高温气冷堆烟羽应急计划区的计算分析

张良　侯连娇

关键词： 高温气冷堆 烟羽应急计划区 扩散 剂量

中图分类号： TL424 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）15-0004-06

随着我国“3060目标”的提出、“碳达峰、碳中和”工作已成为当前与未来中国绿色可持续发展工作的核心内容。核电是我国能源供应体系的重要分支，也是新能源的重要组成部分。中国核能行业协会发布的《中国核能发展报告2021》显示，“十三五”期间，我国新投入商运核电机组20 台，新增装机容量2344.7 万kW，商运核电机组总数达48台，总装机容量为4 988万kW，装机容量位列全球第三，2020 年发电量达到世界第二；新开工核电机组11台，装机容量1 260.4万kW，在建机组数量和装机容量多年位居全球首位[1]。根据《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》编制的《“十四五”现代能源体系规划》中提到，积极安全有序发展核电，积极推动高温气冷堆、快堆、模块化小型堆、海上浮动堆等先进堆型示范工程，至2025年，核电运行装机容量达到7 000万kW[2]。

高温气冷堆作为先进安全的第四代反应堆，以核安全为核心，固有安全性好、发电效率高、环境适应性强、用途广泛，从技术上消除了放射性物质大规模释放的可能。高温气冷堆采用模块化设计，单个模块设计功率为20 万kW，通过多个模块的组合可以实现更高功率的输出。本文基于不同地区的典型气象条件对高温气冷堆最严重事故后果进行计算分析，确定其烟羽应急计划区的范围，最终推荐给出一个包络性的应急计划区范围，为今后高温气冷堆的选址、应急计划区分析、应急准备工作的开展提供参考。

1 应急计划区

目前，我国对核电厂的应急计划区的划分主要是参考GB/T 17680 的规定。其中，《核电厂应急计划与准备准则第1 部分：应急计划区的划分》（GB/T 17680.1-2008）第3.1 节给出了“应急计划区”的定义：“为在核电厂发生事故时能及时有效地采取保护公众的防护行动，事先在核电厂周围建立的、制订了应急计划并做好应急准备的区域。”并在3.2 节给出了“烟羽应急计划区”的定义：“针对烟羽照射途径（烟羽浸没外照射、吸入内照射和地面沉积外照射）而建立的应急计划区。这种应急计划区又可以分为内、外两区，在内区做好能在紧急情况下立即采取隐蔽、服用稳定碘和紧急撤离等紧急防护行动。[3]”

GB/T 17680.1-2008 的6.1.1 节规定，对于压水堆核电厂，在符合安全准则的前提下，其烟羽应急计划区的区域范围，一般应考虑反应堆热功率的大小，在以反应堆为中心、半径7～10 km 范围内确定；烟羽应急计划区内区的区域范围，一般应考虑反应堆热功率的大小，在以反应堆为中心、半径3～5 km 的范围内确定[3]。

随着能源需求的增加，核电技术的发展，核电在世界能源供应中所占比例逐年增加。对于电网较小、基础设施不足或投资能力有限的国家或地区，小型反应堆（SMR）的设计得到了广泛的关注和发展，综合了国际上不同组织和机构对小型反应堆（SMR）的表述，电功率小于等于300 MW 的反应堆称之为小型反应堆，在设计上采用模块化技术、工厂化预制，较短的建造周期，具有较好的经济性[4]。高温气冷堆采用模块化设计，属于小型反应堆（SMR）。

目前国内并没有专门针对高温气冷堆应急计划区划分的相关规定，但是其作为先进安全的第四代反应堆，以核安全为核心，从技术上消除了放射性物质大规模释放的可能，因此其辐射后果风险较小，应急计划区范围相对可以减小。结合高温气冷堆自身特性，烟羽应急计划区的大小同样满足如下要求。

