HFETR周围环境γ剂量率变化趋势分析

孙伟中，吴 耀，李 莉，陈启兵，左 伟

(1.中国核动力研究设计院第一研究所，成都 610065; 2.四川省核设施退役与放射性废物治理工程实验室，成都 610065)

前 言

高通量工程试验堆(High Flux Engineering Test Reactor,简称HFETR) 是一座以水作慢化剂和冷却剂、铍作反射层的压力壳型工程试验堆，设计功率为125MW，采用多层套管型燃料元件[1]，主要任务是开展动力堆燃料和材料的辐照考验、放射性同位素生产等，年运行时间超过200d。HFETR位于四川省乐山市夹江县南安乡境内，距乐山市约36km，离夹江县城约10.5km，东侧距青衣江1.5km。这里四面环山，西南6.6km处为大旗山，西南9km处为黑包山。南安河为青衣江的一级支流，从厂区内迂回流过，在五马桥汇入青衣江。根据国家有关法规标准要求，为确保HFETR周围环境及公众的辐射安全，并为环境影响评价提供依据，需对HFETR周围30 km范围内的环境放射性水平进行监测，其中环境γ剂量率便是主要的监测项目之一。根据HJ/T61-2021《辐射环境监测技术规范》，环境γ剂量率是指环境中放射性核素发射出的γ射线在空气中的吸收剂量率，是辐射环境监测的重要监测项目，是判断环境辐射质量好坏的重要指标，可直接反映核设施(核电厂、研究堆、后处理厂、废物处理场等)的运行状态、及时发现异常情况，同时为公众提供最直观的安全信息[2]。

2012年福岛核事故发生后，我国对辐射环境质量的监管要求逐步提高，生态环境部加快了我国辐射环境监测网络的建设。通过全国辐射环境在线监测网络，实时掌握全国辐射环境数据、提高核事故预警能力[3]。为掌握HFETR周围环境γ剂量率水平，监控可能存在的环境风险，提升HFETR周围环境应急判别、监测能力，在HFETR周围地区设置了1套环境γ剂量率连续监测系统，共计8个监测点，实现了HFETR周围环境γ剂量率的连续监测。系统自运行以来，积累了大量的环境γ剂量率数据。在“大数据”时代背景下[4]，将这些数据进行有效的分析，掌握监测数据变化规律及趋势，对于判别HFETR周围环境风险，为HFETR运行提高可靠的预警信息,制定符合实际的应急行动水平等具有重要意义。本文就以HFETR周围某年度环境γ剂量率连续监测数据为对象，研究其变化规律及趋势，为HFETR的安全运行、环境监控提供可靠的技术依据。

1 设备及方法

HFETR周围环境γ剂量率采用环境γ剂量率连续监测系统连续采集，系统由数据处理中央站、环境辐射监测点(子站)、数据传输网络以及辅助设施等组成。该系统主要功能是对HFETR周围环境辐射水平进行连续监测，将辐射环境监测数据通过有线和无线两种方式实时传送到中央站服务器加以处理和存储，并且可以实时显示系统运行状态和监测数据。中央站是环境辐射监测系统的数据中心，主要由环境辐射监测计算机、系统网络服务器、工作站计算机、网络通讯设备和互联网设备组成，所使用的计算机和设备通过网络实现互联互通。中央站处理环境辐射监测站提供的实时监测数据，并且对监测设备进行远程管理，可以生成环境监测报告。数据传输网络，即环境辐射监测子站与中央站之间的数据传输网络，包括无线通讯和有线通讯两种方式。通过此网络，可以方便快捷地将各种环境监测数据进行传输。系统共计有8个监测点，每个监测点是由电离室探测器、数据采集工控机、数据通讯设备、电源设备、防雷设施、机柜等组成。各监测点详细信息见表1，相对HFETR位置见图1。

表1 固定式环境γ连续监测系统监测点信息Tab.1 Monitoring points information of environmental γ continuous monitoring system (m)

图1 各监测点位置示意图(圆心为HFETR位置)Fig.1 Monitoring points location relative to HFETR(HFETR is located at the Center)

系统运行期间积累了大量的环境γ剂量率的数据，本文以HFETR周围某年度环境γ剂量率连续监测数据为对象，结合理论、厂址特征(海拔、纬度等)、厂址气象等要素，分析监测数据趋势、分析监测数据与各要素之间的关联性，由此掌握HFETR周围环境γ剂量率的变化规律及趋势。

