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1、第32 卷第 2 期(总第 188 期)辐射防护通讯2012 年 4月?专?题?福岛核事故放射性物质大气释放及公众剂量评估进展?余少青?李?冰?陈晓秋?陈莹莹(环境保护部核与辐射安全中心,北京,100082)摘?要?概述了日本经济产业省(METI)原子能安全保安院(NISA)、内阁府原子能安全委员会(NSC)、文部科学省(MEXT)、(独)日本原子能研究开发机构(JAEA)、东京电力株式会社(TEPCO)等发布的福岛第一核电站核事故放射性物质大气释放量、辐射环境监测及公众剂量评估的有关监测和估算结果,讨论了进一步评估此次事故的放射性后果需要关注的问题。关键词:?福岛核事故;放射性物质大气释放;
2、公众剂量中图分类号:TL73,X837?文献标识码:A?文章编号:1004-6356(2012)02-0001-110?引言2011年 3 月 11日,日本宫城县附近海域发生的里氏9.0级大地震和继发的巨大海啸袭击了日本东海岸,导致东京电力株式会社(TEPCO)福岛第一核电站发生大量放射性物质释放的 7 级核事故。气载放射性物质的释放与大范围沉积使得核电站附近地区?空气吸收剂量率显著上升,给周围环境及居民造成巨大影响。对此,日本经济产业省(METI)原子能安全保安院(NISA)根据日本原子能安全机构(JNES)对反应堆堆芯状态的诊断结果评估了放射性物质向大气的释放量。同时,日本内阁府原子能安全
3、委员会(NSC)及(独)日本原子能研究开发机构(JAEA)利用日本文部科学省(MEXT)的环境应急剂量预测信息系统(SPEEDI)评估了放射性物质的大气释放量。事故期间,TEPCO、MEXT 等多家单位实施了应急环境监测,为评估环境辐射水平和公众辐射剂量积累了大量的资料。MEXT 等对公众累积剂量进行了测定和评估,NSC 还利用SPEEDI 系统对累积剂量等进行了推算。本文主要收集、整理和分析了日本各机构在福岛第一核电站核事故期间关于放射性物质大气释放量评估、环境辐射监测及公众辐射剂量评估方面的信息,同时利用SPEEDI 系统计算所得的源项结果,通过北京大学蔡旭辉等人提供的大气扩散模拟结果,对
4、公众剂量进行了估算,并讨论了今后需要进一步关注的问题。1?放射性物质大气释放源项的评估1.1 根据堆芯状态诊断结果进行的评估福岛核事故发生后,JNES 对反应堆堆芯状态进行了诊断。NISA 根据该诊断结果计算了福岛第一核电站核事故放射性物质的大气释放量,并于 2011-04-12 公布了计算结果,其中131I 的大气释放量约为 1.3?1017Bq、137Cs 约为 6.1?1015Bq 1,已经达到国际核事件分级(INES)中的 7 级核事故(堆芯的放射性裂变产物大量逸出至厂区外,其量相当于1016Bq131I 当量)。此后,JNES 利用 5 月 16 日TEPCO 提交给NI-SA 的地
5、震后电站参数,对反应堆堆芯状态进行重新诊断。NISA 根据新的诊断结果,对福岛第一核电站核事故放射性物质的大气释放量进行了重新计算,并于 6 月 6 日公布了计算结果,其中131I 约为 1.6?1017Bq、137Cs 约为 1.5?1016Bq 2。?1?基金项目:大型先进压水堆核电站国家科技重大专项?CAP1400安全审评技术及独立验证试验(2011ZX06002-010)资助收稿日期:2011-08-16作者简介:余少青(1982-),女,2005年毕业于清华大学环境工程专业,学士;2010 年毕业于清华大学环境科学与工程专业,博士;工程师。1.2 根据环境监测结果进行的评估环境应急剂
