孫偉中，吳 耀，李 莉，陳啟兵，左 偉

(1.中國核動力研究設(shè)計院第一研究所，成都 610065; 2.四川省核設(shè)施退役與放射性廢物治理工程實驗室，成都 610065)

前 言

高通量工程試驗堆(High Flux Engineering Test Reactor,簡稱HFETR) 是一座以水作慢化劑和冷卻劑、鈹作反射層的壓力殼型工程試驗堆，設(shè)計功率為125MW，采用多層套管型燃料元件[1]，主要任務(wù)是開展動力堆燃料和材料的輻照考驗、放射性同位素生產(chǎn)等，年運行時間超過200d。HFETR位于四川省樂山市夾江縣南安鄉(xiāng)境內(nèi)，距樂山市約36km，離夾江縣城約10.5km，東側(cè)距青衣江1.5km。這里四面環(huán)山，西南6.6km處為大旗山，西南9km處為黑包山。南安河為青衣江的一級支流，從廠區(qū)內(nèi)迂回流過，在五馬橋匯入青衣江。根據(jù)國家有關(guān)法規(guī)標準要求，為確保HFETR周圍環(huán)境及公眾的輻射安全，并為環(huán)境影響評價提供依據(jù)，需對HFETR周圍30 km范圍內(nèi)的環(huán)境放射性水平進行監(jiān)測，其中環(huán)境γ劑量率便是主要的監(jiān)測項目之一。根據(jù)HJ/T61-2021《輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，環(huán)境γ劑量率是指環(huán)境中放射性核素發(fā)射出的γ射線在空氣中的吸收劑量率，是輻射環(huán)境監(jiān)測的重要監(jiān)測項目，是判斷環(huán)境輻射質(zhì)量好壞的重要指標，可直接反映核設(shè)施(核電廠、研究堆、后處理廠、廢物處理場等)的運行狀態(tài)、及時發(fā)現(xiàn)異常情況，同時為公眾提供最直觀的安全信息[2]。

2012年福島核事故發(fā)生后，我國對輻射環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)管要求逐步提高，生態(tài)環(huán)境部加快了我國輻射環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。通過全國輻射環(huán)境在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實時掌握全國輻射環(huán)境數(shù)據(jù)、提高核事故預(yù)警能力[3]。為掌握HFETR周圍環(huán)境γ劑量率水平，監(jiān)控可能存在的環(huán)境風險，提升HFETR周圍環(huán)境應(yīng)急判別、監(jiān)測能力，在HFETR周圍地區(qū)設(shè)置了1套環(huán)境γ劑量率連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，共計8個監(jiān)測點，實現(xiàn)了HFETR周圍環(huán)境γ劑量率的連續(xù)監(jiān)測。系統(tǒng)自運行以來，積累了大量的環(huán)境γ劑量率數(shù)據(jù)。在“大數(shù)據(jù)”時代背景下[4]，將這些數(shù)據(jù)進行有效的分析，掌握監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律及趨勢，對于判別HFETR周圍環(huán)境風險，為HFETR運行提高可靠的預(yù)警信息,制定符合實際的應(yīng)急行動水平等具有重要意義。本文就以HFETR周圍某年度環(huán)境γ劑量率連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)為對象，研究其變化規(guī)律及趨勢，為HFETR的安全運行、環(huán)境監(jiān)控提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

1 設(shè)備及方法

HFETR周圍環(huán)境γ劑量率采用環(huán)境γ劑量率連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)采集，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理中央站、環(huán)境輻射監(jiān)測點(子站)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及輔助設(shè)施等組成。該系統(tǒng)主要功能是對HFETR周圍環(huán)境輻射水平進行連續(xù)監(jiān)測，將輻射環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)通過有線和無線兩種方式實時傳送到中央站服務(wù)器加以處理和存儲，并且可以實時顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)。中央站是環(huán)境輻射監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，主要由環(huán)境輻射監(jiān)測計算機、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、工作站計算機、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成，所使用的計算機和設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)互通。中央站處理環(huán)境輻射監(jiān)測站提供的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且對監(jiān)測設(shè)備進行遠程管理，可以生成環(huán)境監(jiān)測報告。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，即環(huán)境輻射監(jiān)測子站與中央站之間的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，包括無線通訊和有線通訊兩種方式。通過此網(wǎng)絡(luò)，可以方便快捷地將各種環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行傳輸。系統(tǒng)共計有8個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點是由電離室探測器、數(shù)據(jù)采集工控機、數(shù)據(jù)通訊設(shè)備、電源設(shè)備、防雷設(shè)施、機柜等組成。各監(jiān)測點詳細信息見表1，相對HFETR位置見圖1。