2 监测结果及分析

2.1 总体趋势分析

厂界监测点环境γ剂量率逐时监测结果见图2，厂外监测点环境γ剂量率逐时监测结果见图3，监测点的监测数据统计情况见表2。厂界监测点监测点①、监测点②、监测点③、监测点④全年环境γ剂量率平均值在95nGy/h～110 nGy/h范围内，厂外监测点监测点⑤、监测点⑥、监测点⑦、监测点⑧全年环境γ剂量率平均值在117nGy/h～133 nGy/h范围内，8个监测点全年环境γ剂量率波动变化较小，保持在一定水平范围内，无明显异常。总体上，各监测点全年监测结果与实际相符，并无明显异常现象。下文进一步分析研究了导致环境γ剂量率的变动变化的原因，并给出环境γ剂量率的构成和影响环境γ剂量率的因素。

图2 厂界监测点某年度全年环境γ剂量率逐时监测结果Fig.2 Hourly monitoring results of annual environmental γ dose rate in a certain year at the factory boundary

图3 厂外监测点某年度全年环境γ剂量率逐时监测结果Fig.3 Hourly monitoring results of annual environmental γ dose rate in a certain year outside the factory

表2 全年环境γ剂量率逐时监测结果Tab.2 Hourly environmental γ dose rate thronghout the year (nGy/h)

2.2 环境γ剂量率的构成分析

环境γ剂量率由天然辐射源和人工辐射源所致，天然辐射包括宇宙射线、天然存在的放射性核素，人工辐射源包括早期核试验或核事故、核能及核技术应用、医疗照射。早期的核试验产生的人工放射性核素经大气扩散，沉降在地表上，但是对环境γ剂量率的影响可忽略不计。切尔诺贝利核事故、福岛核事故产生的人工放射性核素对四川地区产生微乎其微[5]。HFETR地区的核设施运行，包括正常或异常情况，可能对环境γ剂量率产生影响。因此，HFETR环境γ剂量率主要由宇宙射线、天然存在的放射性核素、核设施运行贡献。

2.2.1 宇宙射线

宇宙射线来自外层空间射向地球表面的射线，分为初级宇宙射线与次级宇宙射线，而到达地球表面的几乎全是次级初级射线。宇宙射线产生的γ剂量率主要受海波和地磁纬度的影响。宇宙射线中的光子存在明显的高度效应，剂量率随着高度的增加而增加[6]。根据HJ /T 61—2001《辐射环境监测技术规范》[1]，宇宙射线电离成分产生的空气吸收剂量率可用经验公式(1)估算。

公式(1)中I0——λm=0，h=0时宇宙射线电离量值，单位为I,它随太阳11年活动周期变化而变化，1974～1989年6年实测的平均值为1.70±0.07离子对/(cm2·s);

h——计算点的海波高度，m；

λm——计算点地磁纬度，°N；由计算的地理纬度和地理经度按照公式(2)计算

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

(2)

将各监测点的地理经纬度数据、海拔等数值带入公式(1)、公式(2)，计算表明各监测点的宇宙射线剂量率差异不大，HFETR周围地区宇宙射线中电离辐射成分产生的γ剂量率约为31 nGy/h。

2.2.2 天然存在的放射性核素

2.2.2.1 空气中天然存在的放射性核素

天然存在的放射性核素包括空气中的天然放射性核素和地表中的放射性核素。空气中天然放射性核素主要为氡及其子体，根据文献[7]研究表明，平衡当量氡的活度浓度产生γ剂量率的转换因子是0.5(nGy/h)/(Bq/m3)。经调查[8]，我国各省市大气中氡的平均活度浓度为11.0Bq/m3, 地表中氡的活度浓度会受到降雨、温度、湿度等影响。计算可得空气中氡产生的剂量率约为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铀-238、钍-232的子体及钾-40。根据GB/T 14583-1993《环境地表γ辐射剂量率测定规范》[9]，环境γ剂量率一般是指离地表1米处的空间吸收剂量。根据国际上一些研究报告[9]中给出的公式(3)，即通过地表土壤中铀-238、钍-232及钾-40的活度浓度估算出地表1米处的空气吸收剂量率。

D地表γ=λ铀+A铀+λ钍×A钍+λ钾×A钾

(3)

