核电厂正常运行和事故情况下, 对环境中产生的γ辐射对关键人群组或公众所致外照射剂量的估算提供数据资料, 是核电厂外围环境γ辐射连续监测系统的主要目的之一^[1]。

环境γ辐射剂量率存在不可忽视的涨落, 特别是由于降雨引起的空气中氡子体的沉降, 土壤的水分, 以及雪覆盖等的影响。其中降雨可使γ辐射剂量率短时间增加50%到100%。而核电厂正常运行造成的最大附加γ辐射剂量率相比要低得多, 可能完全淹灭在天然γ辐射的涨落范围内。为此, 对环境的γ辐射水平的变化规律进行研究分析, 找出环境γ辐射水平的变化规律, 提高环境γ辐射连续监测系统的监测灵敏度, 对更有效地监督核电厂运行, 为公众提供安全信息, 具有十分重要意义。

1 秦山核电基地外围环境辐射连续监测系统 1.1 监测点位的布设和描述

在秦山核电基地外围5 km陆地范围内, 按16个方位角(其中朝海方向不设置), 设置了8个监测点, 在离秦山核电基地最近的县城武原镇设有1个对照点, 共9个监测点。监测点中秦山顶点设于海拔170 m山顶的平房顶上, 秦山镇点设于25 m × 25 m的草地上, 武原镇点设于六层楼顶, 其他各点均设于平房楼顶上。

1.2 探测器

监测系统辐射探测器采用美国通用电气公司生产的RSS-131型高压电离室, 其测量范围: 1 × 10^-8~1 × 10^-1 nGy/h, 灵敏度: 3 fA/nGy/h, 能量响应: ≤ ± 30% (70 keV~10 MeV)、≤ ± 10% (300 keV~3 MeV), 角响应: ≤1.2%。探测器置于百叶箱内, 高度1 m(离安装面)。

在夏家湾、秦山镇和杨柳村3个监测点部署风速、风向、温湿度、气压、降雨和感雨等气象观察仪。

1.3 数据采集系统

数据采集器采集各气象观察仪的信号及相关的安全信号(如室温、避雷器、不间断电源的故障信号等)。现场工控机通过RS232接口收集γ辐射探测器和数据采集器的监测数据, 通过数据专线(DDN)实时向位于杭州的数据处理中心发送数据。数据处理中心对数据进行存储、处理和分析, 通过图表等形式进行显示。当数据或系统发生异常时, 处理中心会自动通过短信平台向值班人员发出报警信号^[2]。

2 监测结果

辐射连续监测系统自建成后已连续运行近10a, 每年5 min数据获取率达99%以上, 表 1列出了2003~2011年5 min剂量率的年均值和标准偏差。

表 1可见, 2003~2011年, 9个监测点年平均剂量率范围为90~116 nGy/h, 平均值为102 nGy/h。秦山顶、夏家湾、秦山镇、二期码头、秦联、杨柳村东、杨柳村、鸽山和武原镇9个监测点的年剂量率的平均值分别是101、100、103、93、104、104、108、92和115 nGy/h。除夏家湾点中途搬点外, 其他各监测点年剂量率的标准偏差为0.7~1.7 nGy/h。这从一个侧面说明该监测系统稳定性强, 可靠性高, 探测器本身受温湿度的影响小。

3 天然因素影响分析

环境中天然辐射本底主要由宇宙射线、宇生放射性核素和原生放射性核素发射的辐射三部分组成。此外, 环境中辐射本底还包括大气层核试验所致的全球核沉降中长寿命人工放射性核素以及切尔诺贝利等核事故沉降灰产生的辐射的影响。核设施周围的辐射环境还包括核设施流出物中产生的辐射影响。原生放射性核素发射(即陆地γ辐射)包括土壤和岩石中放射性核素、氡钍射气及其子体产生的γ辐射。陆地γ辐射变化是影响γ辐射连续监测系统的监测灵敏度主要因素, 一般由降雨、雪覆盖及相关联氡、土壤水分变化、周围环境等因素决定。降雨引起地表γ辐射剂量率的升高幅度随季节、雨量大小及当地环境而变, 降雨(雪)的影响是天然因素中影响最大的。