表1 固定式環(huán)境γ連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點信息Tab.1 Monitoring points information of environmental γ continuous monitoring system (m)

圖1 各監(jiān)測點位置示意圖(圓心為HFETR位置)Fig.1 Monitoring points location relative to HFETR(HFETR is located at the Center)

系統(tǒng)運行期間積累了大量的環(huán)境γ劑量率的數(shù)據(jù)，本文以HFETR周圍某年度環(huán)境γ劑量率連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)為對象，結(jié)合理論、廠址特征(海拔、緯度等)、廠址氣象等要素，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢、分析監(jiān)測數(shù)據(jù)與各要素之間的關(guān)聯(lián)性，由此掌握HFETR周圍環(huán)境γ劑量率的變化規(guī)律及趨勢。

2 監(jiān)測結(jié)果及分析

2.1 總體趨勢分析

廠界監(jiān)測點環(huán)境γ劑量率逐時監(jiān)測結(jié)果見圖2，廠外監(jiān)測點環(huán)境γ劑量率逐時監(jiān)測結(jié)果見圖3，監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況見表2。廠界監(jiān)測點監(jiān)測點①、監(jiān)測點②、監(jiān)測點③、監(jiān)測點④全年環(huán)境γ劑量率平均值在95nGy/h～110 nGy/h范圍內(nèi)，廠外監(jiān)測點監(jiān)測點⑤、監(jiān)測點⑥、監(jiān)測點⑦、監(jiān)測點⑧全年環(huán)境γ劑量率平均值在117nGy/h～133 nGy/h范圍內(nèi)，8個監(jiān)測點全年環(huán)境γ劑量率波動變化較小，保持在一定水平范圍內(nèi)，無明顯異常?？傮w上，各監(jiān)測點全年監(jiān)測結(jié)果與實際相符，并無明顯異?，F(xiàn)象。下文進一步分析研究了導致環(huán)境γ劑量率的變動變化的原因，并給出環(huán)境γ劑量率的構(gòu)成和影響環(huán)境γ劑量率的因素。

圖2 廠界監(jiān)測點某年度全年環(huán)境γ劑量率逐時監(jiān)測結(jié)果Fig.2 Hourly monitoring results of annual environmental γ dose rate in a certain year at the factory boundary

圖3 廠外監(jiān)測點某年度全年環(huán)境γ劑量率逐時監(jiān)測結(jié)果Fig.3 Hourly monitoring results of annual environmental γ dose rate in a certain year outside the factory

表2 全年環(huán)境γ劑量率逐時監(jiān)測結(jié)果Tab.2 Hourly environmental γ dose rate thronghout the year (nGy/h)

2.2 環(huán)境γ劑量率的構(gòu)成分析

環(huán)境γ劑量率由天然輻射源和人工輻射源所致，天然輻射包括宇宙射線、天然存在的放射性核素，人工輻射源包括早期核試驗或核事故、核能及核技術(shù)應(yīng)用、醫(yī)療照射。早期的核試驗產(chǎn)生的人工放射性核素經(jīng)大氣擴散，沉降在地表上，但是對環(huán)境γ劑量率的影響可忽略不計。切爾諾貝利核事故、福島核事故產(chǎn)生的人工放射性核素對四川地區(qū)產(chǎn)生微乎其微[5]。HFETR地區(qū)的核設(shè)施運行，包括正常或異常情況，可能對環(huán)境γ劑量率產(chǎn)生影響。因此，HFETR環(huán)境γ劑量率主要由宇宙射線、天然存在的放射性核素、核設(shè)施運行貢獻。

2.2.1 宇宙射線

宇宙射線來自外層空間射向地球表面的射線，分為初級宇宙射線與次級宇宙射線，而到達地球表面的幾乎全是次級初級射線。宇宙射線產(chǎn)生的γ劑量率主要受海波和地磁緯度的影響。宇宙射線中的光子存在明顯的高度效應(yīng)，劑量率隨著高度的增加而增加[6]。根據(jù)HJ /T 61—2001《輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[1]，宇宙射線電離成分產(chǎn)生的空氣吸收劑量率可用經(jīng)驗公式(1)估算。

公式(1)中I0——λm=0，h=0時宇宙射線電離量值，單位為I,它隨太陽11年活動周期變化而變化，1974～1989年6年實測的平均值為1.70±0.07離子對/(cm2·s);

h——計算點的海波高度，m；

λm——計算點地磁緯度，°N；由計算的地理緯度和地理經(jīng)度按照公式(2)計算

sinλm=sinλcos11.7°+cosλsin11.7°cos(φ-291°)

