方法的差异有关。

2.3 14C排放量与GB 6249—2011限值的比较

为分析GB 6249—2011中规定的排放限值与国外核电厂实际排放量的包络性，以一台百万千瓦级压水堆核电厂年满功率运行8 000 h进行估算，则气态流出物和液态流出物的归一化排放限值约为87.5 Bq/kWh和18.75 Bq/kWh。然而，考虑到目前GB 6249—2011中对厂址排放限值的要求为4台百万千瓦级核电机组，对于典型的规划6台机组的情况，意味着单台机组的排放限值将降至58.3 Bq/kWh和12.5 Bq/kWh。目前一些国内核电厂址还有建设8台机组的需求，则相应的排放年限值将降至43.8 Bq/kWh和9.4 Bq/kWh。

分别绘制国外核电厂气、液态流出物排放数据分布箱图及与归一化排放限值的对比，如图1和图2所示。可以看到，对气态流出物中的14C排放，各国的水平整体上都在1个数量级，其平均值的范围为13.4～129.8 Bq/kWh，平均值为40.4 Bq/kWh。按现GB 6249—2011中气态流出物排放限值，可以包络96%的欧美国家排放统计值，其中，对于法国核电厂，包络率达100%。然而，如果考虑一个规划6台百万千瓦级压水堆核电机组的厂址，对应的单台机组排放限值的对国外压水堆核电厂气态流出物排放14C水平的包络率则仅为92%。如考虑一个厂址建设8台百万千瓦级压水堆核电机组，则相应的包络率将降至73%。因此，从国外核电厂流出物统计数据来看，对于4台以上机组的多堆厂址，GB 6249—2011对气态流出物中14C的单台机组排放限值偏紧。

图1 气态流出物中归一化排放14C统计分布及与GB 6249—2011限值的对比

图2 液态流出物中归一化排放14C统计分布及与GB 6249—2011限值的对比

对液态流出物，现有GB 6249—2011排放限值完全可以包络各国排放量，且有较大的余量。即使考虑8台机组按4台机组控制，也是可以完全包络的。

2.4 历年排放量变化统计分析

图3和图4分别给出了各国历年气态和液态流出物中14C排放量统计结果的变化。可以看到，主要国家的监测结果整体上看没有明显的上升趋势。如对于法国(统计样本较多)和美国的数据，可以看到均处于或基本维持在相近的水平。部分国家在早期的结果相对较低(如西班牙)，2000年以后基本维持在相对稳定的水平。从上述分析来看，压水堆核电厂通过气态、液态流出物排放的14C的量基本不随机组运行时间或年限而变化。

图3 欧美压水堆核电厂气态流出物排放历年统计分布

图4 欧美压水堆核电厂液态流出物排放历年统计分布

3 AP1000和EPR压水堆核电厂的14C的排放量

需要指出，早期运行压水堆核电机组多采用法系技术路线，参考法国压水堆核电机组的排放限值，GB 6249—2011中单堆排放限值具有较好的包络性；而我国目前压水堆核电技术采用多种机型，除了法国M310改进型机组以外，还包括AP1000、EPR、华龙一号以及VVER等，由于具体设计的差异，且新的堆型运行经验数据较少，如仍考虑单一机组排放限值控制，需要综合考虑不同类型机型14C的产生及排放的情况。

早在2015年，美国相关研究机构发布报告，指出AP1000和EPR机组运行由于反应堆冷却剂系统(RCS)中氮浓度比目前运行大部分压水堆核电厂(传统美国压水堆电厂氮浓度为0.9 ppm)的浓度要高，预计14C的产生率较传统压水堆核电厂要高(传统压水堆核电厂14C产生量为37.6 Bq/kWh)。US-AP1000和US-EPR机组设计中，RCS系统平衡氮的浓度为35 ppm。根据计算，对US-AP1000机组和US-EPR机组，RCS系统氮浓度每增加1 ppm，预计14C的年产生量将分别增加3.3 GBq/a和4.38 GBq/a。

研究表明，对AP1000机组，14C的产生量预计为44.4 Bq/kWh，比传统美国压水堆核电厂高23%。其中，通过气态排放的14C约为39.9 Bq/kWh。参考国内AP1000设计(1 250 MWe)，按满功率年运行8 000 h估算，对应的气态年排放量相应于399 GBq/a，约占GB 6249—2011规定排放限值按功率折算值875 GBq/a的45.6%。如考虑采用GB 6249—2011中按4台百万千瓦级压水堆核电机组的控制值(即2 800 GBq/a)计算，同一厂址最多可以建设6台AP1000机组，估算的排放量约为2 394 GBq/a，占限值的比例将达到85.5%，裕量很小。

对EPR机组(US-EPR)，14C的产生量预计为53.1 Bq/kWh，比传统美国压水堆核电厂高41%。其中，通过气态排放的14C约为47.8 Bq/kWh，参考国内EPR设计(1 750 MWe)，按满功率年运行8 000 h估算，对应的气态排放量相应于669 GBq/a，约占GB 6249—2011规定排放限值按功率折算值1 225 GBq/a的55%。如考虑采用GB 6249—2011中按4台百万千瓦级压水堆核电机组的控制值(即2 800 GBq/a)计算，同一厂址可以考虑建设4台EPR机组，估算的排放量约为2 677 GBq/a，相应的占限值的比例将达到96%，裕量极小。

