海洋核动力平台辐射环境监测技术要求研究

黄彦君，上官志洪，徐月平，张晓峰

(苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

0 引言

海洋核动力平台是利用核能实现海上电力、热力、淡水供应等功能的海洋综合能源供给装置，是核电技术与海洋船舶工程的结合。目前海洋核动力平台一般采用模拟化设计的紧凑型压水堆技术方案，易于安装、运行及换料检修，技术先进，安全性好，环境友好，经济上具有竞争力，近年来日益受到国家的重视[1]。

作为一种民用的海上移动式核设施，与传统的陆上固定式核动力厂相比，海洋核动力平台在流出物监测和辐射环境监测系统的设计、监管及实践方面均无经验，需要综合考虑在目前法规标准体系方面的适宜性。2016年，国家核安全局以“国核安发[2016]1号”文发布了《小型压水堆核动力厂安全评审原则(试行)》[2]，但并不涉及流出物监测与辐射环境监测方面的要求。

由于海洋核动力平台本身和运行环境的特殊性，流出物监测和辐射环境监测系统的设计需要考虑用于海洋核动力平台的反应堆运行安全要求、海洋环境条件、运行管理模式、监测和维保工作的现实条件等。有别于陆上固定式核动力厂，海洋核动力平台需要在船厂进行建造、调试，在基地进行装料和大修，在运行场址运行。因此，海洋核动力平台的流出物监测和辐射环境监测系统的设计需要兼顾在船厂、基地、运行场址的监测。

本文参考我国现有陆上固定式核动力厂的相关法规标准要求和辐射监测技术的进展，针对海洋核动力平台的特点，探讨流出物监测和辐射环境监测系统初步设计的技术要求，为我国核动力平台辐射环境监督管理提供借鉴。

1 流出物监测

1.1 法规标准要求

我国《放射性污染防治法》以及相关核安全法规提出了核设施营运单位应开展流出物监测的要求。相关标准包括：《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB 18871—2002)[3]、《核动力厂环境辐射防护规定》(GB 6249—2011)[4]、《核设施流出物监测的一般规定》(GB 11217—89)[5]。

GB 18871—2002提出，营运单位应按照审管部门的要求，制定和实施公众照射监测大纲，并提供相应的监测设备，以便对公众照射进行评价。对于放射性物质向环境排放的控制，营运单位的排放不应超过审管部门认可的排放限值，包括排放总量限值和浓度限值，同时应配备有适当的流量和浓度监控设备，使排放受到控制，其中对含放射性物质的废液应采用槽式排放。

对于陆上核动力厂，GB 6249—2011规定了运行状态下的剂量约束值和排放控制值，并对流出物排放管理和流出物监测提出了明确的要求。对气态流出物的监测项目应包括惰性气体、碘、粒子、碳-14和氚，对液态流出物的监测项目应包括氚、碳-14和其他核素。海洋核动力平台也可以参考相关要求。

GB 11217—89适用于各种类型的核设施，并提出了流出物监测计划制订以及相关的采样、测量、结果的记录和报告等的要求。标准规定：对于核动力堆，必须连续或定期地分析和测量流出物中运行许可证上规定的核素的浓度和总量，每季度应做一次所有放射性核素成分的全分析；气态流出物典型的监测系统应包括惰性气体的连续测量、131I和放射性气溶胶的连续取样及实验室间测量。

1.2 监测系统设计

(1)废物处理方面的考虑

核设施流出物包括液态流出物和气态流出物，与放射性废液处理系统和废气处理系统设计直接相关。

海洋核动力平台放射性废液处理系统设计采用絮凝过滤、离子交换、深床吸附、反渗透等工艺，经处理后的放射性废液排入废液暂存箱，经取样监测合格后排入海洋或转运排放；放射性废气处理设计对含氢废气和含氧废气进行分别收集和处理，对含氢废气采用延迟贮存衰变处理，在满足一定的贮存衰变时间要求后进行排放；对含氧废气采用过滤处理后排放。处理后的气体经放射性监测仪排放至通风排气管并最终经烟囱排放。排放前需经采样监测，排放过程中需在线监测。

