目前我国运行核电厂和在建核电厂均位于沿海地区, 在内陆地区建设核电厂尚没有先例, 公众及审管部门对此存在较多疑虑。其中之一是担心内陆核电厂液态放射性流出物排放后会在受纳水体中造成长期的累积影响并通过饮用水途径等影响厂址周围公众健康^[1]。

美国是核电最发达的国家之一, 截至2011年底, 美国共有65座核电厂, 其中有49座为内陆核电厂, 占所有核电厂总数的75%。美国49个内陆运行核电厂至今已经有超过2000堆年的运行经验反馈。除去五大湖区的10个内陆核电厂和1个"干厂址"Palo Verde核电厂, 美国共有38个内陆核电厂具有典型的内陆核电厂环境特征, 这38个核电厂中, 有36个位于小型湖库或河流附近, 2个为大河厂址, 位于Mississippi河沿岸^[2]。得益于美国核管会(NRC)实施的核电厂环境信息公开, 在NRC网站上检索到了上述38个内陆运行核电厂近7年期间(2005-2011年)各年度环境辐射监测报告^[3]。因此, 调研分析这38个典型内陆核电厂液态放射性流出物对环境地表水及饮用水的辐射环境影响, 以及对公众造成的辐射剂量水平, 可以为我国内陆核电厂选址、建设和运行提供环境管理参考经验。

1 美国核电厂地表水和饮用水的监测

美国运行核电厂的执照持有者必须在每年5月底以前, 向NRC提交上一年度的辐射环境监测报告, 报告需要详细给出上一年度环境监测结果总结、辐射环境监测程序(REMP)要求的监测项目、列出上一年度各种环境介质监测结果, 并进行分析和汇总, 判断监测到的放射性物质的来源, 并对历史监测数据进行趋势分析, 有些核电厂还根据监测数据简单给出了公众受照剂量水平评估结果。需要说明, 美国核安全导则NUREG 1301对核电厂辐射环境监测内容、点位、频次和探测下限都有明确规定, 各个核电厂根据NURGE1301的要求需要制定厂外剂量评估手册(ODCM), 所有辐射环境监测结果需要作为厂外公众剂量评估的输入数据^[4]。对地表水和饮用水的监测, 需要关注以下问题。

1.1 监测布点

美国内陆核电厂地表水监测一般设置2~3个监测点位, 也有一些核电厂地表水设置较多点位的, 一些核电厂设置点位达到7个, 主要原因是厂址附近可能有较多的水体, 包括水库、支流等, 也可能与受纳水体排放口较多有关^[5]。

美国38个典型内陆核电厂有24个核电厂开展了饮用水的监测。这些饮用水主要针对地表水饮用水, 地下水饮用水未进行统计分析。其他核电厂根据"厂址土地利用普查"资料确定受纳水体一定范围内没有饮用水取水点, 未开展饮用水监测。

1.2 采样监测方法

美国核电厂对地表水和饮用水的监测一般通过采样泵进行连续采集或等时间间隔采集, 制成月度混合样后进行总β、γ核素分析等, 月度混合样再混合成季度混合样后进行氚的监测, 以保证取样代表性。部分核电厂采用抓样法采集地表水和饮用水。个别核电厂对地表水总β测量还区分总残渣、溶解态和悬浮物三种成分测量, 对这些核电厂总β的分析, 本文仅考虑总残渣总β^[5]。

1.3 探测下限

美国核安全导则NUREG 1301规定了核电厂环境监测项目必须达到的探测下限LLD水平^[4]。该LLD为一个先验性(a priori)的指标, 用于判定相应监测方法的能力水平。随着监测技术的进步, 目前对放射性核素监测的LLD水平已大大降低。例如对水中氚的监测, NURGE 1301规定的LLD为3 000 pCi/L (111 Bq/L), 实际该LLD已能达到200 pCi/L (7.4 Bq/L)的水平甚至更低[实际情况下, 用超低本底液闪谱仪一般能监测到1 Bq/L水平的氚, 美国对水中氚的监测比较宽松, 从49个内陆核电厂地表水中氚的监测情况来看, 除少数核电厂(Braidwood核电厂)外, 地表水中氚的LLD均未低于100 pCi/L的水平]。一些核电厂规定的LLD较高。例如, Arkansas核电厂辐射环境监测大纲中对水中氚的LLD一般在400 pCi/ L以上。表 1给出了NUREG 1031规定的水环境监测项目必须达到的LLD水平。