结合国内运行压水堆核电机组的运行经验，预期14C在18个月的换料周期内产生的大部分14C将在停堆换料期间排放。如考虑AP1000和EPR机组运行时14C排放量增加的情况，如仍集中在停堆换料期间排放，将极可能超月度和季度控制值，这为我国现有GB 6249—2011规定的排放限值管理方法提出了挑战。随着我国目前三代压水堆核电机组运行的经验积累，应持续关注AP1000和EPR等机组的14C的排放管理及相关研究工作。

4 减少14C产生和排放的措施

通过上述美国和欧洲压水堆核电厂流出物排放数据分析表明，气态流出物中14C排放的平均值为246 GBq/a，液态排放的平均值为9.6 GBq/a。目前我国GB 6249—2011规定的排放限值整体上与国际上现运行核电厂的排放数据相比仍是可接受的。但是若考虑同一厂址规划4台以上机组，我国相应的排放限值将更趋严格，对于一些三代核电机组及大修期间可能的短期集中释放的情况，可能存在超年限值和季度、月度限值的风险。在现有排放限值框架要求下，寻求减少14C的产生及排放水平的技术方法显得尤其重要。

减少14C的产生就需要合理控制一回路中N和O的含量。如对于AP1000电厂大修期间，堆芯补水的饱和氮浓度约为14 ppm，反应堆再次启堆期间冷却剂中的氮浓度对于平均氮浓度的影响就比较重要，需要合理控制氮浓度。可采取在一回路抽真空充水期间将真空抽至尽量低等措施，同时抽真空也进一步降低了氧的量，进而减少启堆期间除氧所需添加的联氨量，有利于减少14C的产生。

关于减少14C向环境的排放，国内外已有一些研究机构开展了气态流出物中14C的回收研究工作。例如20世纪80年代加拿大原子能有限公司(AECL)开发的石灰鼓泡吸收系统，可用于CANDU堆中慢化剂覆盖气体中14CO2的吸收[15]。国内方面，已有研究院所针对核电厂14C的排放特点开展了相关研究并建立了原理样机，其对CH4和CO2中14C的处理效率均达到95%以上[16]。有关研究表明，对气态流出物中排放的14C，可能有高达69.4%的比例来自废气处理系统(假定均为贮存衰变箱排放)，则仅针对废气处理系统的排放进行14C回收，即可减少排放量至原来的1/3水平[17]。

14C在大气、水文、生物、医疗等领域都有着重要的应用[18]，例如，用14C研究幽门螺杆菌感染和肝病[19-20]，用14C作为示踪剂研究农药等在环境中的迁移和有机质转化等[21-22]。鉴于14C的应用价值，可探讨在不影响核电厂正常运行的前提下对气态流出物中14C的回收利用，也达到了降低排放量和公众剂量的目的，具有明显的社会效益。

5 结论与建议

本文通过调研分析压水堆核电厂流出物排放的14C的来源及国外压水堆核电厂气态和液态流出物中14C的排放水平，分析了现有GB 6249—2011中14C排放限值对这些核电厂排放量数据的包络性，研究分析了多堆厂址、AP1000和EPR等新堆型电厂的运行需求对目前标准规定的14C排放限值管理带来的挑战，以及14C的减排技术等。

(1)国外核电厂流出物统计数据分析表明，按一台百万千瓦级压水堆核电厂估算，美国和欧洲压水堆核电厂气态流出物排放14C的量平均为246 GBq/a，液态流出物排放14C的量为9.6 GBq/a，现GB 6249—2011中气态流出物排放限值可以包络96%的欧美国家排放统计值，液态流出物排放限值可以包络100%的相应统计值。但是，对于4台以上机组的多堆厂址，GB 6249—2011对气态流出物中14C的单台机组排放限值偏紧。

(2)调研了AP1000和EPR三代核电机组14C的设计排放水平，与目前在运PWR(美国)的典型值相比，AP1000和EPR两种机型每单位功率14C产生量分别高约23%和41%，单台机组气态流出物中14C的排放量预期为399 GBq/a和669 GBq/a。根据GB 6249—2011的14C排放限值管理要求，同一厂址最多可以建设6台AP1000机组和4台EPR机组，但相应的余量非常小。

(3)同时需要关注大修期间气态14C短期集中释放的情况，可能会出现季度或月度排放不满足控制值的风险。此外，还应持续关注AP1000、EPR、华龙一号、VVER等三代核电机组14C实际运行排放的情况，进一步开展相关研究(14C的化学形态、运行工况的影响等)，为建立更有效的排放管理方法提供有效支持。

(4)在保证核电厂安全运行的前提下，可考虑从源头和资源化回收利用方面减少核电厂气态流出物中14C向环境的排放，具有明显的社会效益，并在一定程度上产生经济效益。建议进一步开展14C减排技术相关研究，并进行代价-效益论证。