(2)气态流出物分级取样经验

我国目前尚无针对不同核设施气态流出物排放区别化监测的标准。美国《核设施烟囱和管道中气载放射性物质释放的取样与监测》(ANSI/HPS N13.1—2011)[6]提出了针对核设施气态流出物分级取样的要求。根据潜在的气态流出物的排放程序和工艺性质及响应要求，按释放物质性质和数量实施不同类别的取样(标准将潜在的影响类别分为4类(PIC1～PIC4)，具体见表1)。参考该标准要求，针对海洋核动力平台的气态流出物监测，可通过估算潜在公众剂量占允许限值的份额后进行判断，按照审管部门的建议对其进行相应的监测。如公众剂量评估结果占剂量允许限值的份额很小，可进行必要的简化。

表1 ANSI/HPS N13.1—2011[6]推荐的气态流出物取样与监测的分级方法

(3)排放过程控制的要求

对液态流出物排放，为了监控流出物排放过程(主要针对γ核素)，根据GB 18871—2002的要求，必须采用槽式排放的方式，同时在排放管线设计液态流出物连续在线监测系统。目前γ灵敏探测器用于连续在线监测已有比较成熟的经验。

对气态流出物排放，需要开展惰性气体、气溶胶和放射性碘的在线监测，主要用于监测异常排放，提供报警信号，可采用总β或总γ的监测设备。参考目前陆上固定式核动力厂的流出物监测系统，提出海洋核动力平台流出物在线监测系统的设计，见表2。对监测设备的报警阈值设计，还要考虑浓度控制及监测设备性能和响应的要求。流出物在线监测设备应有必要的冗余设计。

表2 海洋核动力平台流出物在线监测系统建议方案

(4)排放浓度和排放量评估的要求

对液态流出物，为确保每罐废液排放浓度满足批准的浓度限值要求，应通过采样监测总放射性或监测预期确定核素清单中的核素，目前NaI(Tl)谱仪监测总γ的方法在陆上核电厂液态流出物监测中已有成熟的经验。对气态流出物监测，应确保对每类批准的流出物监测项目均开展相应的监测，一般应包括惰性气体、气溶胶和放射性碘、3H、14C。对惰性气体应确保对含氢废气贮存衰变后的排放开展监测，其余监测项目可在烟囱进行采样监测。

(5)流出物监测实验室

为评估是否满足排放管理限值的要求，需要采集流出物样品进行分析。考虑到海洋核动力平台在现场可能的长期运行条件，需要在平台上设置紧凑型的流出物监测实验室，配备必要的监测设备。

流出物监测实验室配备的仪器设备应针对相应分析项目，其性能参数必须满足浓度控制和排放量控制对探测限的要求，同时应考虑监测设备对船体摇摆、冲击、抗腐蚀等条件的适应性。实验室配备的设备应至少包括NaI(Tl)谱仪、高纯锗谱仪、液闪谱仪、α/β测量仪。考虑平台舱室安排的紧凑性，每种监测设备在确保工作状态正常的条件下应至少各配一台，必要时需要冗余配置。对流出物实验室及相关仪器设备的要求，见表3。

表3 海洋核动力平台流出物实验室仪器配置

1.3 监测技术要求

(1)监测点

流出物监测需要关注流出物的释放点。对液态流出物，应考虑在释放管线上开展连续在线监测；排放前应对每罐流出物进行取样监测。对气态流出物，应考虑在排放烟囱上针对不同的监测项目开展连续监测或取样。对于含氢废气，参考陆上核电厂的经验，经贮存衰变后可开展取样监测，确定特定核素的排放量。

(2)监测项目

海洋核动力平台流出物监测项目需要考虑其释放源项特征及批准的排放量，主要针对常规监测，必要时应考虑计划外释放的监测。参考GB 6249—2011的要求，对液态流出物，应对每罐核岛排放的液态流出物取样监测3H、14C和其余核素，其余核素至少应包括关注的裂变产物134Cs、137Cs以及活化产物51Cr、54Mn、58Co、60Co、110mAg等，具体可根据源项计算结果评估确定。对于常规岛排放的液态流出物一般只需要监测3H及总γ。为确定是否满足排放浓度控制条件，需要开展总γ分析；在排放管线上还应开展总γ的连续在线监测。对气态流出物，应在烟囱连续采集气溶胶、碘及惰性气体样品，在实验室进行分析。其中关注的气溶胶核素应包括134Cs、137Cs、58Co、60Co等，关注的碘核素应包括131I、133I，关注的惰性气体核素应包括133Xe、135Xe等。此外还应连续采集烟囱排放的3H和14C样品，在实验室进行分析。对于连续在线监测，可参考表2的要求开展相应的在线监测。对含氢废气贮存衰变的取样监测，一般情况下仅需要考虑惰性气体，监测核素应包括133Xe、135Xe等。

