近年来, 我国核电建设进入快速发展期, 至2020年, 我国核电装机容量预计将达7 000万千瓦^[1], 今后几年将有更多的核电站进入选址和建设阶段, 都需要开展核电运行前本底调查。目前我国的《辐射环境监测技术规范》(HJ/T 61-2001)、《核动力厂环境辐射防护规定》(GB 6249-2011)等规范均未包含对核电厂运行前本底调查必须开展航空放射性测量的规定, 但一些发达国家, 如美国能源部早在1958年就建立了航空监测队伍, 几乎对所有核设施都开展运行前和运行期的区域性航空放射性测量。

1 国外航空辐射测量现状及应用概况

一些发达国家开展航空辐射环境及应急监测已相当广泛和成熟。核设施厂址的环境辐射本底监测和运行过程中的定期监测, 在具备航测条件的国家和地区, 已经成为惯例, 是政府或者核设施业主的职责。美国备有两架固定翼飞机和两架直升飞机用于开展航空测量, 由EG & G公司承担。其他国家如奥地利、丹麦各拥有1套航空测量系统, 芬兰、法国、挪威、瑞典、瑞士、英国各2套, 德国5套。据调研结果不完全统计^[2], 自1972年以来, 美国仅在核设施开展航空放射性测量调查辐射现状水平就多达196个项目, 区域面积从早期1 000~2 000 km², 至后来定期或不定期监测50~200 km², 重复测量时间间隔一般为5~10 a, 个别重点设施间隔时间相对短一些。多数核设施在建立前和运行期间都开展了航空放射性调查, 一方面了解辐射现状, 厂区的排放和对周围的影响状况; 另一方面建立参照水平, 了解核素扩散迁移变化状况, 以及事故发生后作为参照水准。

三里岛核电站事故发生前, 于1976年开展了面积为2 143 km²的航空放射性测量, 事故发生后, 于1982年又进行了航空测量, 面积为82 km²。与前一次对比, 发现了⁵⁸Co、⁶⁰Co和¹³⁷Cs存在, 说明航空测量能监测到人工核素; 美国橡树岭地区包括国家实验室、前气体扩散厂、核武器生产厂、科教研究所、前铀矿石储存库等地, 1973年到1997年间在这一地区开展了6次飞行测量, 每次测量面积范围约为440 km², 测量结果发现并确定了¹³⁷Cs、⁶⁰Co人工核素及其分布范围, 同时发现不同年份测量的结果中有些异常数据分布的范围也发生了变化^[3]。

据文献报告^[3], 瑞士由联邦核安全督察局(HSK)提供经费, 于1989至1992年的四年中, 围绕瑞士境内4个核电站和1个核研究设施地区每年进行定期测量, 监测其剂量率的分布, 并提供了一个航空监测数据库。自1994年开始, 对这5个核设施每两年实施一次定期的航空监测。

德国对核电站等核设施进行第一次航空放射性测量后, 每隔2~3年时间进行常规性的定期航空监测。在法国, 由于核电站等核设施较多, 对核电站等核设施的常规监测, 通常是每隔4~5年实施一次较详细的航空监测, 每年包括演习要航测约10个核设施。军用核设施每5年航测一次, 由军方提供经费, 民用核设施由政府提供固定的年费进行轮流监测^[3]。

2 核电本底调查开展辐射环境航空测量的必要性

《核动力厂环境辐射防护规定》(GB 6249- 2011)要求核电厂试运行前, 营运单位必须完成环境放射性本底辐射水平的调查, 分析测量的内容包括环境γ辐射水平及与核电厂排放有关的核素。本底调查的目的是将运行前本底调查所获得的环境放射性本底辐射水平作为今后核设施运行期间开展常规环境辐射监测和流出物监测, 以及可能发生事故时开展的事故环境应急监测结果的参照基准, 同时也为剂量评价提供依据。因此, 核设施运行前环境放射性本底辐射水平调查结果的数据质量和代表性至关重要。

2.1 监测数据更为详实和具有代表性

核电站环境辐射航空监测将使本底辐射水平数据更详实且更具代表性。根据《核动力厂环境辐射防护规定》(GB 6249-2011)调查范围要求, 核电运行前环境γ辐射本底水平调查为以核电厂为中心, 半径50 km范围内区域。环境γ辐射剂量水平测量点分布在厂界周围按半径2 km、5 km、10 km、20 km和50 km, 8个方位角间隔交叉布点, 与8个扇区的交点上, 每个测点对应代表的范围大约为0.8 km²、1.7 km²、4.9 km²、19.6 km²、176.6 km²。但由于个别地区地表地质情况复杂, 土壤、岩石性质可能存在着较大的差异性, 例如, 在有些地区, 多数花岗岩分布区陆地天然外照射大约为120~150 nGy/h, 在砂岩、灰岩分布区则多为30~ 50 nGy/h, 而多数土壤层为60 nGy/h左右。按照目前的要求每个测点对应代表 0.8 km²至176.6 km², 实际测量结果表明在这样面积的区域内辐射水平往往变化较大。如果利用航空测量开展核设施本底调查, 测量覆盖整个区域, 其详细程度是很难用地面测量来代替, 所得数据也更具有代表性。

2.2 为核应急监测提供参考依据

应用航空放射性测量方法, 可大面积、快速、经济地获得核电站场址及其周围地区的环境辐射本底, 为今后核应急监测提供参照依据。核电站厂址的航空环境辐射本底监测和今后运行过程中的定期监测, 可以弄清核设施周围地区外来人工放射性核素沉积量、调查天然放射性核素的分布和确认核设施周围环境辐射本底水平, 为今后核应急航空监测结果提供参照和比对的监测数据^[5]。