6、量预测信息系统(SPEEDI)是由JAEA 开发的计算机软件,可依据释放源项的情况(从反应堆向大气释放的各核素的释放量随时间的变化)、反应堆周围的气象和地形数据,进行大气扩散的模拟,对大气中放射性物质的浓度和剂量分布进行预测 3,由 MEXT 向 NSC 派遣的原子能安全技术中心(NSTC)操作运行。福岛核事故中,由于无法通过反应堆的参数获取释放源项,SPEEDI 系统无法对大气中放射性物质浓度和?空气吸收剂量率进行定量预测。后NSC 获得了 SPEEDI 系统开发方(JAEA)的协助,研究了源项的替代的方法:将环境中放射性物质浓度的测定结果和 SPEEDI 系统计算的核电站至测定点的扩散模拟
7、结果相结合,在一定的可信度上反推相应释放时刻的释放源项。SPEEDI 系统原有的使用方法和本次推断中 NSC 所采用的释放源项逆推算法的流程如图 1 4所示。图 1?针对福岛第一核电站核事故采用 SPEEDI 系统进行的释放源项推算?JAEA 通过大气扩散计算结果(假定 1 Bq?h 的单位释放率)与环境监测数据的对比,进行释放率的逆推算,将得到的释放率乘以认为该释放所持续的时间长度,得出释放总量 5,从而进行放射性惰性气体所致的地面?空气吸收剂量率的分布、大气中放射性碘的浓度分布随时间变化的预测。在释放率的推算中,主要使用了大气中碘和铯的取样监测数据。释放率用测定所得的大气中放射性核素的浓度
8、与假定单位释放率计算得出的相同地点的大气中的浓度相除得出。当无取样监测数据时,假设一定的放射性核素组成比例,将单位释放率的计算结果和?空气吸收剂量率进行对比,求出释放率。大气中的核素浓度以及剂量率的估算,采用了SPEEDI 系统的计算结果。对超出SPEEDI 系统计算范围的监测数据,使用 WSPEEDI(SPEEDI 的世界版)进行计算。根据以上方法,JAEA 对福岛第一核电站核事故中131I 和 137Cs 的大气释放量进行了估算。计算所得的131I 和137Cs 的释放率如图 2 5所示。图中的 18 个数据点中,17 个为取样监测数据、1 个为利用?空气吸收剂量率推算所得的释放率。?2?
9、辐射防护通讯?2012 年 4 月 第 32卷 第 2 期由图 2 可知,131I 的大量释放出现在 2011-03-15,至03-24 保持在 1014Bq?h 量级,其后至 4 月上旬,降低至 1011 1012Bq?h 量级。137Cs 的释放量从取样监测数据的131I?137Cs 推算,若该比值在 1100 范围内,表示137Cs 的释放量变化与131I 的趋势一致。3 月15日的大量释放是在2 号机组抑压池的爆炸音之后,释放来自 2 号机组的可能性很高。此后,释放率降低,可认为各种应对措施起到了一定作用。2011-04-12,NSC 公布了其采用上述推算方法进行的2011-03-11
10、 04-05 期间福岛第一核电站各反应堆向大气释放量的评估结果 6,其中,131I 为1.5?1017Bq,137Cs为 1.2?1016Bq,大气释放量的时间累积变化如图 3 所示。据此结果,福岛第一核电站核事故向大气释放的放射性物质的量为6.3?1017Bq131I 当量,已经达到国际核事件分级中的 7 级核事故。对NISA 与 NSC 的估算结果进行研判后,4 月12 日,NISA 将福岛第一核电站核事故的等级正式提升至7 级1。图 2?福岛第一核电站核事故中131I和137Cs大气释放率的估算图 3?福岛第一核电站核事故中131I、137Cs 向大气释放总量的评估2?辐射环境监测评估2
11、.1 福岛第一核电站厂区内福岛第一核电站厂区内各监测点的?空气吸收剂量率的测量结果见图 47。由图4 可见,在事故初期的 2011-03-11 03-22,?空气吸收剂量率有间歇性的峰值,放射性物质向大气的释放可能为间歇性的。其中,最大值出现于 03-15,为 11930?Sv?h(正门附近);03-22 以后,各监测点位的?空气吸收剂量率趋于平稳,并处于较低水平,说明放射性物质向大气的释放减弱并趋于平缓;03-23 以后,事务总馆南侧的点位的测定结果相对较高,并于 03-24T13:20 出现峰值,这可能与当日10:50 从 1 号机组厂房顶部冒出蒸汽有关。此后,厂区内的放射性水平持续降低并
