周耀權(quán)，杜紅燕，鄭 偉

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

核電廠周圍液態(tài)有毒化學(xué)品類外部人為事件危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)方法研究

周耀權(quán)，杜紅燕，鄭 偉

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

核電廠附近如果存在有毒化學(xué)品類潛在危險(xiǎn)源，可能會(huì)對(duì)核電廠的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此在核電廠外部人為事件影響分析評(píng)價(jià)時(shí)必須評(píng)估其是否會(huì)對(duì)核電廠安全構(gòu)成潛在影響。對(duì)于核電廠周圍液態(tài)有毒化學(xué)品類潛在危險(xiǎn)源，可采用篩選距離值的方法進(jìn)行初步篩查。對(duì)于無(wú)法篩查掉的危險(xiǎn)源，由于相關(guān)的核安全法規(guī)和導(dǎo)則中未給出針對(duì)有毒化學(xué)品類潛在危險(xiǎn)源的具體評(píng)價(jià)方法，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)的分析研究，提出了一套有毒液體危險(xiǎn)化學(xué)品對(duì)核電廠影響的評(píng)價(jià)方法：首先采用適當(dāng)?shù)氖鹿市孤┠Ｐ陀?jì)算出泄漏量和蒸發(fā)量，再采用適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散模型計(jì)算出到達(dá)核電廠處的濃度，最后通過(guò)與毒性濃度限值比較，判斷是否會(huì)對(duì)核電廠安全構(gòu)成潛在危險(xiǎn)。本文提出的分析和評(píng)價(jià)方法可為核電廠周圍有毒化學(xué)品類外部人為事件潛在危險(xiǎn)源的影響評(píng)價(jià)提供參考。

核電廠；外部人為事件；有毒化學(xué)品；評(píng)價(jià)方法

核電廠廠址是一種較稀缺的資源，隨著近十多年來(lái)我國(guó)核電的快速發(fā)展，目前尋找條件非常優(yōu)越的廠址更加困難。由于廠址條件越來(lái)越復(fù)雜，在廠址周圍涉及的潛在外部人為事件危險(xiǎn)源也越來(lái)越多樣化，很多廠址周圍會(huì)涉及到生產(chǎn)、儲(chǔ)存或使用各種類型有毒化學(xué)品的工廠、企業(yè)或其他設(shè)施，這些物質(zhì)一旦由于人為因素、設(shè)備因素、生產(chǎn)管理和環(huán)境因素而發(fā)生泄漏事故，則可能釋放出有毒氣體，通過(guò)擴(kuò)散與空氣混合形成氣云和飄移物，危及核電廠工作人員的安全，進(jìn)而可能影響到核電廠的安全運(yùn)行。

在《核電廠廠址選擇安全規(guī)定》（HAF101）［1］、核安全導(dǎo)則HAD101／04［2］以及IAEA安全導(dǎo)則NS－G－3.1［3］中均提出了需考慮廠址周圍有毒有害物質(zhì)的影響，但未給出對(duì)有毒化學(xué)品的具體評(píng)價(jià)和計(jì)算方法。本文擬分析和研究液態(tài)有毒化學(xué)品類危險(xiǎn)源的評(píng)價(jià)方法，旨為核電廠周圍液態(tài)有毒化學(xué)品類外部人為事件潛在危險(xiǎn)源的影響評(píng)價(jià)提供參考。

1 評(píng)價(jià)步驟

根據(jù)核安全導(dǎo)則HAD101／04中和IAEA安全導(dǎo)則NS－G－3.1中給出的評(píng)價(jià)步驟，對(duì)有毒化學(xué)品類潛在危險(xiǎn)源的評(píng)價(jià)步驟與爆炸等其他危害的評(píng)價(jià)類似，通常分為初步篩選和詳細(xì)評(píng)價(jià)兩個(gè)階段，其中初步篩選又分為篩選距離值法和篩選概率水平法兩種。危險(xiǎn)液體源的篩選距離通常取8～10 km，篩選概率水平一般采用10－7／（堆·年）作為具有嚴(yán)重放射性后果的影響事件概率值的可接受限值。