公式(3)中，D地表γ——地表1米处的空气吸收剂量率；

λ铀、λ钍、λ钾——分别是铀、钍、钾导致地表1米处空气吸收剂量率与地表中放射性活度浓度关系的转换系数。

A铀、A钍、A钾——分别是土壤中铀-238、钍-232及钾-40的放射性活度浓度。

根据文献[10]，λ铀、λ钍、λ钾系数采用0.430、0.666、0.042。根据历年HFETR周围环境监测年报可知，HFETR周围地区土壤天然核素铀-238监测值范围：(9.38～63.17)Bq/kg，平均值：32.42 Bq/kg；钍-232监测值范围：(13.6～69.95)Bq/kg，平均值：35.97Bq/kg；钾-40监测值范围：(385.91～750.90)Bq/kg，平均值：528.77Bq/kg。将转换系数及铀-238、钍-232及钾-40的平均活度浓度带入公式(3)计算可得，HFETR周围地区地表中天然放射性核素产生的γ剂量率约在30nGy/h至105nGy/h范围之内，平均约为59nGy/h。

2.2.3 HFETR运行

HFETR运行产生的气态放射性物质通过高架排放方式进入环境，迁移、扩散,污染物包括惰性气体、粒子(Co-60、Cs-137)、氚、碳-14、碘等。根据历年HFETR周围环境监测年报表明，HFETR运行释放的气载放射性物质没有对周围环境对造成可察觉的影响。

2.3 影响因素

由2.2部分分析可知，当环境γ剂量率构成一定时，只有当构成部分发生变化时，环境γ剂量率才能会发生变化。天然辐射源与自然因素有关，比如降雨、风向、风速、温度、湿度、气压、打雷等。

2.3.1 降雨

由本文2.2部分分析发现地表中的氡活度浓度会影响环境γ剂量率的变化，有必要进一步研究降雨对环境γ剂量率的影响。根据本文2.1部分可知，厂内监测点环境γ剂量率受干扰因素较多，所以选择厂外监测点(监测点⑧、监测点⑦)、厂界监测点(监测点④、监测点②)环境γ剂量率与降雨的关系。图4表示的是HFETR 厂址该年1月至12月降雨量分布统计情况，由图3可知，该年8月、9月降雨量最高，分别为270.8mm、249.5mm，占比分别为20.43%、18.33%。因此选择该年8月至9月期间作为分析区间，统计环境γ剂量率与降雨的变化趋势图。

图4 厂址该年1月至12月降雨量分布统计Fig.4 Rainfall distribution of the plant site during January to December of the year

图5 厂外监测点(监测点⑧、监测点⑦)8月至 9月期间逐时环境γ剂量率与小时降雨量的关系Fig.5 Relationship between hourly environmental γ dose rate(point⑧,point⑦) and hourly rainfall during August to September of the year

图6 厂界监测点(监测点④、监测点②) 9月期间逐时环境γ剂量率与小时降雨量的关系Fig.6 Relationship between hourly environmental γ dose rate(point④,point②) and hourly rainfall during September of the year

图5表示的是厂外监测点(监测点⑧、监测点⑦)该年8月至9月期间逐时环境γ剂量率与小时降雨量的关系，由5可知，监测点⑧和监测点⑦的环境γ剂量率的变化趋势与降雨的情况一致，即当降雨时，环境γ剂量率就会迅速变高，经分析环境γ剂量率可升高50%左右。进一步分析，图6给出厂界监测点(监测点④、监测点②) 该年9月期间逐时环境γ剂量率与小时降雨量的关系，由图6可知，9月期间基本上每一次降雨都会引起监测点④、监测点②环境γ剂量率的迅速升高，雨停后又会降低至正常水平，进一步印证了图5的结果。由图6可进一步看出，环境γ剂量率升高程度与降雨量相关、环境γ剂量率升高持续的时间与降雨持续时间相关，即降雨量越大、持续时间越长，环境γ剂量率升的越高、持续时间越长。

根据2.2部分的分析，厂外监测点基本可排除人工放射性核素对γ剂量率的影响，那么只可能是由天然放射性核素引起的升高。自然环境空气中含有一定量的氡及其子体，这些天然放射性核素随着降雨沉降至地表，导致了环境γ剂量率的升高。