12、趋于平稳。?3?福岛核事故放射性物质大气释放及公众剂量评估进展?余少青图 4?福岛第一核电站各监测点的?空气吸收剂量率2.2 福岛第一核电站周围环境为更好地掌握放射性烟羽扩散情况的时空分布,日本原子能产业协会(JAIF)对MEXT、福岛县、茨城县和枥木县发布的福岛第一核电站周围放射性水平的监测数据作了很好的总结,将福岛第一核电站西北、西南和南部区域的?空气吸收剂量率的监测数据分开统计,结果如图 5?(a)福岛县、(b)枥木县、(c)茨城县?所示 8。2011-03-15 附近,在福岛第一核电站的西北区域,?空气吸收剂量率出现峰值?见图 5(a)?,推测为核事故所释放的大量放射性物质因降雨在西北
13、区域造成了大量地面沉积;03-22 开始,在厂区南部区域,?空气吸收剂量率出现峰值?见图 5(c)?,推测为风向的转变导致放射性烟羽扩散方向改变而引起;在厂区西南区域,?空气吸收剂量率从有监测数据的 03-18 开始,一直呈下降趋势?见图 5(b)?。目前,福岛第一核电站周围的放射性水平持续降低。2.3 环境辐射水平的航测结果为掌握更大区域范围的地面辐射水平、测定放射性物质沉积量,为估算公众辐射剂量、设定今后的避难区域提供数据,MEXT 与美国能源部(DOE)合作,于 2011-04-06 日 04-29 和 05-1805-26 分别进行了两次航测(截止 2011-05-30),结果于 5月
14、 6 日和 6 月 16 日公布 9 11。航测结果包括地面上方 1 m 处的?空气吸收剂量率和放射性物质(134Cs 和137Cs)的地面沉积量。综合了两次测定结果的地面上方 1 m 处?空气吸收剂量率的分布如图 6 所示。由图 6 可以看出?空气吸收剂量率在福岛第一核电站附近到饭馆村方向呈明显的?锁眼?状分布。后期公布的气象资料和局地风场分析表明,03-15 03-16,风向由偏南方向呈逆时针旋转摆动,当旋转至西北方位时伴随有降雨过程,湿沉积将烟云中的放射性物质带到地面,而造成这种?锁眼?状分布。综合了两次测定结果的放射性沉积物质(134Cs和137Cs)的地面沉积量分布如图 7 所示。航
15、测结果表明,在福岛第一核电站周围几百平方公里范围内,需要对土壤和地表水进行监测,以确定农业上的应对措施,实施必要的干预 12。2.4 气载放射性物质的垂直分布事故发生后,福岛大学在其当地(北纬 37?41?2.9?,东经 140?27?18.6?,海拔 187.0 m)实施了无?4?辐射防护通讯?2012 年 4 月 第 32卷 第 2 期线电放射性探测仪观测 13,以掌握福岛第一核电站核事故所释放的放射性物质向大气的扩散情况,评估其对当地和全球的影响,为当地的应急行动和恢复计划提供基础资料。该研究在普通的高层气象观测中使用的无线电探空仪(测定气压、气温、湿度、风向和风速的垂直分布的仪器 RS
16、92-SGPD)上连接NSS921 放射性测量探头,以测定距离地面高度30 km 范围内的?射线、?射线计数率的垂直分布。NSS921 放射性测量探头采用两个盖革计数管,分别测定?射线、?和?射线(能量大于 0.25 MeV),并以两者之差作为?射线计数率的测定值。2011-04-15 04-29 的观测结果如图8(每 100 m 高度间隔内的观测值取平均、并对 15次观测值取平均后的分布)所示。本次观测的结论如下 13:?地面上方的?和?射线计数率高而稳定;?在?射线计数率的垂直分布中,6 8 km 附近出现一般情况下没有的峰值,因此,本次事故所释放的放射性物质存在于对流层顶部下方的可能性很
17、高;?2 km 高度附近,?射线计数率峰值与?射线计数率峰值出现的高度几乎相同,这两个峰值在数值上不稳定,有时会出现较高的值;?在?射线计数率的垂直分布中,高度 1.8 km 和 2.6 km 附近出现峰值。3?公众剂量评估3.1 基于?剂量率和累积剂量监测的评估MEXT 在福岛第一和第二核电站周围 20 km以外的区域,使用简易型累积剂量计进行累积剂量的测定14。根据?空气吸收剂量率及简易型累积剂量计的测定结果,MEXT 公布福岛第一和第二核电站周围累积剂量分布评估情况 15。3.2 采用 SPEEDI系统的累积剂量计算如1.2 节中所述,将环境监测结果与 SPEEDI系统的计算结合,可推定