對(duì)于用上述兩種方法無(wú)法排除的危險(xiǎn)源，需進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià)。鑒于我國(guó)有毒化學(xué)品類相關(guān)事故統(tǒng)計(jì)資料較難獲取，不易計(jì)算其概率水平，因此對(duì)于篩選距離值法不能篩選掉的危險(xiǎn)源，通常采用確定論的方法進(jìn)行估算，本文所采用的評(píng)價(jià)方法即屬于確定論方法。

如果經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)不能排除相關(guān)危險(xiǎn)，必要時(shí)需將有毒化學(xué)品可能產(chǎn)生的危害作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件進(jìn)行考慮，或采取其他可行的工程措施將相關(guān)的危害降低到可接受的水平。在廠址選擇階段，如果這些影響使得放射性后果的總風(fēng)險(xiǎn)增加到不能接受的程度，且在工程技術(shù)上又無(wú)切實(shí)可行的解決辦法時(shí)，則應(yīng)當(dāng)認(rèn)為該廠址是不合適的。

2 計(jì)算方法

核電廠周圍涉及的有毒有害危險(xiǎn)化學(xué)品通常都是液態(tài)的，較少涉及到貯存形態(tài)直接為氣態(tài)的危險(xiǎn)品（常溫常壓下為氣態(tài)的物質(zhì)一般也通過(guò)加壓、低溫等措施使其變?yōu)橐簯B(tài)），因此本文主要研究液態(tài)有毒有害化學(xué)物品的計(jì)算方法。

2.1 泄漏量的計(jì)算方法

事故泄漏的模式是多種多樣的，既有瞬時(shí)泄漏，又有連續(xù)泄漏。泄漏源的幾何形狀可能是泄壓閥失控形成的圓形孔，也可能是罐體脆裂形成的不規(guī)則裂紋，還可能是物體擊穿容器形成的其他形狀。

發(fā)生泄漏時(shí)，如果設(shè)備的裂口是規(guī)則的，且裂口尺寸及泄漏物質(zhì)的有關(guān)熱力學(xué)、物理化學(xué)性質(zhì)及參數(shù)已知，可根據(jù)流體力學(xué)中的有關(guān)方程計(jì)算。當(dāng)裂口不規(guī)則時(shí)，可采取等效尺寸代替；當(dāng)遇到泄漏過(guò)程中壓力變化等情況時(shí)，往往采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

這類因泄漏事故而導(dǎo)致的危害很大程度上取決于有毒有害物料的泄漏速度和泄漏量。泄漏速度快，單位時(shí)間內(nèi)的泄漏量就大；反之則小。物料的物理狀態(tài)在其泄漏至空氣中后是否發(fā)生改變，對(duì)其危害范圍也有非常明顯的影響。常壓下為液態(tài)的物料泄漏后四處流淌，同時(shí)蒸發(fā)為氣體擴(kuò)散；常溫下加壓壓縮、液化儲(chǔ)存的物料一旦泄漏至空氣中會(huì)迅速膨脹、氣化為常壓下的大量氣體，迅速擴(kuò)散至大范圍空間。泄漏物質(zhì)的擴(kuò)散不僅由其物態(tài)、性質(zhì)所決定，還受當(dāng)時(shí)氣象條件、當(dāng)?shù)氐牡乇砬闆r的影響。

1）液體泄漏模型［4］

液體泄漏速度可用伯努利方程計(jì)算，限制條件為液體在噴口內(nèi)不應(yīng)有急驟蒸發(fā)，其泄漏速度由式（1）表示：

式中：QL為液體泄漏速度，kg／s；CL為液體泄漏系數(shù)，按表1選取；A為裂口面積，m2；ρ為泄漏液體密度，kg／m3；p為容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；p0為環(huán)境壓力，Pa；g為重力加速度，9.8 m／s2；h為裂口之上的液位高度，m。

表1 液體泄漏系數(shù)Table 1 Leakage coefficient of liquid

對(duì)于常壓下的液體泄漏速度，取決于裂口之上液位的高低；對(duì)于非常壓下的液體泄漏速度，主要取決于介質(zhì)壓力與環(huán)境壓力之差及液位高低。

當(dāng)容器內(nèi)液體為過(guò)熱液體，即液體的沸點(diǎn)低于周圍環(huán)境溫度時(shí)，液體流過(guò)裂口時(shí)由于壓力減小而突然蒸發(fā)。蒸發(fā)所需熱量取決于液體本身，而容器內(nèi)剩余液體的溫度將降至常壓沸點(diǎn)。在這種情況下，泄漏時(shí)直接蒸發(fā)的液體所占百分比F可按式（2）計(jì)算：

