航天器發(fā)射事故中钚-238熱源輻射風險評估模型的建立及應(yīng)用

彭 慧，唐 顯，蔡定勘，羅志福

(1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

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航天器發(fā)射事故中钚-238熱源輻射風險評估模型的建立及應(yīng)用

彭 慧1,2，唐 顯1，蔡定勘1，羅志福1

(1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

輻射風險是航天器使用钚-238熱源的關(guān)鍵問題。本文以“嫦娥三號”任務(wù)為例，提出钚-238熱源在航天器應(yīng)用過程中的輻射風險評估內(nèi)容和方法，建立相應(yīng)的風險評價模型。評估結(jié)果顯示，使用钚-238熱源的輻射風險較低。本文建立的分析方法可為使用核能源的航天任務(wù)輻射風險評估提供參考。

钚-238熱源；發(fā)射事故；輻射風險

核能源是實現(xiàn)深空探測目標的關(guān)鍵技術(shù)之一。美國、俄羅斯的航天器都應(yīng)用了核能源，其中，钚-238熱源已成為美國“好奇號”火星探測器的唯一能源[1-3]。我國的“嫦娥三號”任務(wù)首次使用了钚-238熱源[4]，在隨后的航天任務(wù)中也將是主要能源之一。按照我國《放射源分類辦法》，空間用钚-238熱源屬于Ⅰ類極高危險放射源，其使用、運輸?shù)榷急仨毥?jīng)過安全分析和行政審批。與地面應(yīng)用的Ⅰ類放射源相比，钚-238熱源的體積和質(zhì)量嚴格受限，無法采用冗余防護設(shè)計。

我國尚未建立相應(yīng)放射源空間應(yīng)用的輻射風險分析程序。為了安全使用钚-238熱源，必須對使用過程中影響熱源安全性的事故景象和薄弱環(huán)節(jié)進行識別，對可能的事故后果進行分析，確定該活動的整體輻射風險及主要風險點，以指導钚-238熱源安全性研究和相應(yīng)的輻射事故應(yīng)急。為此，本文首次提出通過對熱源安全分析、發(fā)射任務(wù)分析、薄弱環(huán)節(jié)識別、輻射風險評估方法等方面的綜合分析，擬建立風險評價模型，為空間用钚-238熱源的安全使用提供參考。

1 輻射風險評估的數(shù)據(jù)準備

圖1 風險評估的內(nèi)容和分析步驟Fig.1 Content and steps of risk assessment

風險評估包括風險識別和風險評價，對可能引起風險的威脅和薄弱環(huán)節(jié)進行評估，根據(jù)風險評估的結(jié)果識別和選擇安全措施，并將風險降低到可接受水平。風險評估的常用方法包括因素分析法、模糊綜合評價法、定性風險評價法和概率風險評價法，其中概率風險評價法常用于核電站和核材料運輸?shù)陌踩治觥ｏL險評估需進行大量的數(shù)據(jù)整理和分析，尤其是系統(tǒng)的安全數(shù)據(jù)、事故數(shù)據(jù)以及人員和環(huán)境數(shù)據(jù)。钚-238在航天器使用中風險評估的數(shù)據(jù)整理、分析過程示于圖1。

從圖1可知，數(shù)據(jù)來源主要可采用熱源測試分析數(shù)據(jù)、國外發(fā)射歷史數(shù)據(jù)、事故理論分析數(shù)據(jù)以及相關(guān)專家意見和統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。钚-238熱源在航天任務(wù)應(yīng)用過程中的風險評估包括安全薄弱環(huán)節(jié)識別、威脅識別、事故后果分析及風險的表征等，具體包括以下內(nèi)容：

(1) 钚-238熱源安全性的結(jié)構(gòu)分析；

(2) 發(fā)射軌道、發(fā)射事故景象等航天任務(wù)分析；

(3) 結(jié)合熱源的安全性與發(fā)射事故景象完成安全事故薄弱環(huán)節(jié)識別；

(4) 對事故發(fā)生后的主要威脅進行識別，放射性物質(zhì)主要考慮對人員和環(huán)境可能產(chǎn)生嚴重輻射影響的威脅；

(5) 事故后果分析，本文主要考慮輻射后果，包括環(huán)境的放射性污染面積、污染水平、污染持續(xù)時間和人員的受照劑量，以及健康影響等；

(6) 風險的表征與評價，是將個人輻射風險與輻射可接受水平進行比較。

2 輻射風險評估的過程及方法

钚-238熱源形成輻射風險的途徑包括作為Ⅰ類放射源的外照射和钚-238放射性物質(zhì)泄漏后的擴散。其中，作為Ⅰ類放射源的輻射風險在正常工作和事故情況下均存在，主要考慮對地面人員(不包括載人航天器中的宇航員)的外照射劑量；钚-238放射性物質(zhì)泄漏后的擴散，主要是發(fā)射過程的嚴重事故導致熱源泄漏后形成的钚-238氣溶膠擴散，造成人員和環(huán)境的污染。钚-238熱源使用過程中輻射風險的研究方法示于圖2。