3.1 降雨(雪)的影响

分析各监测点2003~2011年数据, 各监测点5 min剂量率最大上升幅度达到其年剂量率均值的29%~99%, 图 1是监测点秦山镇一次典型降雨所测到剂量率变化图。图 1中下雨前2 h剂量率均值为108 nGy/h, 雨后剂量率降底后2 h均值为105 nGy/h, 因该次下雨导致剂量率短时期内最高上升24%, 持续时间约为3 h。

降雨时, 雨水把地表上空的氡及其子体冲刷到地面, 引起地表γ辐射剂量率的瞬时上升, γ辐射剂量率上升的幅度与当地的氡及其子体的浓度、冲刷系数和降雨量有关。雨停后, 冲刷在地表的氡及其子体随时间衰变, 而氡及其子体中对γ辐射剂量率贡献最大的²¹⁴Pb半衰期26.8 min, 因此γ辐射剂量率有一个随e指数衰变的尾巴, 衰变的半衰期约为0.5 h; 而后, 下雨使地表面覆盖有水导致含水增高, 对γ辐射起屏蔽作用, 使得雨后γ辐射剂量率低于降雨前, 然后随着地表面水分的蒸发, 含水量减少, 地表γ辐射剂量率缓慢上升。这与文献报道^{[3, 4]}相同。

3.2 周围环境的影响

2003~2011年各监测点的年剂量率的平均值及其变化范围、年剂量率的标准偏差见图 2。

由图 2可见, 标准偏差最大的监测点为秦山镇, 标准偏差次之的是秦山山顶点, 其他各点的标准偏差介于中间, 而标准偏差最小的是武原镇点。

这主要与监测点的周围环境相关。秦山镇点上探测器直接置于1 m高的地面上, 降雨影响及地面的含水量的变化导致监测结果变化大。秦山山顶点受秦山山体的影响, 变化也相对较大; 其余各点均建在楼顶, 尤其武原镇点位于高20 m左右的6楼顶, 又有良好的排水系统, 故其监测数据涨落最小。因此, 选择环境稳定的监测点, 可减少环境剂量率的涨落, 有利于提高系统对核设施气载排放物监测的灵敏度。

4 核电厂排放引起环境γ辐射剂量率的上升

结合核电厂排放情况、气象条件及综合分析, 本监测系统在2003~2005年间, 发现10次环境γ辐射剂量率异常, 均在晴天。核电厂在正常工况下气载放射性物质排放量非常小, 通过大气的扩散后到达监测点的量就更小。目前在降雨等情况下无法有效的鉴别出核电厂在正常工况下排放导致的环境γ辐射剂量率异常。监测到的最大剂量率增量为3.6~44.6 nGy/h, 平均11.7 nGy/h。

图 3是一次典型的排放引起的剂量率的升高。该次剂量率短时期内最高上升16%, 持续时间约30 min。人工放射性污染引起剂量率的上升^{[5, 6]}, 同时剂量率的小时标准偏差也上升, 因惰性气体不在监测点滞留, 所释放的放射性烟云经过观察点, 被观察到, 过后, 剂量率又回到原来水平, 图 3中剂量率升高前后2 h剂量率均值均为103 nGy/h, 所以放射性烟云引起的环境γ辐射剂量率上升与降雨引起的剂量率上升, 在峰形上有差异。人工污染则直接回到原来状态, 降雨的峰形有一个衰减和水屏蔽引起的下降, 具体见3.2。可作为区分环境γ辐射水平上升的重要依据。

5 结论

核电厂外围环境γ辐射连续监测系统各监测点年平均辐射剂量率范围为90~116 nGy/h, 平均值为102 nGy/h。系统数据获取率99%以上, 很好达到了建设目标。影响γ辐射剂量率的天然因素中降雨(雪)的影响是最大的, 5 min剂量率最大上升幅度达到其年均剂量率值的99%。监测点周围环境影响γ辐射剂量率的涨落, 在对核设施监测的选点中应考虑尽可能排除该影响。核电厂正常运行排放的气载放射性物质所引起的环境γ辐射剂量率的升高, 可能完全淹灭在天然γ辐射的涨落范围内。笔者只从气候为晴天情况下, 通过图形甄别, 判断核电厂排放做了初步分析。其后, 核电厂加强了运行管理, 尽量在风向朝向海面的有利的情况下排放, 以减少公众所受剂量, 尽管这剂量相对于剂量限制是微乎其微的。