(2)

將各監(jiān)測點的地理經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、海拔等數(shù)值帶入公式(1)、公式(2)，計算表明各監(jiān)測點的宇宙射線劑量率差異不大，HFETR周圍地區(qū)宇宙射線中電離輻射成分產(chǎn)生的γ劑量率約為31 nGy/h。

2.2.2 天然存在的放射性核素

2.2.2.1 空氣中天然存在的放射性核素

天然存在的放射性核素包括空氣中的天然放射性核素和地表中的放射性核素?？諝庵刑烊环派湫院怂刂饕獮殡奔捌渥芋w，根據(jù)文獻[7]研究表明，平衡當量氡的活度濃度產(chǎn)生γ劑量率的轉(zhuǎn)換因子是0.5(nGy/h)/(Bq/m3)。經(jīng)調(diào)查[8]，我國各省市大氣中氡的平均活度濃度為11.0Bq/m3, 地表中氡的活度濃度會受到降雨、溫度、濕度等影響。計算可得空氣中氡產(chǎn)生的劑量率約為5 nGy/h。

2.2.2.2 地表中天然存在的放射性核素

地表中存在的原生放射性核素包括鈾-238、釷-232的子體及鉀-40。根據(jù)GB/T 14583-1993《環(huán)境地表γ輻射劑量率測定規(guī)范》[9]，環(huán)境γ劑量率一般是指離地表1米處的空間吸收劑量。根據(jù)國際上一些研究報告[9]中給出的公式(3)，即通過地表土壤中鈾-238、釷-232及鉀-40的活度濃度估算出地表1米處的空氣吸收劑量率。

D地表γ=λ鈾+A鈾+λ釷×A釷+λ鉀×A鉀

(3)

公式(3)中，D地表γ——地表1米處的空氣吸收劑量率；

λ鈾、λ釷、λ鉀——分別是鈾、釷、鉀導致地表1米處空氣吸收劑量率與地表中放射性活度濃度關(guān)系的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

A鈾、A釷、A鉀——分別是土壤中鈾-238、釷-232及鉀-40的放射性活度濃度。

根據(jù)文獻[10]，λ鈾、λ釷、λ鉀系數(shù)采用0.430、0.666、0.042。根據(jù)歷年HFETR周圍環(huán)境監(jiān)測年報可知，HFETR周圍地區(qū)土壤天然核素鈾-238監(jiān)測值范圍：(9.38～63.17)Bq/kg，平均值：32.42 Bq/kg；釷-232監(jiān)測值范圍：(13.6～69.95)Bq/kg，平均值：35.97Bq/kg；鉀-40監(jiān)測值范圍：(385.91～750.90)Bq/kg，平均值：528.77Bq/kg。將轉(zhuǎn)換系數(shù)及鈾-238、釷-232及鉀-40的平均活度濃度帶入公式(3)計算可得，HFETR周圍地區(qū)地表中天然放射性核素產(chǎn)生的γ劑量率約在30nGy/h至105nGy/h范圍之內(nèi)，平均約為59nGy/h。

2.2.3 HFETR運行

HFETR運行產(chǎn)生的氣態(tài)放射性物質(zhì)通過高架排放方式進入環(huán)境，遷移、擴散,污染物包括惰性氣體、粒子(Co-60、Cs-137)、氚、碳-14、碘等。根據(jù)歷年HFETR周圍環(huán)境監(jiān)測年報表明，HFETR運行釋放的氣載放射性物質(zhì)沒有對周圍環(huán)境對造成可察覺的影響。

2.3 影響因素

由2.2部分分析可知，當環(huán)境γ劑量率構(gòu)成一定時，只有當構(gòu)成部分發(fā)生變化時，環(huán)境γ劑量率才能會發(fā)生變化。天然輻射源與自然因素有關(guān)，比如降雨、風向、風速、溫度、濕度、氣壓、打雷等。