式中：cp為液體的比定壓熱容，J／（kg·K）；TL為泄漏前液體的溫度，K；Tb為液體在常壓下的沸點(diǎn)，K；H為液體的氣化熱，J／kg。

按式（2）計(jì)算，F(xiàn)介于0～1之間。事實(shí)上泄漏時(shí)直接蒸發(fā)的液體將以細(xì)小煙霧的形式形成云團(tuán)，與空氣混合而吸收熱蒸發(fā)。如果空氣傳給液體煙霧的熱量不足以使其蒸發(fā)，有些液體煙霧將凝結(jié)成液滴降落到地面，形成液池。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)F＞0.2時(shí)，一般不會(huì)形成液池；當(dāng)F＜0.2時(shí)，F(xiàn)與帶走液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系，F(xiàn)＝0時(shí)無(wú)液體被帶走（蒸發(fā)），F(xiàn)＝0.1時(shí)有50%的液體被帶走。

2）兩相流動(dòng)泄漏模型［5］

在過(guò)熱液體發(fā)生泄漏時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣、液兩相流動(dòng)，兼有氣體泄漏和液體泄漏的雙重特點(diǎn)。均勻兩相流動(dòng)的泄漏速度可按式（3）計(jì)算：

式中：QLG為兩相流泄漏速度，kg／s；CLG為兩相流泄漏系數(shù)，取0.8；pC為臨界壓力，Pa，pC＝0.55 Pa；ρm為兩相混合物的平均密度，kg／m3，由式（4）計(jì)算：

式中：ρ1為液體蒸發(fā)的蒸氣密度，kg／m3；ρ2為液體密度，kg／m3；FV為蒸發(fā)的液體占液體總量的比例，由式（5）計(jì)算：

式中：TLG為兩相混合物的溫度，K；TC為液體在臨界壓力下的沸點(diǎn)，K。如果FV＞1，表明液體將全部蒸發(fā)成氣體，這時(shí)應(yīng)按氣體泄漏［5］計(jì)算；如果FV很小，則可近似按式（1）計(jì)算。

2.2 蒸發(fā)量的計(jì)算方法

液體泄漏后立即擴(kuò)散到地面，一直流到低洼處或人工邊界，如防火堤、岸墻等，形成液池。液體泄漏出來(lái)后不斷蒸發(fā)，當(dāng)液體蒸發(fā)速度等于泄漏速度時(shí)，液池中的液體質(zhì)量將維持不變。如果泄漏的液體是低揮發(fā)度的，則從液池中蒸發(fā)的量較少，不易形成氣團(tuán)；如果泄漏的是揮發(fā)性液體或低溫液體，泄漏后液體蒸發(fā)量大，大量蒸發(fā)后會(huì)形成蒸汽云并向外擴(kuò)散。

泄漏液體的蒸發(fā)分為閃蒸蒸發(fā)、熱量蒸發(fā)和質(zhì)量蒸發(fā)3種，其蒸發(fā)總量為這3種蒸發(fā)量之和。

1）閃蒸蒸發(fā)［5］

過(guò)熱液體閃蒸量Q1（kg／s）可按式（6）估算：

式中：WT為液體泄漏總量，kg；t1為閃蒸蒸發(fā)時(shí)間，s。

2）熱量蒸發(fā)［5］

當(dāng)液體閃蒸不完全時(shí)，有一部分液體在地面形成液池，并吸收地面熱量而氣化，稱為熱量蒸發(fā)。熱量蒸發(fā)的蒸發(fā)速度Q2（kg／s）按式（7）計(jì)算：

式中：T0為環(huán)境溫度，K；Tb為沸點(diǎn)溫度；K；S為液池面積，m2；λ為表面導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m· K）；α為表面熱擴(kuò)散系數(shù)，m2／s；t為蒸發(fā)時(shí)間，s。某些地面的熱傳遞性質(zhì)列于表2。

表2 某些地面的熱傳遞性質(zhì)Table 2 Heat transference characters of different kinds of grounds

