一种核设施外环境中植物剂量率估算方法与流程

本发明属于核设施生态环境影响评价，具体涉及一种核设施外环境中植物剂量率估算方法。

背景技术：

1、在我国的相关标准和导则中，明确要求评价核设施放射性流出物对非人类生物的辐射影响。《环境影响评价技术导则核电厂环境影响报告书的格式和内容》(hj808-2016)a6.2.7节明确提出非人类生物的辐射评价技术导则：非人类生物的辐射剂量，结合厂址环境条件，确定具有代表性的指示生物。描述非人类生物辐射剂量学分析方法以及评价模式和参数，并估算对非人类生物的辐射剂量。对于同一厂址后续建造的机组，还应给出厂址所有机组对非人类生物的辐射剂量。hj808-2016的a.6.2.9节：辐射影响评价，给出流出物排放对公众和非人类生物所致辐射影响的概括性分析和评价。《核电厂环境辐射防护规定》(gb 6249-2011)第5.2节明确提出：在评价核动力厂厂址的适宜性时......，必须充分论证核动力厂放射性流出物(特别是事故工况下的流出物排放)、热排放及化学流出物排放对环境、当地生态系统和公众的影响。我国核工业场址外环境分布有许多植被类型，迫切需要开展核场址外环境中植物的辐射剂量率详细估算，建立植物的辐射影响评价系统。

2、在辐射防护领域，采用蒙特卡罗方法可以计算由电离辐射源在受照介质中某观察处产生的辐射剂量。生物辐射剂量的计算需要一套剂量学模型，在用计算机模拟吸收剂量时，需要生物模型代替试验对象。在蒙特卡罗方法模拟计算中，准确而真实的生物体模型和蒙特卡罗计算代码的有效结合是进行辐射剂量模拟和估算的重要进步。

3、欧盟开展的“电离辐射污染的环境危害：评价与管理”(erica)项目和美国能源部(doe)评价生物剂量采用的分级方法，均以整体模型为基础，进而达到对不同生物体进行快速剂量评估的目的。整体模型是由球体、椭球体、椎体、圆柱体、长方体等二次曲面来对生物整体进行近似代替。其优点在于：模型简单、计算速度快；缺点是模型形状与实际生物体相差大，可能会造成剂量估算较大的不确定性。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种核设施外环境中植物剂量率估算方法，使用该方法能够建立植物辐射剂量评价的外照射几何模型，进行植物的辐射剂量率估算，为我国核设施生态环境影响评价提供技术支持。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种核设施外环境中植物剂量率估算方法，包括以下步骤：

4、s1、选择典型场址，测量代表性植物的生物学特征参数，并对所述代表性植物及其对应的环境介质进行采样分析，得到所述代表性植物各部分及环境介质的元素组成、密度、放射性核素的活度浓度；

5、s2、根据所述生物学特征参数建立所述代表性植物的简化几何模型和外照射环境的简化几何模型；

6、s3、采用蒙特卡洛方法模拟计算不同能量粒子的沉积能量，再根据剂量转换因子和植物的核素活度浓度，计算得到所述代表性植物各部分受到的剂量率。

7、进一步，如上所述的核设施外环境中植物剂量率估算方法，步骤s1中所述代表性植物的生物学特征参数包括胸径、树高和冠幅。

8、进一步，如上所述的核设施外环境中植物剂量率估算方法，步骤s2中：建立所述代表性植物的几何模型时假设：植物的各部分为实体，树枝、树叶和树根部分空气不影响粒子的照射；放射性核素在植物某一组织中是均匀分布的；

9、建立所述外照射环境的几何模型时假设：植物位于土壤和空气的界面上，地上部分完全被空气包围，地下部分完全被土壤包围；植物在环境中只受到来自土壤中放射性核素产生的外照射，不考虑空气的外照射；放射性核素在表层土壤20cm深度范围内均匀分布。

10、进一步，如上所述的核设施外环境中植物剂量率估算方法，步骤s2中具体为：将所述代表性植物的各个部分等效为由数学几何方程表示的曲面包围体，所述曲面包围体为椭球、圆柱、圆锥体或平面。

11、进一步，如上所述的核设施外环境中植物剂量率估算方法，步骤s2中所述数学几何方程无缝衔接。

12、进一步，如上所述的核设施外环境中植物剂量率估算方法，步骤s3具体为：

13、s31、采用蒙特卡罗方法模拟源粒子在植物体内的输送和相互作用，得到源介质中关键核素发射的各种能量光子和电子在靶组织/器官中的能量沉积；

14、s32、根据所述源粒子的产额、源介质和靶组织/器官的质量，计算源介质对靶组织/器官的剂量转换因子；

15、s33、根据土壤中放射性核素活度浓度和所述代表性植物体内的放射性核素活度浓度，通过所述剂量转换因子估算出所述代表性植物的受照剂量率。

16、进一步，如上所述的核设施外环境中植物剂量率估算方法，步骤s32中植物的辐射途径主要来自于土壤的外照射和进入生物体内的核素内照射，对于低能β和α，只考虑内照射，并且认为能量全部沉积在源组织中；外照射只考虑高能β和光子。