GB 11217—89规定，对于流出物中的核素种类及比份已清楚且基本固定、流出物的放射性活度或比活度确实很低，以至不可能或不必要进行特定核素的测定，但又必须证实放射性水平很低时，经主管部门和监督部门认可后可只进行总活度测量。根据陆上固定式压水堆核电厂流出物监测的经验，一般情况下，对烟囱排放的气溶胶、碘和惰性气体，正常运行情况下采样监测的结果一般都在探测限水平以下。考虑对海洋核动力平台的设计及源项进行合理评估，在满足该要求时，可以采用总放射性监测代替核素分析，在审管部门同意后采用总放射性替代核素分析以用于评估排放水平，以简化海洋核动力平台流出物监测程序。表4列出了海洋核动力平台流出物取样监测的技术建议。

表4 海洋核动力平台流出物取样监测的技术建议

(3)分析频次

参考我国陆上固定式核动力厂的流出物监测经验，对液态流出物的取样分析应确保每罐流出物样品均进行监测。特殊情况下，可采用月度混合样监测，例如对常规岛排放的除氚外核素的监测。对气态流出物的取样分析，一般考虑采用每月4次监测(约为每周一次)的监测频次。除此之外，可以根据GB 11217—89的要求每季度开展一次核素全分析，这些全分析包括分析特定的核素，如液态流出物中55Fe、63Ni、90Sr等。国外的相关监测法规要求也有类似的经验[7-9]。

需要关注平台液态流出物排放的要求。目前我国海洋核动力平台一般考虑在陆上核电基地进行换料，期间的液态流出物将统一接驳至陆上基地通过虹吸井实施排放，在转移至陆上基地排放前也应按流出物槽式排放的要求开展相应的监测。此外，由于海洋核动力平台液态流出物产生量小，有一种设计方案即将液态流出物收集后返回换料基地排放，在此情况下，应提供该批次液态流出物中放射性核素浓度的相关信息。

2 辐射环境监测

2.1 法规标准要求

我国《放射性污染防治法》以及相关核安全法规提出了核设施营运单位应开展辐射环境监测的要求。与核设施辐射环境监测相关的标准要求包括GB 18871—2002和GB 6249—2011。GB 18871—2002提出，营运单位应及时向审管部门报告环境辐射水平或污染显著增加的情况，开展辐射环境监测。GB 6249—2011提出了运行期间常规辐射环境监测的要求，明确提出营运单位应制定环境监测大纲，并且在首次装料后依据大纲进行常规辐射环境监测。2021年，《辐射环境监测技术规范》(HJ 61—2021)[10]修订发布，但没有针对海洋核动力平台辐射环境监测提出技术规范要求。

2.2 监测系统设计

海洋核动力平台需要在船厂建设和调试，完成后转移至运行场址，定期大修和换料需要在换料基地完成。因此，海洋核动力平台的辐射环境监测至少应包括船厂、换料基地、运行场址的辐射环境监测。监测系统的配置需要综合考虑监测项目的要求、现场监测和维护的要求、监测技术的成熟水平等。

(1)船体辐射环境监测

船体辐射环境监测的目的主要是对平台上工作人员的辐射防护。应在船体人员活动频繁区域布设γ辐射探头，建立船体γ辐射剂量率连续在线监测系统，以长期关注船体γ辐射剂量率的变化，设定必要的报警阈值，为工作环境的辐射环境水平提供预警信息。点位设置综合考虑与堆芯的距离、人员活动的频率等。系统可以将连续监测数据发送到主控室，同时接收探头故障报警、电源故障报警和阈值报警信号。

(2)运行场址辐射环境监测

考虑平台运行期间辐射环境监测要求，应建立辐射环境监测实验室。有四种可供选择的方案：1)在船体空间布局允许的条件下，可设置辐射环境监测实验室；2)如船体空间布局受限，可考虑与流出物监测实验的功能合并，但应增加相应的监测设备数量，同时应防止交叉污染；3)如运行场址长期固定，可以在就近的陆地上设置辐射环境监测实验室；4)配置实验室方舱，在平台系泊于现场后将方舱吊装到运行场址开展监测。开展辐射环境监测的移动实验室已有较好的经验，在事故应急准备和响应时具有重要的应用[11]。如必须建立实验室开展监测，建议采用上述第4)种方案。然而，鉴于海洋核动力平台运行场址可能比较偏远，实验室运行维护不易，可采用委托开展监测的方案。