3）質(zhì)量蒸發(fā)［5］

熱量蒸發(fā)結(jié)束后轉(zhuǎn)由液池表面氣流運(yùn)動(dòng)使液體蒸發(fā)，此階段稱為質(zhì)量蒸發(fā)。質(zhì)量蒸發(fā)速度Q3（kg／s）按式（8）計(jì)算：

式中：a、n為大氣穩(wěn)定度系數(shù)；p為液體表面蒸氣壓，Pa；R為氣體常數(shù)；J／（mol·K）；u為風(fēng)速，m／s；r為液池半徑，m。不同穩(wěn)定度等級(jí)下液池蒸發(fā)模式參數(shù)列于表3。表3中A、B、D、E和F為大氣穩(wěn)定度的等級(jí)，反映不同的大氣擴(kuò)散能力，分別代表強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定。大氣穩(wěn)定度越不穩(wěn)定，擴(kuò)散能力越強(qiáng)；越穩(wěn)定，擴(kuò)散能力越弱。在對(duì)有毒化學(xué)品對(duì)核電廠影響的初步評(píng)價(jià)時(shí)，出于保守考慮，通常取F類不利氣象條件，因此a和n分別取5.285× 10－3和0.3。

表3 液池蒸發(fā)模式參數(shù)Table 3 Parameter of liquid pool evaporation mode

液池?cái)U(kuò)展面積和半徑的計(jì)算較復(fù)雜，受液體泄漏方式、泄漏物質(zhì)的性質(zhì)、液池下表面狀況、液池中液體的蒸發(fā)速率、液池上方環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向、液池?cái)U(kuò)展過(guò)程中有無(wú)擋液堤等因素的影響。若有擋液堤，液池?cái)U(kuò)展遇到擋液堤后不再向外擴(kuò)展，液池?cái)U(kuò)展面積即為擋液堤所圍成的面積，保守考慮可取所圍面積的最大等效半徑為液池半徑。若無(wú)擋液堤，可假設(shè)液體瞬間擴(kuò)散到最小厚度，推算液池等效半徑。

若泄漏源周圍地面平坦，泄漏液體也不會(huì)無(wú)限蔓延下去，而是趨于某一最大值，即根據(jù)不同的地表情況選用不同的液池最小厚度來(lái)確定液池的最大面積。液池?cái)U(kuò)展面積與厚度、密度的一種經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)關(guān)系如式（9）［6］：

式中：V為泄漏液體體積，m3；Hmin為液層最小厚度，m；m為泄漏液體質(zhì)量，kg。

對(duì)于光滑平整的地面，液層最小厚度取決于液體性質(zhì)；對(duì)于粗造地面，液層厚度主要取決于地面性質(zhì)，不同地面下液層的最小厚度列于表4。

表4 不同地面下液層的最小厚度Table 4 Minimum thicknesses for liquid layer of different kinds of grounds

液體蒸發(fā)總量Wp按式（10）計(jì)算：

2.3 擴(kuò)散濃度的計(jì)算方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

事故泄漏后的擴(kuò)散除受液池特征如液體表面積、蒸發(fā)率、液池材料的滲透性和導(dǎo)熱性等的影響外，還受地表情況、地形、氣象等條件的影響。

為評(píng)價(jià)有毒化學(xué)品蒸汽云進(jìn)入核電廠廠區(qū)的濃度，可選用連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散公式進(jìn)行初步估算［7］：

由于事故泄漏情況多種多樣，泄漏過(guò)程復(fù)雜，泄漏的不同階段，泄漏物質(zhì)的排放情況也不同。如果上述點(diǎn)源模式對(duì)核電廠處的計(jì)算結(jié)果超過(guò)了毒性極限濃度，或?qū)嶋H泄漏和蒸發(fā)情況明顯不能采用式（11）的情況，針對(duì)不同的泄漏事故，則應(yīng)選擇其他不同的泄漏擴(kuò)散模型進(jìn)行計(jì)算，如面源模型、體源模型、煙團(tuán)模型等。