2 核电厂受纳水体环境介质辐射监测结果分析 2.1 地表水

美国38个典型内陆核电厂氚、总β、γ核素(主要是¹³⁷Cs)等分析结果范围见表 2所示。

2.1.1 氚(³H)

根据资料统计, 美国内陆核电厂地表水中主要检测到核电厂排放的放射性核素主要是氚。在38个内陆核电厂中, 地表水中氚浓度超过2 000 pCi/L (74 Bq/L)的核电厂有6个, 该浓度水平为美国EPA规定的饮用水中氚浓度的指导水平的十分之一^{[6, 7]}, 这6个核电厂分别是Catabwba、Comanche Peak、North Anna、Shearon Harris、Oconee、Wolf Creek, 受纳水体均为小型湖库。地表水氚浓度最大的核电厂是Wolf Creek核电厂, 氚浓度水平均超过了10 000 pCi/L (370 Bq/L)。表 3给出了这6个核电厂水体环境特征^[8]。从表中可以看到, 这些小型湖库库容均在1×10⁸m³量级, 对放射性流出物的稀释能力有限, 由于氚无法通过常规三废系统进行处理以减小排放, 核电厂一回路中产生的氚大部分都向环境中排放, 故这些小型湖库中氚浓度均较高。

在美国38个内陆核电厂中, 在地表水监测项目中还有部分年份氚监测结果大于2 000 pCi/L (74 Bq/L)的核电厂, 包括Byron、Grand Gulf、Robinson、Susquehanna、Three Mile Island、Vogtle, 地表水出现较高浓度的监测点一般位于核电厂总排放口, 由于受纳水体稀释能力较低, 导致部分年份监测到的氚浓度较高。一些核电厂地表水采样采用抓样法, 取样时可能正好处于核电厂排放期间, 导致个别样品中氚浓度较高。

美国38个典型内陆核电厂中, 有12个核电厂在近7年来地表水中均未检测到氚或有个别年份检测到氚。这些核电厂由于环境水体稀释条件优越或流出物控制较好等原因, 地表水中一般难以检测到氚, 相应探测下限水平约为200 pCi/L (7.4 Bq/L)的水平。

剩余14个核电厂均在地表水中各年份或多或少地监测到氚, 其年度平均氚浓度水平最高不超过2 000 pCi/L (74 Bq/L)。

2.1.2 总β

美国38个内陆核电厂中, 有11个核电厂开展了地表水总β监测。总β为一个半定量指标, 主要用于饮用水的监测, 根据WHO的推荐确定饮用水中放射性的筛选水平。根据WHO的推荐, 当饮用水中总β超过1 Bq/L (27 pCi/L)时, 需要做更详细的放射性核素分析^[9]。对地表水总β的监测表明该核电厂附近地表水可能会作为饮用水水源。

根据16个开展地表水中总β监测核电厂的监测资料, 所有核电厂地表水总β监测结果一般处于1~ 10 pCi/L (0.037~0.37 Bq/L)量级。需要说明, 总β主要与水体中⁴⁰K及氡子体等天然放射性核素有关。

2.1.3 锶(⁸⁹Sr/⁹⁰Sr)

在38个典型内陆核电厂中, 有2个核电厂开展了水中⁸⁹Sr、⁹⁰Sr的监测, 分别为Duane Arnod核电厂、North Anna核电厂。这两个核电厂在地表水中均未检出⁸⁹Sr、⁹⁰Sr。

2.1.4 γ核素

美国38个内陆核电厂中, 有2个核电厂在地表水中检测到核电厂排放的人工γ放射性核素, 分别为Catawba核电厂、North Anna核电厂。

Catawba核电厂地表水中检测到的人工γ放射性核素为⁵⁸Co和⁶⁰Co, 这两个核素明显来自核电厂一回路受活化的腐蚀产物。监测年报显示在2008、2009、2011年地表水中均检测到了⁵⁸Co和⁶⁰Co, 但均处于较低水平, 最大⁶⁰Co浓度(2011年)达到19.6 pCi/L (0.725 Bq/L), 略高于NURGE 1301规定的⁶⁰Co LLD于15 pCi/L。