18、释放源项。将所得源项输入SPEEDI 系统,可推算出放射性物质的浓度和?空气吸收剂量率的分布,进而得出从事故发生时刻开始的内照射和外照射所致累积剂量的试算结果。SPEEDI 系统对 1 岁儿童甲状腺的内照射当量剂量和成人外照射的有效剂量(2011-03-12T06:00 04-24T00:00)的计算结果分别如图 9、图 10所示 3。图 5?福岛第一核电站周围放射性水平变化趋势?5?福岛核事故放射性物质大气释放及公众剂量评估进展?余少青图 6?福岛第一核电站周围 100 km 圈内的剂量率测定图(MEXT及 DOE 的航测结果)?6?辐射防护通讯?2012 年 4 月 第 32卷 第 2 期
19、图 7?福岛第一核电站周围 100 km 圈内134Cs 和137Cs的地面沉积量之和(MEXT 及 DOE的航测结果)?7?福岛核事故放射性物质大气释放及公众剂量评估进展?余少青图 8?和?射线计数率的垂直分布?由图 9 可见,陆地上 1 岁儿童甲状腺内照射当量剂量的高值主要分布于福岛第一核电站的附近及西北和南部区域;由图 10 可见,成人外照射有效剂量的高值则主要分布于福岛第一核电站的附近及西北区域。3.3 基于 NSC 给出的大气释放源项的剂量估算福岛第一核电站事故发生后,北京大学蔡旭辉等模拟了 2011-03-12T15:00 2011-03-16T14:00期间释放单位源强的时间积分
20、空气浓度分布如图11 所示(模拟区域是以福岛第一核电站为中心的600 km?600 km 的范围,网格距4 km)。采用图 3 中给出的131I 和137Cs 大气释放的累积量,选取该图中截止 03-16 的累积量的值作为输入源项,即131I 和137Cs 分别为 6?1016Bq 和 3?1015Bq,考虑烟云浸没、地面沉积物外照射和吸入3 个计算途径,得到总有效剂量的分布如图 12 所示。其中,最大值为 0.75 mSv,扩散输送的方向主要集中在日本列岛以东的海面上。需说明的是,本节中进行剂量评估的扩散模拟采用的是 4 d 的累积分布,受扩散模式空间及时间分辨率的限制,不能反映出在事故初期
21、大气释放随时间及局地风场变化的精细过程,特别是降水过程导致湿沉积的影响,需要在后续的分析评估中开展更加详细的模拟。图 9?SPEEDI 系统计算的福岛核事故造成的 1岁儿童甲状腺内照射当量剂量(2011-03-12T06:00 04-24T00:00)?8?辐射防护通讯?2012 年 4 月 第 32卷 第 2 期图 10?SPEEDI 系统计算的福岛核事故造成的成人外照射有效剂量(2011-03-12T06:00 04-24T00:00)图 11?2011-03-12T15:00 2011-03-16T14:00的大气扩散模拟结果(北京大学蔡旭辉等提供)?9?福岛核事故放射性物质大气释放及公
22、众剂量评估进展?余少青图 12?福岛核事故总有效剂量分布图(2011-03-12T15:00 03-16T14:00)4?讨论与建议(1)源项确定本次事故中,由于核电站的系统破坏严重,难以通过反应堆的参数监测结果确定源项。现有的评估中,源项的推断大多基于?空气吸收剂量率等的监测数据,从反应堆堆芯状态角度的分析较少。为进一步提高评估的准确性,有必要结合堆芯状态研究,进行更为全面深入的源项推断。作为经验反馈,在建设核事故应急放射性后果评价系统时,有必要开发利用环境监测资料反演事故源项的功能模块,以提高应急响应的能力。(2)辐射环境监测考虑到福岛第一核电站机组的堆芯状态仍不稳定,应继续加强对辐射环境