在不同流出物实验室共用的条件下，辐射环境监测实验室应至少配备一台高纯锗谱仪、一台液闪谱仪、一台α/β测量仪。必要时可与流出物监测实验室互为备用。其他实验室的样品前处理设备配置类型、数量应根据运行期间的监测项目而定。如实验室配置在平台上，应考虑监测设备和样品前处理设备对于平台环境的适应性，包括应对船体摇摆、冲击、环境腐蚀等环境条件。

运行场址应考虑水体放射性连续在线监测。

(3)建造和换料基地的辐射环境监测

对于建造基地和换料基地的辐射环境监测，应考虑在现场开展辐射环境监测，建立相应的辐射监测实验室，配备各类监测设备和前处理设备。

对于建造基地、换料基地，为确定海洋核动力平台释放放射性对环境的影响，并用于公众照射评估，为应急监测提供基础数据，应开展附近区域γ辐射剂量水平的监测。综合考虑海洋核动力平台可能在多处服务时探头布放和回收的便携性，应分别建立相应的空气γ辐射连续监测系统。系统包括就地端和数据端，就地端应有辐射监测、数据采集、数据传输、电池供电等功能。探头数量及布置需要综合考虑陆上区域人员活动范围、主要生产生活所在区域、排放点的位置等确定。考虑到液态流出物的排放，应在各基地和运行场址投放若干水体放射性连续在线监测系统开展连续在线监测，监测的项目应包括γ辐射剂量率及必要的人工放射性核素。空气γ辐射连续监测和水体放射性连续在线监测的辐射监测探头的性能参数需要满足常规辐射环境监测和应急监测的要求。此外，为保证基地工作人员和公众的辐射安全，可以考虑在各基地设置空气气溶胶采样系统(至少1个点位)，定期进行采样监测，采样流量根据采样频次的要求及设备性能等确定，必要时采用连续在线监测装置开展监测。在运行场址，根据现场条件确定是否需要设立该系统。

(4)应急监测的需求

针对海洋核动力平台运行位置，需要考虑应急监测的需求，除了兼容常规监测的相关设施设备外，可根据需要配备监测船、监测飞机等。

监测船可在事故应急时用于海洋水面的监测和取样，在海洋核动力平台正常运行时可作为必要的手段开展相应的监测与取样。目前无人系统技术发展迅速，已有商品化的无人监测艇应用于水体表面辐射环境监测(巡测)、应急监测、事故救援及核安保等领域。无人艇可搭载γ气溶胶测量系统、γ巡测系统(可选配能谱测量)、空气取样系统、水下辐射监测系统、气象观测系统、通信系统等。

监测飞机可在事故应急时用于海洋核动力平台上空空气的监测和取样。已有商品化的无人机应用于辐射环境监测、应急监测、搜寻孤源、事故救援及核安全、反恐等领域，目前基本上能实现组网飞行、放射性快速监测、核素分析、大气快速取样、现场情景视频监控与传输、无线通信与组网、数据处理分析等技术，在事故应急时发挥作用。

海洋核动力平台辐射环境监测设施设备需求见表5，相应的监测体框架见图1。

图1 海洋核动力平台辐射环境监测体系框架

表5 海洋核动力平台辐射环境监测设施需求

2.3 监测技术要求

核设施的辐射环境监测主要有两个目的：1)用于评估和控制其对周围环境和公众产生的辐射影响；2)用于指示排放放射性物质对环境的累积影响。

(1)监测范围及点位布置

对于陆上固定式核动力厂辐射环境监测的范围，GB 6249—2011规定，运行期间环境γ辐射水平的调查范围为半径20 km，其余项目的调查范围一般取10 km。海洋核动力平台运行期间的监测主要考虑3个基地的监测，其监测范围参考GB 6249—2011的要求可以缩减。考虑到海洋核动力平台建造、大修和运行的实际情况，如基地没有其他核设施开展的辐射环境监测，其监测范围可考虑半径为5 km的范围或者更小。如基地还有其他核设施运行(例如建造和换料基地)，应在基地现有核设施辐射环境监测的范围内，结合海洋核动力平台的需求进行必要的补充。空气中γ辐射连续在线监测、水体放射性连续在线监测以及陆上空气气溶胶采样，应主要在平台附近区域盛行风下风向设点，同时还需要综合考虑现场环境状况，如洋流条件、海岸线的分布等。