（1）在烟羽应急计划区之外，高温堆设计基准事故导致个人剂量不会超过紧急防护行动的通用干预水平，如表1 所示。

（2）在烟羽应急计划区之外，高温堆应急基准释放类导致个人剂量在绝大多数情况下不会超过紧急防护行动的通用干预水平。

（3）在烟羽应急计划区之外，高温堆应急基准释放类中后果更为严重的释放类其导致的个人剂量一般不会达到任何情况下都必须采取干预行动的剂量水平。

针对小型压水堆，国家核事故应急办公室于2017年印发了《陆上小型压水堆核应急工作指导意见（试行）》，其中要求综合考虑各种因素，小型堆应急计划区的范围推荐值不大于3 km，具体范围由营运单位经系统论证和科学测算后提出建议，按规定程序确定[5]。

苏永杰等曾对小型堆应急计划区划分方法进行了探讨，提出小型堆的应急计划区不建议直接给一个明确的限制范围（如限制在场区内），应根据每个小型堆的堆芯设计特点、具体用途、拟建厂址环境特点进行综合分析，而后予以确认，最终的确认标准应该是关注人群的潜在风险，并适当考虑公众的可接受性[6]。近期中国核学会正在组织开展小型堆应急计划区的划分团体标准的编制，其参考了《陆上小型压水堆核应急工作指导意见（试行）》的规定，应急计划区范围的推荐值为厂址边界到半径3 km 的范围内，具体大小可由营运单位考虑小型堆的功率、设计特点、厂址条件、安全水平等因素，经系统论证和科学测算后提出，按规定程序确定。参照上述研究和规定，高温气冷堆的应急计划区范围的划定就有了一定的参考。

另外，针对小型堆和新技术堆型的应急准备，美国核管会在2017年4月13日公布一份题为Emergency Preparednessfor Small Modular Reactors and Other NewTechnologies 的報告[7]，以接受公共评议。这份报告将成为美国为小堆及其他新技术（如非轻水型反应堆设施）制定新应急准备要求的监管基准。2019年11月NRC正式同意在《联邦公报》上公布拟议的规则。并于2020 年5月12日在Federal Register（Vol.85，No.92）公布。该报告给出了小型堆和新技术堆型应急计划区划分的基本准则建议，其中烟羽应急计划区的划分建议如下[8]。

（1）预计场址边界外总有效剂量小于10 mSv，则场址外没有烟羽照射途径的应急计划区，同时场外辐射应急计划及要求将是有限的。

（2）如果厂址边界外总有效剂量大于10 mSv，但是在3 km 处小于10 mSv，则烟羽照射途径应急计划区将限制在3 km。

（3）如果 3 km 处总有效剂量预计大于10 mSv，但是在8 km 处小于10 mSv，则烟羽照射途径应急计划区将设置为8 km。

（4）如果8 km 处总有效剂量预计大于10 mSv，则烟羽照射途径应急计划区将默认设置为16 km。

参照美国上述文件的建议，国内也可以开展相关的研究，制定对应的规范，为高温气冷堆等小型堆、新技术堆型的发展和应急准备工作开展提供法律依据。

2 气象数据选取

目前，我国核电项目主要分布在沿海地区，但同时在逐步推进内陆核电项目的建设。在综合考虑了我国各地区经济发展及电力需求情况，分别选择了沿海的广东、福建、浙江、山东等地区，以及内陆的北京、吉林等地区作为评估对象。

气象数据采用6 个不同参考地区的整年（或两整年）观测数据，三维联合频率以此观测数据统计得到，图1 给出了6 个地区的风玫瑰图，表2 给出了各自的数据统计结果。

从上述6 个场址气象条件来看，对于沿海厂址，其平均风速高，静风频率低，扩散条件要远好于内陆厂址。

3 烟羽应急计划区计算分析

3.1 计算模型与参数设置

3.1.1 弥散因子的计算

此次模拟计算采用PAVAN 程序，PAVAN 程序是用于计算核设施事故后果影响的推荐模型，该模型可用于计算非居住区、规划限制区以及应急计划区，详细模型介绍可参见美国NRC 导则RG1.145[9]。