North Anna核电厂也在近7年地表水中监测到人工γ放射性核素, 在2009年度监测到了⁶⁰Co、¹⁴⁰Ba, 在2010年监测到了⁹⁵Nb。相应监测数值均低于NURGE 1301规定的LLD。监测年报认为, 由于低于LLD, 且在实际监测的LLD附近, 可能存在误测。

2.1.5 碘(¹³¹I)

美国38个典型内陆核电厂有6个核电厂开展了地表水中¹³¹I的监测, 主要指放化分析方法监测结果。有3个核电厂在近7年来地表水中¹³¹I监测结果均低于LLD, 分别为Clinton、Duane Arnold、Peach Bottom核电厂; 有2个核电厂在近7年地表水中常检出¹³¹I, 特别是在对照点, 相应来源被推断来自厂址附近或上游医疗系统的排放, 包括Beaver Valley、Three Mile Island核电厂; 还有两个核电厂也检测到了¹³¹I, 分别为Robinson、Shearon Harris核电厂。Robinson核电厂在2011年的一个地表水样品中检测到了¹³¹I, 分析认为其来自日本福岛核事故的影响。Shearon Harris核电厂指示点与对照点均能检测到¹³¹I。对照点位于厂址上游约27.7 km (17.2 mi)处, 受核电厂影响的可能性较小。因此, Shearon Harris核电厂地表水中检测到的¹³¹I被认为非来自核电厂的影响。

2.2 饮用水

美国38个典型内陆核电厂有29个核电厂开展了饮用水的监测, 占60%。饮用水监测项目主要包括总β、氚、¹³¹I、⁸⁹Sr/⁹⁰Sr以及γ核素分析, 近7年监测结果范围见表 4所示。

2.2.1 总β

总β是饮用水监测的常规监测项目, WHO规定饮用水中总β的筛选水平为1 Bq/L (27 pCi/L), 超过该水平并不表明该饮用水不适合饮用, 但需要详细进行核素分析。从29个开展饮用水监测的核电厂监测资料来看, 除Beaver Valley核电厂外, 其他核电厂均开展了饮用水总β监测。监测结果表明, 饮用水中总β一般均于10 pCi/L (0.37 Bq/L)以下的水平, 不足WHO规定的1 Bq/L水平的一半。个别核电厂饮用水中总β较高, 例如Prairies核电厂, 近7年来饮用水总β监测结果均大于10pCi/L (0.37 Bq/L), 但监测结果处于相近范围内。饮用水中总β监测属于半定量指标, 监测结果的变化不能直接反应水中放射性是否受到核电厂的影响, 需要进行核素分析才能确定^[9]。

2.2.2 氚(³H)

饮用水中氚是饮用水监测的常规监测项目。在29个开展饮用水监测的内陆核电厂中, 所有核电厂均开展了饮用水中氚的监测。从监测结果来看, 个别核电厂饮用水中氚浓度较高, 例如Comanche Peak核电厂, 由于该核电厂流出物受纳水体为一小型水库(Squaw Creek水库), 历年来氚监测结果均大于10 000 pCi/L (370 Bq/L), 但仍低于EPA规定的饮用水中氚浓度指导水平(20 000 pCi/L或740 Bq/L)。监测年报认为, 由于核电厂周围找不到合适的饮用水取水点, 只是将水库水作为饮用水进行监测。因此, 实际来看, 相应结果与地表水监测结果是一致的。

饮用水中氚浓度较高的核电厂是Shearon Harris核电厂, 在2009年及以后的数年内均检测到氚年平均值在2 000 pCi/L (74 Bq/L)以上, 约占EPA规定的饮用水中氚浓度指导水平的十分之一^{[6, 7]}。

需要说明, 在29个开展饮用水监测的核电厂中, 有超过10个核电厂饮用水中氚监测结果低于LLD或在LLD附近, 约占34%, 其他核电厂饮用水中氚监测结果均在数百至1 000 pCi/L (37 Bq/L)的水平。

整体上看, 有约40%的内陆核电厂在饮用水中检出了氚, 其浓度水平要明显高于LLD, 但远低于EPA规定的饮用水中氚的指导水平(20 000 pCi/L或740 Bq/L)。