通過(guò)上述計(jì)算模型，可計(jì)算出到達(dá)核電廠處的濃度值，然后與表5中的毒性限值進(jìn)行比較，判斷是否會(huì)對(duì)核電廠主控室工作人員構(gòu)成潛在危險(xiǎn)。表5中的毒性限值是基于對(duì)生命及健康即時(shí)危險(xiǎn)暴露水平的概念，由美國(guó)國(guó)家職業(yè)安全與衛(wèi)生研究所（NIOSH）提出［8］。該限值為基于30 min的暴露水平，即如果在30 min內(nèi)不采取防護(hù)措施，則有可能導(dǎo)致死亡，或?qū)】诞a(chǎn)生永久性的負(fù)面作用。對(duì)于每種化學(xué)品，不采取干預(yù)措施的情況下，普通成年人可容許暴露在該限值下2 min，而不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的身體反應(yīng)（如導(dǎo)致嚴(yán)重的咳嗽、眼部灼傷或嚴(yán)重的皮膚疼痛等）。因此，即使暴露在此限值下，仍可給主控室操作員提供足夠的時(shí)間采取防護(hù)措施（如帶上呼吸器、穿上防護(hù)服等）。

表5 某些有毒化學(xué)品類的毒性濃度限值Table 5 Concentration limit of some toxic chemical substances

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析可知，對(duì)核電廠周圍的液態(tài)有毒化學(xué)品類潛在的外部人為事件危險(xiǎn)源，首先可采用篩選距離值的方法進(jìn)行初步篩查。然后再選擇適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散模型計(jì)算出到達(dá)核電廠處的濃度，與相關(guān)的毒性濃度限值進(jìn)行比較，以判斷是否會(huì)構(gòu)成潛在威脅。

［1］國(guó)家核安全局.HAF101 核電廠廠址選擇安全規(guī)定［S］.北京：中國(guó)法制出版社，1991.

［2］國(guó)家核安全局.HAD101／04 核電廠廠址選擇的外部人為事件［S］.北京：中國(guó)法制出版社，2010.

［3］IAEA.NS－G－3.1 External human induced events in site evaluation for nuclear power plants［S］.Vienna：IAEA，2002.

［4］劉鐵民，張興凱，劉功智.安全評(píng)價(jià)方法應(yīng)用指南［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［5］國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.HJ／T 169—2004 建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則［S］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2004.

［6］王超.液體泄漏形成液池?cái)U(kuò)展面積的計(jì)算方法綜述［J］.安全與環(huán)境工程，2012，19（6）：125－128.WANG Chao.Review of area expansion calculation method for liquid leakage to liquid pool［J］.Safety and Environmental Engineering，2012，19（6）：125－128（in Chinese）.

［7］國(guó)家核安全局.HAD101／02 核電廠廠址選擇的大氣彌散問(wèn)題［S］.北京：中國(guó)法制出版社，1987.

［8］NRC.Evaluating the habitability of a nuclear power plant control room during a postulated hazardous chemical release，RG1.78 Revision1［R］.Washington D.C.：NRC，2001.

Evaluation Method Research on External Human Induced Event Source of Liquid Toxic Chemical Substance around Nuclear Power Plant

ZHOU Yao－quan，DU Hong－yan，ZHENG Wei
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China）

If there are potential dangerous sources of toxic chemical substances near the nuclear power plant，it will endanger the safety of the nuclear power plant.So the impact must be evaluated in the external human induced event assessment of the nuclear power plant.The preliminary screening can be carried out by the screening distance value for liquid toxic chemical substances around the nuclear power plants.In some cases，the dangerous sources should not be screened out，whereas the evaluation methods of the toxic chemical substances are not given in the correlative nuclear codes and guides.A kind of analysis and evaluation method was obtained by the research on the relevant domestic and foreign standards and literature，the leakage and evaporation quality in accident conditions can be calculated by a proper model firstly，and then the concentration of the location of the nuclear power plant can be calculated by a proper modelfor dispersion，lastly estimate the danger to the safety of the nuclear power plant by comparison with the concentration limits.The analysis and evaluation method will be expected to be beneficial reference in the impact assessment of the external human induced events of the potential dangerous sources of toxic chemical substances around the nuclear power plant.

nuclear power plant；external human induced event；toxic chemical substance；calculation method

X131

：A

：1000－6931（2015）12－2145－05

10.7538／yzk.2015.49.12.2145

2014－06－25；

：2014－12－12

周耀權(quán)（1981—），男，湖北黃岡人，工程師，從事輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)研究