2.3.2 风向

由上文可知，降雨对环境γ剂量率的影响较大，根据图3选择全年降雨量最少的该年1月至3月期间的厂外监测点监测点⑦、监测点⑧分析环境γ剂量率与风向的关系。上述两点的环境γ剂量率只统计未降雨期间的数据，图7给出了该年1月至该年3月期间监测点⑦环境γ剂量率与风向的关系，图8给出了该年1月至3月期间监测点⑧环境γ剂量率与风向的关系。由图7发现，在SW方位、SSW方位、NE方位、ENE方位、E方位内的环境γ剂量率水平较高，不同风向时，环境γ剂量率存在差异；图8表明监测点⑧环境γ剂量率分布情况与监测点⑦相似。同时对比了厂址风向频率玫瑰图，发现环境γ剂量率与风向频率基本保持一致。

图7 该年1月至3月期间监测点⑦环境 γ剂量率与风向的关系Fig.7 Relationship between hourly environmental γ dose rate(Monitoring point⑦) and wind direction during January to March of the year

图8 该年1月至3月期间监测点 ⑧环境γ剂量率与风向的关系Fig.8 Relationship between hourly environmental γ dose rate(Monitoring point⑧) and wind direction during January to March of the year

2.3.3 风速

同上，为避免降雨因素的干扰，选择该年1月至3月期间的厂外监测点⑦、监测点⑧分析环境γ剂量率与风速的关系。上述两点的环境γ剂量率只统计未降雨期间的数据，统计不同风速下环境γ剂量率分布情况，给出环境γ剂量率的中位值，如图9所示。由图9可以看出随着风速的增加，环境γ剂量率有下降趋势。根据计算，监测点⑦环境γ剂量率数据与风速的Pearson系数(反映两个变量线性相关程度的统计量)为-0.17，呈弱负相关；监测点⑧环境γ剂量率数据与风速的Pearson系数为-0.60，强负相关。而当风速≤5m/s时，监测点⑦环境γ剂量率数据与风速的Pearson系数为-0.88，呈极强负相关；监测点⑧环境γ剂量率数据与风速的Pearson系数为-0.91，呈极强负相关。上述趋势可能是由于风速越大，空气中的放射性物质扩散越快引起。

图9 该年1月至3月期间监测点⑦、监测点⑧ 环境γ剂量率与风速的关系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

图7给出了该年1月3月期间监测点⑦、监测点⑧环境γ剂量率与气温的关系，由图10可知，该年1月至3月期间，气温上升明显，但两点的环境γ剂量率水平未见明显变化。图11给出了该年1月至3月期间监测点⑦、监测点⑧环境γ剂量率与湿度的关系，由图11可知，该年1月至3月期间，湿度波动变化明显，但两点的环境γ剂量率水平未见明显变化。上述分析表明，气温、湿度可能会对空气天然放射性核素浓度、宇宙射线等产生影响，但在HFETR周围地区影响不明显。

另外，下雨时可能伴随着打雷，雷击产生的高能电子会与空气中分子产生较强的韧致辐射，导致环境γ剂量率升高，但目前没有相关的统计数据，尚需进一步研究。

图10 该年1月至3月期间监测点⑦、监测点⑧ 环境γ剂量率与气温的关系Fig.10 Relationship between hourly environmental γ dose rate(Monitoring point⑦, Monitoring point⑧) and temperature during January to March of the year

图11 该年1月至3月期间监测点⑦、 监测点⑧环境γ剂量率与湿度的关系Fig.11 Relationship between hourly environmental γ dose rate(Monitoring point⑦, Monitoring point⑧) and humidity during January to March of the year

3 结 论

本文以HFETR周围某年度环境γ剂量率连续监测数据为对象，结合理论、厂址特征、厂址气象等要素分析了HFETR周围环境γ剂量率变化趋势及其构成成分、影响因素。结论如下：

3.1 HFETR周围各监测点全年监测结果与实际相符，无明显异常现象；

3.2 HFETR周围环境γ剂量率主要是宇宙射线、天然存在的核素贡献；

3.3 环境γ剂量率受降雨、风速、风向、异常排放等因素影响明显，受气温、湿度因素等影响不明显。

通过研究，初步掌握了HFETR周围环境γ剂量率的变化规律及趋势，可为HFETR的安全运行、环境监控、制定应急行动水平等提供依据。另外，环境γ剂量率构成及变化复杂，影响因素之间相互关联，需要持续保持监测，积累大量数据，开展进一步的研究工作。