计算时主要参数设置如下。

（1）扩散参数采用P-G 扩散参数。

（2）考虑建筑物尾流影响，建筑物高度45 m，最小横截面面积1 530 m2。

（3）不考虑降水冲洗的影响。

（4）采用地面释放，释放高度为10 m。

3.1.2 辐射剂量的计算

剂量计算主要考虑烟云浸没外照射剂量，吸入内照射剂量，以及地面沉积外照射剂量3 种照射途径，具体计算模型可参考《核事故应急情况下公众受照剂量估算的模式和参数》（GB/T 17982-2018）[10]。

3.2 高温气冷堆的事故源项

烟羽应急计划区的测算中需考虑设计基准事故和超设计基准事故。由于高温气冷堆事故后果最严重的事故为设计基准事故“蒸汽发生器一根传热管断裂事故”，因此选其作为测算烟羽应急计划区的事故。

蒸汽发生器一根传热管断裂事故导致的一回路进水量在保守的分析条件下可造成一回路泄压阀开启，并且在开阀之前有足够的时间使进入一回路的水蒸气与所有破损燃料颗粒反应，从而导致破损颗粒中气体裂变产物和碘同位素有较多的释放量增加，這种突增的释放是有较多的实验基础的。更大进水量的事故（如蒸汽发生器管板破裂事故）短时间内导致一回路泄压阀开启，进入一回路的水蒸气来不及与破损燃料颗粒反应，破损颗粒中气体裂变产物不会大量释放，因而其放射性源项反而不如蒸汽发生器一根传热管断裂事故来得大。

计算表明蒸汽发生器一根传热管断裂事故的源项比一回路大破口失压事故（DN65 管道断裂事故）的释放源项更大，特别是放射性碘同位素的释放源项更大，因而事故后果更大。蒸汽发生器一根传热管断裂事故释放源项见表3[11]。

3.3 大气弥散因子分析

不同地区、不同时间段平均弥散因子计算结果见图2。

从上述计算结果来看，北京地区的模拟值相对最大，其次为吉林、广东、山东、浙江等地区，福建地区的模拟值相对最小。模拟值最大与最小地区之间相差5倍左右，意味着针对同样的事故释放源项，扩散条件差的地区其放射性物质浓度和剂量也要高5 倍左右。这与第2 节关于气象扩散条件的分析结论相同，当平均风速越大，静风频率越小时弥散因子越小，扩散条件越好。

3.4 辐射剂量及烟羽计划区分析

结果按成人剂量值输出，主要考虑烟云浸没外照射、吸入内照射和地面沉积外照射等3 种途径。不同距离处的公众在事故期间（30 d）受到的有效剂量结果见图3，不同距离处甲状腺当量剂量汇总结果见图4。结合表1 紧急防护行动通用干预水平，以及烟羽应急计划区划分标准来看，基于有效剂量（剂量限值10 mSv）时各地区最大包络距离约150 m，基于甲状腺剂量（剂量限值100 mGy）时各地区最大包络距离为140 m。为保守考虑，取2 倍安全系数（即剂量限值取50%）时则综合最大包络距离为200 m。

4 结论与建议

通过对不同地区气象条件下高温气冷堆的烟羽应急计划区的计算分析，可以得到以下结论和建议。

（1）厂址扩散条件的差异对剂量后果影响很大，基于当前的案例来看，沿海的扩散条件相对较好。

（2）高温气冷堆的设计采用模块化设计，单个模块设计功率较小约20 万kW，同时具有较高的固有安全性，这些特性使其事故放射性后果相对于其他核电站大大减小。

（3）综合分析不同场址气象条件来看，高温气冷堆其烟羽应急计划区最大包络距离约为200 m，大大小于GB/T 17680 推荐的7～10 km 的烟羽应急计划区范围，以及针对小型压水堆的3 km 推荐范围，因此有必要开展研究，参照美国的做法，制定相关规范，对具有更小辐射后果影响堆型的应急计划区划分给出建议。