2.3 满足公众对环境信息需求

为了消除核电站周围民众对核电站运行安全的忧患和核恐惧心理, 更好地评价核电站运行后对周围环境的辐射影响, 有必要开展核电站运行前航空放射性测量。核设施多位于沿海丘陵地区, 地面复杂, 地面监测受地面交通和地形地貌条件限制, 无法获得全面的数据, 航空辐射监测具有覆盖面大、作用范围广、且不受地面交通和地形地貌条件的限制, 具有大面积、快速、经济等地面监测所不具备的优点, 测量覆盖整个评价区域, 也就是说, 评价区域内公众居住活动的所有关注地点都监测到了, 满足了公众对环境信息的需求, 从而赢得社会公众对核电站运行安全的信心和支持。

2.4 对核电站航空放射性测量的意义重大

① 对于那些在核电站周围地区或附近由于辐射本底本身偏高的区域(如基岩的辐射本底), 能够在核电站运行前的航空测量中得到确认, 这具有非常重要的意义, 以使社会公众对核设施运行的安全性得到正确的认可, 以排除公众的误解心理。②对于那些在核电站周围地区或附近的外来(核武器试验或者其他国家的核事故所产生的放射性落下灰)的放射性污染(或者失控的人工放射性核素工作源), 能够在核电站运行前的航空测量中得到确认(或者被发现), 这本身具有非常重要的意义, 这要比在核电站运行后得到确认拥有许多优点, 使对核设施运行的安全性得到正确的认可, 以消除公众的忧患和核恐惧心理。

3 我国开展核电站环境辐射航空测量的可行性

我国自1955年开始采用航空放射性测量方法寻找铀矿, 20世纪80年代航空放射性测量技术逐渐应用于环境辐射调查的研究和试验中, 这期间仪器设备、技术方法、数据处理、领航定位等方面都经历了由低级到高级, 由手工到自动化的过程, 测量仪器由上世纪50年代的计数管到今天的大体积晶体探测器, 目前使用的测量仪器系统都从国外进口, 包括从上世纪80年代初至2000年, 先后从美国、加拿大引进了NaI (Tl)闪烁探测器, 型号为GR-800、MCA-2及GR-820航空伽玛能谱测量系统。飞机类型多采用直升飞机和固定翼飞机。探测器NaI (Tl)晶体体积为32~48 L装载于固定翼飞机上。伽玛能谱分析器为256~512道+8个累计道, 数据存储在机载计算机上。采用特征峰自动稳谱技术, 主要使用¹³⁷Cs源, 对662 keV能量峰进行稳谱^[5]。

目前, 我国已具备开展核电站航空环境辐射水平调查的技术水平、调查能力和经济实力。如在秦山核电站及周围地区、上海地区放射性水平、阳江-深圳地区放射性水平, 包头-白云鄂博地区等对核设施和伴生放射性矿开发利用开展辐射现状调查, 2009年航空监测成为朝鲜核爆应急监测的一部分, 初步形成了具有一定快速响应能力、能基本满足辐射水平航测要求的航空监测系统。而且航空辐射监测用于核电站本底调查, 按照以核电厂为中心半径50 km的调查范围来航测, 所需监测经费约为200万, 占核电厂运行前期所开展调查总费用比例不大。因此在核电站本底调查期间开展航空测量在技术上和经济上是可行的。目前我国常用于航空放射性测量的机型及航空监测仪器有松鼠直升机、Y-12型飞机、GR-820探测器及256道航空伽玛能谱系统。

4 核电本底调查航空辐射测量的方案

核电本底调查实施航空辐射测量, 分为航空测量系统的刻度与计量认可、空域申请与调机转场、核电站航测区现场各方协调、航空测量数据采集与处理分析和地质环境踏勘调查、成果报告编写与成果验收等五个阶段进行。

4.1 核电本底调查航空辐射测量范围和目的

利用航空辐射测量技术主要完成对核电站周围地区50 km范围内陆域部分及部分海域部分的航空放射性测量, 获得比地面监测更为详尽的监测数据。

4.2 核电本底调查航空辐射监测内容

参考《辐射环境监测技术规范》(HJ/T 61-2001)、《核动力厂环境辐射防护规定》(GB 6249-2011)等规范中核电本底调查监测内容的要求, 考虑到航空辐射监测的特点, 核电本底调查航空辐射监测的主要内容为:①核电工程周围地区(50 km范围)地面1 m高度处伽玛辐射空气吸收剂量率; ②核电工程周围地区(50 km范围)天然放射性核素(⁴⁰K、²³⁸U和²³²Th)质量活度浓度分布; ③核电工程周围地区(50 km范围)人工放射性核素¹³⁷Cs和⁶⁰Co面活度分布; ④核电工程周围地区(50 km范围)搜寻可能存在的辐射热点(区); ⑤核电工程周围地区(50 km范围)分辨可能存在其他人工放射性核素的污染。

通过航空辐射测量, 可获得核电工程周围地区(50 km范围)航空放射性测量原始能谱数据及一整套航测刻度原始能谱数据, 可用于今后核电厂运行期间快速发现可能存在的人工核素, 及圈定其分布范围。

5 建议

目前, 我国已具备开展航空环境γ辐射水平调查的技术水平、调查能力和经济实力, 我们认为有必要在核电本底调查中开展航空辐射监测, 一方面可以获得更加详细的辐射背景资料, 为核电厂运行后常规监测和应急监测提供参照依据, 一方面可以消除核电站周围民众对核电站运行安全的忧患和核恐惧心理。建议应尽快把这一先进的测量技术和方法纳入《核动力厂环境辐射防护规定》(GB 6249-2011)等相关国家标准中。

志谢: 在撰写本文过程中, 得到清华大学吴其反老师和国家核应急航空监测中心倪卫冲高级工程师的热情帮助与指导, 在此表示衷心感谢。