由圖2可知，事故的確定包括事故發(fā)生概率、爆炸與火災(zāi)等事故參數(shù)的計算。事故發(fā)生概率可直接作為風險計算的輸入量，爆炸、火災(zāi)等事故直接影響钚-238熱源的安全性及放射性物質(zhì)的可控狀態(tài)。钚-238放射性泄漏的情況下，氣溶膠的擴散方式、擴散量與事故狀態(tài)相關(guān)，需采用不同的計算模型。

3 實例分析

“嫦娥三號”任務(wù)是國內(nèi)首次使用钚-238熱源與大量使用放射性物質(zhì)的太空任務(wù)，對后續(xù)任務(wù)具有重要的指導意義。本文以“嫦娥三號”任務(wù)使用钚-238熱源為例進行輻射風險分析。

圖2 钚-238熱源使用過程中輻射風險的研究方法Fig.2 The research methods of the radiation risk

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理

3.1.1 熱源安全分析數(shù)據(jù)

钚-238熱源的結(jié)構(gòu)決定了應(yīng)用的安全性，是風險分析中薄弱環(huán)節(jié)識別的關(guān)鍵。钚-238熱源結(jié)構(gòu)包括源芯和包殼設(shè)計。

(1) 源芯設(shè)計。目前熱源源芯均采用高溫燒結(jié)二氧化钚陶瓷體，具有耐高溫、高強度、粉塵少和核素浸出率低等優(yōu)點，但陶瓷體的脆性及熱導率低。通常，238PuO2陶瓷體熔點為2 400 ℃，常溫下二氧化钚陶瓷微粒在海水與蒸餾水中的浸出率分別為1.0×10-3～1.23×10-3μg/d·mm3，1.4×10-3μg/d·mm3[5]。在熱源包殼密封性損壞的情況下，陶瓷體結(jié)構(gòu)有助于降低钚-238源芯形成放射性氣溶膠的比例。

(2) 包殼設(shè)計。包括包殼材料選擇、包殼尺寸及包殼結(jié)構(gòu)設(shè)計。包殼材料選用高性能的銥合金和碳碳編織材料等；包殼尺寸不斷進行優(yōu)化調(diào)整，采用多層結(jié)構(gòu)，包括密封層、高強度層和耐燒蝕層等。“嫦娥三號”任務(wù)用钚-238熱源，結(jié)構(gòu)示意圖(圖3a)及原型(圖3b)示于圖3。

為驗證钚-238熱源結(jié)構(gòu)的安全性，結(jié)合可能的事故工況進行高溫燒蝕分析、火災(zāi)模擬、高速撞擊以及高速碎片撞擊模擬等實驗。由于航天器對質(zhì)量、體積均有嚴格限制，無法對钚-238熱源提供額外的冗余安全設(shè)計，安全性主要由熱源源芯和熱源包殼的性質(zhì)決定。熱源安全性數(shù)據(jù)要求列于表1。

圖3 钚-238熱源結(jié)構(gòu)示意圖(a)和熱源實物照片(b)Fig.3 The heat source structure (a) and picture of 238Pu (b)表1 熱源安全性相關(guān)數(shù)據(jù)Table 1 Heat source safety data

安全因素具體數(shù)據(jù)用途源芯钚-238等放射性核素的用量、源芯性能、源芯結(jié)構(gòu)設(shè)計估算輻射源項包殼包殼材料、尺寸、結(jié)構(gòu)設(shè)計安全薄弱環(huán)節(jié)分析安全性試驗燒蝕、火災(zāi)、高速撞擊、海水腐蝕等系列安全性試驗數(shù)據(jù)安全薄弱環(huán)節(jié)分析及泄漏源項分析

3.1.2 威脅數(shù)據(jù)

威脅數(shù)據(jù)主要指運載火箭的相關(guān)參數(shù)、發(fā)射事故時航天器的軌道數(shù)據(jù)(高度、速度)以及爆炸、撞擊等事故景象的相關(guān)數(shù)據(jù)。 “嫦娥三號”探測器采用的CZ-3BE Y23長三乙火箭(推進劑N2O4/UDMH)，進入LTO(地月轉(zhuǎn)移軌道)，點火發(fā)射后朝東南方向爬升飛行[6]，其飛行時序列于表2。根據(jù)發(fā)射時間及可能發(fā)射失敗的幾率，發(fā)射階段事故分析分為三個階段：(1) 地面發(fā)射準備階段，即0階段；(2) 發(fā)射早期階段，即1～2階段；(3) 發(fā)射后期階段，即3～8階段。

表2 長征三號乙運載火箭典型的飛行時序[7]Table 2 The typical flight sequence of long March 3 B rocket

航空航天的發(fā)射事故包括控制系統(tǒng)故障、運載系統(tǒng)故障和通訊系統(tǒng)故障等多種類型。自20世紀50年代以來，世界各國在航天事業(yè)中發(fā)生過數(shù)以千計的不同類型的發(fā)射事故、數(shù)以萬計的故障，其中以運載火箭的事故最為嚴重，占總事故的60%[8]。熱源安全構(gòu)成發(fā)射事故數(shù)據(jù)包括爆炸、沖擊波、火災(zāi)以及撞擊等參數(shù)列于表3。