2.3.1 降雨

由本文2.2部分分析發(fā)現(xiàn)地表中的氡活度濃度會影響環(huán)境γ劑量率的變化，有必要進一步研究降雨對環(huán)境γ劑量率的影響。根據(jù)本文2.1部分可知，廠內(nèi)監(jiān)測點環(huán)境γ劑量率受干擾因素較多，所以選擇廠外監(jiān)測點(監(jiān)測點⑧、監(jiān)測點⑦)、廠界監(jiān)測點(監(jiān)測點④、監(jiān)測點②)環(huán)境γ劑量率與降雨的關(guān)系。圖4表示的是HFETR 廠址該年1月至12月降雨量分布統(tǒng)計情況，由圖3可知，該年8月、9月降雨量最高，分別為270.8mm、249.5mm，占比分別為20.43%、18.33%。因此選擇該年8月至9月期間作為分析區(qū)間，統(tǒng)計環(huán)境γ劑量率與降雨的變化趨勢圖。

圖4 廠址該年1月至12月降雨量分布統(tǒng)計Fig.4 Rainfall distribution of the plant site during January to December of the year

圖5 廠外監(jiān)測點(監(jiān)測點⑧、監(jiān)測點⑦)8月至 9月期間逐時環(huán)境γ劑量率與小時降雨量的關(guān)系Fig.5 Relationship between hourly environmental γ dose rate(point⑧,point⑦) and hourly rainfall during August to September of the year

圖6 廠界監(jiān)測點(監(jiān)測點④、監(jiān)測點②) 9月期間逐時環(huán)境γ劑量率與小時降雨量的關(guān)系Fig.6 Relationship between hourly environmental γ dose rate(point④,point②) and hourly rainfall during September of the year

圖5表示的是廠外監(jiān)測點(監(jiān)測點⑧、監(jiān)測點⑦)該年8月至9月期間逐時環(huán)境γ劑量率與小時降雨量的關(guān)系，由5可知，監(jiān)測點⑧和監(jiān)測點⑦的環(huán)境γ劑量率的變化趨勢與降雨的情況一致，即當降雨時，環(huán)境γ劑量率就會迅速變高，經(jīng)分析環(huán)境γ劑量率可升高50%左右。進一步分析，圖6給出廠界監(jiān)測點(監(jiān)測點④、監(jiān)測點②) 該年9月期間逐時環(huán)境γ劑量率與小時降雨量的關(guān)系，由圖6可知，9月期間基本上每一次降雨都會引起監(jiān)測點④、監(jiān)測點②環(huán)境γ劑量率的迅速升高，雨停后又會降低至正常水平，進一步印證了圖5的結(jié)果。由圖6可進一步看出，環(huán)境γ劑量率升高程度與降雨量相關(guān)、環(huán)境γ劑量率升高持續(xù)的時間與降雨持續(xù)時間相關(guān)，即降雨量越大、持續(xù)時間越長，環(huán)境γ劑量率升的越高、持續(xù)時間越長。

根據(jù)2.2部分的分析，廠外監(jiān)測點基本可排除人工放射性核素對γ劑量率的影響，那么只可能是由天然放射性核素引起的升高。自然環(huán)境空氣中含有一定量的氡及其子體，這些天然放射性核素隨著降雨沉降至地表，導致了環(huán)境γ劑量率的升高。

2.3.2 風向

由上文可知，降雨對環(huán)境γ劑量率的影響較大，根據(jù)圖3選擇全年降雨量最少的該年1月至3月期間的廠外監(jiān)測點監(jiān)測點⑦、監(jiān)測點⑧分析環(huán)境γ劑量率與風向的關(guān)系。上述兩點的環(huán)境γ劑量率只統(tǒng)計未降雨期間的數(shù)據(jù)，圖7給出了該年1月至該年3月期間監(jiān)測點⑦環(huán)境γ劑量率與風向的關(guān)系，圖8給出了該年1月至3月期間監(jiān)測點⑧環(huán)境γ劑量率與風向的關(guān)系。由圖7發(fā)現(xiàn)，在SW方位、SSW方位、NE方位、ENE方位、E方位內(nèi)的環(huán)境γ劑量率水平較高，不同風向時，環(huán)境γ劑量率存在差異；圖8表明監(jiān)測點⑧環(huán)境γ劑量率分布情況與監(jiān)測點⑦相似。同時對比了廠址風向頻率玫瑰圖，發(fā)現(xiàn)環(huán)境γ劑量率與風向頻率基本保持一致。

圖7 該年1月至3月期間監(jiān)測點⑦環(huán)境 γ劑量率與風向的關(guān)系Fig.7 Relationship between hourly environmental γ dose rate(Monitoring point⑦) and wind direction during January to March of the year

圖8 該年1月至3月期間監(jiān)測點 ⑧環(huán)境γ劑量率與風向的關(guān)系Fig.8 Relationship between hourly environmental γ dose rate(Monitoring point⑧) and wind direction during January to March of the year