17、进一步，如上所述的核设施外环境中植物剂量率估算方法，步骤s32中：所述剂量转换因子包括内照射剂量转换因子和外照射剂量转换因子，

18、所述内照射剂量转换因子：源组织/器官i中能量为ek的ν粒子对应于靶组织/器官j的剂量转换因子dcci,j(ek)为：

19、

20、式(1)中：

21、mi——源组织/器官i的质量，kg；

22、mj——靶组织/器官j的质量，kg；

23、——源组织/器官i中每发射一次能量为ek的ν粒子被靶组织/器官j吸收的能量吸收分数；

24、所述外照射剂量转换因子：外部环境介质m中能量为ek的ν粒子对应于靶组织/器官j的剂量转换因子dccm,j(ek)为：

25、

26、式(2)中：

27、mm——外部源环境介质m的质量，kg；

28、mj——靶组织/器官j的质量，kg；

29、——外部源环境介质m中每发射一次能量为ek的ν粒子被靶组织/器官j吸收的能量吸收分数。

30、进一步，如上所述的核设施外环境中植物剂量率估算方法，步骤s32中对于任意辐射类型的总的dcc值通过加权得到：

31、dcctot＝∑％ei×dcc(ei)       (3)

32、式(3)中：％ei——对于α、γ辐射，％ei是能量为ei的射线或粒子的能量强度；对于β辐射，ei是对应于连续能谱的一段能量，％ei是相应的这一段能量在总能谱中所占比例分数值。

33、进一步，如上所述的核设施外环境中植物剂量率估算方法，步骤s33具体为：

34、生物体受到的剂量率包括两部分：内照射剂量率和外照射剂量率，即

35、

36、式(4)中：

37、——内照射剂量率，μgy h-1；

38、——外照射剂量率，μgy h-1。

39、靶组织/器官j所受到来自于体内源组织/器官i中能量为ek的ν粒子辐射的加权剂量率为：

40、

41、式(5)中：

42、wr,v——辐射权重因子，α辐射取10，低能β辐射取3，非低能β和γ辐射取1；

43、dcci,j(ek)——源组织/器官i中能量为ek粒子辐射对靶组织/器官j的内照射剂量转换因子，μgy h-1/bq kg-1；

44、ci——源组织/器官i中该核素a的活度浓度，bq/kg鲜重。

45、计算外部环境介质对生物靶组织/器官的辐射剂量率时，需要考虑生物在此环境介质中的居留因子，外部环境介质m对生物靶组织/器官j的加权剂量率为：

46、

47、式(6)中：

48、wr,,v——对非低能β和γ辐射取1，不考虑α和低能β；

49、dccm,j(ek)——外部环境介质m的第k种辐射对生物靶组织/器官j的剂量转换因子，μgy h-1/bq kg-1；

50、cm——外部环境介质m中该核素a的活度浓度，bq/kg或bq/l；

51、r——生物在该环境介质中的居留因子。

52、则生物各组织/器官受到的总的剂量率为

53、

54、与现有技术相比，本发明提供的核设施外环境中植物剂量率估算方法，具有以下有益效果：

55、本发明选择南方某核场址外环境中柳杉(乔木)、北方某核场址外环境中红柳(灌木)和芦苇(草本)作为代表性植物，建立了植物的几何模型，将植物分为树叶、树枝、树干、树根，各个部分无缝衔接，并用最为接近的几何体进行模拟，转化为可以用数学公式表达的曲面方程；使用蒙特卡罗mcnp程序模拟源粒子在植物体内的输送和相互作用，经蒙特卡罗模拟得到了源介质中关键核素发射的各种能量光子和电子在靶组织/器官中的能量沉积，由该种粒子的产额、源介质和靶组织/器官的质量，通过剂量转换因子计算公式计算源介质对靶组织/器官的剂量转换因子；由土壤中放射性核素浓度和生物体内的放射性核素活度浓度通过剂量转换因子估算出生物的受照剂量率。

56、本发明提供的估算方法剂量率估算结果更接近实际情况，有效提高非人类生物剂量评价的准确性。该发明不仅可用于核场址外环境影响评价，也能用于对生物个体(比如稀缺物种)的剂量评估，具有针对性及实用性，为我国核设施安全运行提供技术支持。