2.2.3 碘(¹³¹I)

美国49个内陆核电厂中有12个核电厂开展了饮用水中¹³¹I的监测, 需要说明, 该监测采用放化分析方法, 与常规γ谱分析相比具有更低的探测下限。

从近7年的监测结果来看, 仅Beaver Valley核电厂和Shearon Harris核电厂在饮用水中检测到过¹³¹I, 分析表明, 这两个核电厂饮用水中检测到的¹³¹I均非来自核电厂排放, 而是来自附近和排放口上游医疗机构的排放。

2.2.4 锶(⁸⁹Sr/⁹⁰Sr)

在29个开展饮用水监测的核电厂中, 仅两个核电厂开展了⁸⁹Sr/⁹⁰Sr的监测, 所有结果均低于LLD。

2.2.5 γ核素分析

根据29个开展饮用水监测的核电厂的监测资料, 除Ginna核电厂在2011年个别样品中检测到¹³⁷Cs外, 其他核电厂饮用水中均未检测到人工γ放射性核素浓度水平高于LLD。Ginna核电厂在2009年以前的监测年报中将饮用水和地表水分开统计, 2009年以后统计分析未严格区分饮用水和地表水。近7年来该核电厂在饮用水中多次检测到¹³⁷Cs, 监测到的点位位于厂址循环冷却水排水口等区域。

3 公众剂量评估

美国各个核电厂在REMP中规定了ODCM所需要监测的监测数据和参数。与液态流出物排放相关的照射途径包括饮水、食入鱼类和岸边沉积外照射。通过与本底辐射剂量水平进行比较分析, 进行核电厂液态流出物照射途径可能对公众造成的辐射影响评价, 美国NCRP第93号报告给出了美国公众平均受到的本底辐射水平为3 55 mrem/年(约3.6 mSv/a)^[10]。

根据前面所述结果, 在饮用水中发现核电厂液态流出物排放最重要的放射性核素是氚, 在49个内陆核电厂中, 有29个核电厂开展了地表水饮用水的监测, 其中在约40%的内陆核电厂在饮用水中检出了氚, 其浓度水平要明显高于LLD, 但均低于EPA规定的饮用水中氚的指导水平(20 000 pCi/L或740 Bq/L)。其中饮用水氚浓度最大为Comanche Peak核电厂, 监测到的结果在10 000 pCi/L以上, 但调查发现, 厂址附近并没有公众将该受纳水体作为饮用水水源。

饮用水中氚浓度较大的核电厂是Shearon Harris核电厂, 近3年监测结果均高于2 000 pCi/L (74 Bq/L), 在2009年最大浓度监测结果达到5 530 pCi/L (204.61 Bq/L)的水平。

以5 530 pCi/L (204.61 Bq/L)估算公众饮水受照剂量, 则公众(成人)因饮用水中的氚造成的剂量水平为:

式中, q为成人饮用水量, 取730 L/a; C为饮用水中氚浓度, Bq/L; DF为氚的食入剂量转换因子, 取ICRP推荐值18×10^-12 Sv/Bq (取HTO的剂量转换因子, 不考虑有机结合氚)^[11]。计算得到饮用水中氚对公众造成的辐射剂量水平不超过2.7 μSv/a。该剂量水平不超过美国公众本底受照水平的0.1%。

4 结论

美国38个典型内陆核电厂中, 地表水和饮用水(地表饮用水, 非井水或地下水)受到核电厂污染的主要核素是³H, 其中少数核电厂检出的氚浓度较高, 与受纳水体为小型湖库有关, 但总体上饮用水氚浓度水平仍低于EPA规定的饮用水中指导水平20 000 pCi/L (740 Bq/L)。

对38个典型内陆核电厂公众剂量进行保守估算表明, 厂址周围公众通过饮水所致照射剂量均远低于美国公众成人受到的本底辐射剂量水平。

整体上看, 美国内陆核电厂运行基本上未对厂址水环境造成影响。可能为主要影响因素是氚, 但其浓度水平均低于EPA规定的饮用水中氚指导水平。对饮用水途径估算对公众造成的辐射剂量, 与本底剂量相比是可以忽略的。