23、的监测。尽管高空中存在的放射性物质不会对健康产生直接影响,但仍有必要利用这种观测资料,结合大气模型进行研究,并进一步开展放射性沉降物和沉积量的评价工作。需要注意的是,仅凭一个点的观测值很难进行大气模型的验证,为进行更为准确的研究,需要开展多点观测,并形成观测网络。(3)剂量评估现在的剂量评估多基于早期气载释放所致剂量,建议对其长期影响进行评估,比如考虑食入途径等。此外,需要加强大气弥散模型的验证、剂量评估中源项的确定方法的研究。自从切尔诺贝利事故后,国际社会就已认识到这些问题的存在将极大地影响事故应急响应决策的技术支持能力,才推动开展 ETEX 实验、ATMES 计划。目前,全球各个国家都设置
24、了大量的辐射环境监测站,CTBTO有全球监测网,为较大尺度的大气弥散模型的验证和剂量评价提供了良好的基础。但要充分认识到,在大气弥散模式验证和剂量评价中最关键的问题还是如何确定事故释放源项,包括释放时段、核素释放量及其理化形态。感谢北京大学蔡旭辉等提供 2011-03-12T15:00 2011年-03-16T14:00 的大气扩散模拟结果。?10?辐射防护通讯?2012 年 4 月 第 32卷 第 2 期5?参考文献1 日本经济产业省 原子能安全保安院.http:?www.meti.go.jp?press?2011?04?20110412001?20110412001-1.pdf2 日本经济
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29、oactivity.mext.go.jp?ja?list?193?lis-t 1.htmlProgress in Evaluation of Radioactive Materials Atmosphere ReleaseYu Shaoqing?Li Bing?Chen Xiaoqiu?Chen Yingying(Nuclear and Radiation Safety Center,MEP,Beijing,100082)Abstract?We reviewed the progress in the estimation of radioactive materials emission i
30、nto the atmosphere,environmental monitoring results and the evaluation of the corresponding public exposure due to the FukushimaDaiichi Nuclear Power Station accident,according to the press releases from Nuclear and Industrial SafetyAgency(NISA),Ministry of Economy,Trade and Industry(METI),Japan,Nuc
31、lear Safety Commission,Cabinet Office,Japan(NSC),Ministry of Education,Culture,Sports,Science and Technology,Japan(MEXT),Japan Atomic Energy Agency(JAEA),Tokyo Electric Power Co.Inc.,Japan(TEPCO),etc.Wealso discussed the issues of concern in further evaluation.Key words:?Fukushima Daiichi Nuclear Power Station accident;Emission of radioactive materials into the atmosphere;Public exposure(责任编辑:赵?宁)欢迎投稿 欢迎订阅?11?福岛核事故放射性物质大气释放及公众剂量评估进展?余少青