2.3.3 風速

同上，為避免降雨因素的干擾，選擇該年1月至3月期間的廠外監(jiān)測點⑦、監(jiān)測點⑧分析環(huán)境γ劑量率與風速的關(guān)系。上述兩點的環(huán)境γ劑量率只統(tǒng)計未降雨期間的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計不同風速下環(huán)境γ劑量率分布情況，給出環(huán)境γ劑量率的中位值，如圖9所示。由圖9可以看出隨著風速的增加，環(huán)境γ劑量率有下降趨勢。根據(jù)計算，監(jiān)測點⑦環(huán)境γ劑量率數(shù)據(jù)與風速的Pearson系數(shù)(反映兩個變量線性相關(guān)程度的統(tǒng)計量)為-0.17，呈弱負相關(guān)；監(jiān)測點⑧環(huán)境γ劑量率數(shù)據(jù)與風速的Pearson系數(shù)為-0.60，強負相關(guān)。而當風速≤5m/s時，監(jiān)測點⑦環(huán)境γ劑量率數(shù)據(jù)與風速的Pearson系數(shù)為-0.88，呈極強負相關(guān)；監(jiān)測點⑧環(huán)境γ劑量率數(shù)據(jù)與風速的Pearson系數(shù)為-0.91，呈極強負相關(guān)。上述趨勢可能是由于風速越大，空氣中的放射性物質(zhì)擴散越快引起。

圖9 該年1月至3月期間監(jiān)測點⑦、監(jiān)測點⑧ 環(huán)境γ劑量率與風速的關(guān)系Fig.9 Relationship between hourly environmental γ dose rate(Monitoring point⑦, Monitoring point⑧) and wind speed during January to March of the year

2.3.4 其他因素

圖7給出了該年1月3月期間監(jiān)測點⑦、監(jiān)測點⑧環(huán)境γ劑量率與氣溫的關(guān)系，由圖10可知，該年1月至3月期間，氣溫上升明顯，但兩點的環(huán)境γ劑量率水平未見明顯變化。圖11給出了該年1月至3月期間監(jiān)測點⑦、監(jiān)測點⑧環(huán)境γ劑量率與濕度的關(guān)系，由圖11可知，該年1月至3月期間，濕度波動變化明顯，但兩點的環(huán)境γ劑量率水平未見明顯變化。上述分析表明，氣溫、濕度可能會對空氣天然放射性核素濃度、宇宙射線等產(chǎn)生影響，但在HFETR周圍地區(qū)影響不明顯。

另外，下雨時可能伴隨著打雷，雷擊產(chǎn)生的高能電子會與空氣中分子產(chǎn)生較強的韌致輻射，導致環(huán)境γ劑量率升高，但目前沒有相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，尚需進一步研究。

圖10 該年1月至3月期間監(jiān)測點⑦、監(jiān)測點⑧ 環(huán)境γ劑量率與氣溫的關(guān)系Fig.10 Relationship between hourly environmental γ dose rate(Monitoring point⑦, Monitoring point⑧) and temperature during January to March of the year

圖11 該年1月至3月期間監(jiān)測點⑦、 監(jiān)測點⑧環(huán)境γ劑量率與濕度的關(guān)系Fig.11 Relationship between hourly environmental γ dose rate(Monitoring point⑦, Monitoring point⑧) and humidity during January to March of the year

3 結(jié) 論

本文以HFETR周圍某年度環(huán)境γ劑量率連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)為對象，結(jié)合理論、廠址特征、廠址氣象等要素分析了HFETR周圍環(huán)境γ劑量率變化趨勢及其構(gòu)成成分、影響因素。結(jié)論如下：

3.1 HFETR周圍各監(jiān)測點全年監(jiān)測結(jié)果與實際相符，無明顯異?，F(xiàn)象；

3.2 HFETR周圍環(huán)境γ劑量率主要是宇宙射線、天然存在的核素貢獻；

3.3 環(huán)境γ劑量率受降雨、風速、風向、異常排放等因素影響明顯，受氣溫、濕度因素等影響不明顯。

通過研究，初步掌握了HFETR周圍環(huán)境γ劑量率的變化規(guī)律及趨勢，可為HFETR的安全運行、環(huán)境監(jiān)控、制定應(yīng)急行動水平等提供依據(jù)。另外，環(huán)境γ劑量率構(gòu)成及變化復雜，影響因素之間相互關(guān)聯(lián)，需要持續(xù)保持監(jiān)測，積累大量數(shù)據(jù)，開展進一步的研究工作。