(2)采样监测频次

采样监测频次需要综合考虑现场的采样监测条件。对于γ辐射连续在线监测，应采用实时监测。对于水体γ辐射连续在线监测，考虑核素识别的要求，需要根据监测方法探测下限的要求确定。对于空气中气溶胶连续在线取样，在有条件的情况下采用连续在线监测，目前的监测技术水平条件下可以做到每日开展一次监测。

对于各类环境介质的采样，参考常规辐射环境监测频次的要求，一般情况下可以每半年或每年开展一次监测。对于海水，必要时每月开展一次。

(3)监测内容和分析方法

各个基地辐射环境监测的内容主要考虑海洋核动力平台释放放射性物质的迁移途径，并考虑可能对公众造成的辐射影响。

对气态途径，主要考虑γ辐射连续监测和空气中气溶胶监测。其对公众造成辐射影响的途径为烟羽浸没外照射和吸入内照射。受现场环境和人力方面的限制，对各基地γ辐射剂量率的监测，常规监测时可暂不考虑就地监测和累积剂量监测。对液态途径，应考虑海水、海洋沉积物和海洋生物的监测。其中海水、海洋底泥沉积物的监测主要考虑用于评估可能的环境累积影响，对海洋岸边沉积物的监测，在评估公众活动的岸边沉积物外照射方面也有一定的意义。对海洋生物的监测，需要考虑各基地的实际情况，一般情况下，如作为公众消费的海洋生物，主要考虑公众食入海产品内照射的评估，同时作为生物监测方法，具有一定的指示意义。海洋生物的选择主要根据现场可获得的条件开展，一般情况下应主要考虑底栖型生物，易于反映海洋核动力平台释放的累积影响。

辐射环境监测中各介质的放射性分析所关注的核素，主要针对运行许可证上许可排放的核素，一般情况下，应包括流出物排放监测的各类核素。

海洋核动力平台各基地的辐射环境监测一般情况下应采用目前成熟的方法。受现场前处理和监测条件的限制，可适当考虑采用先进的监测技术，例如海水放射性核素的连续在线监测技术。

汇总各基地辐射环境监测初步方案，见表6。具体可根据运行场址的具体情况进行简化。需要关注对海水放射性监测。海水监测点位主要通过取样监测与在线监测两种方式开展。监测点位根据平台的实际情况确定，主要考虑与平台的方位与距离、海水深度、其他设施的方位与距离、人员可达的便利性。海水取样监测主要考虑3H、14C及与平台排放有关的人工放射性核素，监测频次为每半年一次。对海水连续在线监测，主要考虑监测海水中的γ辐射剂量率，如有条件，可设立具有核素识别功能的谱仪。

表6 海洋核动力平台各基地辐射环境监测建议方案

此外还需要关注海底泥或悬浮物监测的要求，监测点位应与海水监测点位相同。监测底泥或悬浮物中放射性的主要目的是为了监控可能的累积影响。实际情况下，如果平台运行点位海水较深，将对海底泥采样带来挑战。在此情况下，可考虑在海水连续在线监测装置下方悬挂悬浮物沉积收集装置，收集可能通过海水沉积的放射性。采用悬浮物采样监测在欧洲一些国家的海洋监测中有一定的经验[12]，在我国尚无相关参考经验，现场采样的设计需要具体考虑。

3 结论

本文根据海洋核动力平台建造和运行的特点，结合我国现有相关法规标准情况，提出了海洋核动力平台流出物监测与辐射环境监测设施设备配置的基本要求以及相应监测方案的基本思路。

对流出物监测，需要考虑海洋核动力平台作为海上移动式装置运行特点，重点应关注流出物监测设施设备配置及排放特点和管理要求。考虑平台舱室设计的紧凑性和船载流出物监测实验室配置的环境适应性。

对辐射环境监测，主要考虑船体、建造基地、换料基地和运行场址的辐射环境监测。在船体应建立γ辐射连续监测系统开展连续监测，以实现平台工作场所辐射防护的目的。在建造基地、换料基地和运行场址，应各自建立辐射监测实验室，结合流出物排放及对环境和公众可能的照射影响制订辐射监测方案，以评估海洋核动力平台运行对环境的影响及可能的公众照射。需要关注先进监测技术的应用，例如基于放射性核素分析的环境空气、水体在线监测技术，研究相关监测方法及设施在现场环境条件下的适应性，支持开发相应的监测技术，推动先进监测技术在海洋辐射环境监测领域中的应用。

海洋核动力平台作为我国一项先进的核设施，目前暂无运行和监督管理经验。针对其流出物排放监测及辐射环境监测，仍有待结合其设计、各个基地和运行场址的具体情况做进一步研究。