表3 發(fā)射事故數(shù)據(jù)Table 3 Launch accident data

注：1) 我國公開文獻中未對長征系列火箭發(fā)射失敗的類型進行系統(tǒng)分析，失敗概率以同樣攜帶钚-238熱源的卡西尼號[9]為例。

3.1.3 保護對象

保護對象主要為事故點周圍的人員和環(huán)境。人員保護主要是控制外照射劑量、降低钚-238氣溶膠的吸入量，達到合理可行且盡量低的水平；對環(huán)境的影響主要是钚-238泄漏形成的放射性氣溶膠對地面、建筑等的污染。保護對象的分析數(shù)據(jù)包括人員和環(huán)境的影響范圍、途徑以及可能產(chǎn)生的后果或危害。

對影響范圍及途徑的調(diào)查主要是人文與自然環(huán)境調(diào)查，調(diào)查數(shù)據(jù)列于表4。

航天器發(fā)射的事故地點與事故類型、事故發(fā)生時的高度、速度等多個因素相關(guān)。數(shù)據(jù)調(diào)查主要集中在發(fā)射場及發(fā)射路徑中的關(guān)注點，對于大海與荒漠等環(huán)境可簡化處理。

表4 人員及環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)Table 4 Staff and environmental survey data

钚-238核素為極毒放射性核素，可誘發(fā)機體嚴重的輻射損傷效應(yīng)，該核素對人體的放射性毒理學數(shù)據(jù)及健康危害是計算分析輻射事故后果的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源[10]主要是美國早年注入钚的病人和曼哈頓計劃钚工作者的長期調(diào)查數(shù)據(jù)，動物資料或其他有關(guān)人群資料的推算結(jié)果，參見1998 年IAEA safety report series No.2和2007年ICRP103號文件。

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 安全薄弱環(huán)節(jié)識別

安全薄弱環(huán)節(jié)識別主要分析熱源在事故狀態(tài)下的安全響應(yīng)，將發(fā)射事故的工況參數(shù)與钚-238熱源已進行的安全性試驗數(shù)據(jù)進行對比判斷，識別可能導致放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏或人員超劑量照射的安全事故。發(fā)射事故工況與發(fā)射任務(wù)相關(guān)，熱源安全性試驗?zāi)M了部分事故工況，試驗結(jié)果可以反映事故工況下熱源的狀態(tài)。部分事故參數(shù)與安全性試驗參數(shù)列于表5。

由安全試驗與事故景象對比結(jié)果可知，有氧環(huán)境下的高溫、高速撞擊堅硬障礙物以及堅硬物體穿刺等事故工況導致熱源發(fā)生放射性物質(zhì)泄漏的概率較高，是熱源安全的薄弱環(huán)節(jié)。

表5 部分事故工況與安全性試驗對比示例Table 5 Accident condition compared with safety testing

3.2.2 輻射威脅分析

輻射威脅源項即钚-238熱源的中子外照射和钚-238放射性物質(zhì)泄漏污染。熱源中子發(fā)射率主要與原料性能相關(guān)，人員的受照劑量通過實際監(jiān)測，如“嫦娥三號”任務(wù)用钚-238熱源1 m處的中子外照射有效劑量率為0.06 mSv/h，其γ輻射劑量率較低而可以忽略。

钚-238熱源泄漏后的源項較為復雜，包括放射性物質(zhì)泄漏量和放射性氣溶膠擴散分析。在爆炸、火災(zāi)等事故條件下，钚-238的陶瓷源芯可能發(fā)生脆性斷裂，少部分出現(xiàn)粉塵化；钚-238熱源包殼出現(xiàn)裂口導致钚-238放射性物質(zhì)泄漏，形成放射性氣溶膠向大氣擴散。

(1) 钚-238核素泄漏量的分析

“嫦娥三號”任務(wù)中，钚-238熱源的安全性測試未對可能發(fā)生泄漏的事故工況進行實驗，無法確定熱源安全極限值以及發(fā)生泄漏后的源項情況。泄漏量數(shù)據(jù)參考美國钚-238熱源模擬實驗數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果列于表6。

由表6可知，除“卡西尼號”的再入事故外，其余事故條件下熱源中二氧化钚的泄漏量小于總質(zhì)量的1‰。“卡西尼號”地球再入加速事故時泄漏率達到8%，是泄漏量最大的事故。 “嫦娥三號”任務(wù)的泄漏率分析可參考“卡西尼號”相關(guān)數(shù)據(jù)。

表6 卡西尼號不同任務(wù)階段的二氧化钚泄漏情況[9]Table 6 Plutonium dioxide leakage data of the Cassini mission in different phases

(2) 钚-238氣溶膠的形成

在事故條件下，泄漏的二氧化钚不會全部形成氣溶膠，氣溶膠中的可吸入份額與二氧化钚物理化學性質(zhì)及事故條件有關(guān)。钚-238氣溶膠的源項，參考美國Plumbob計劃和Roller Coaster計劃[11-12]，計劃中采用炸藥進行爆炸模擬試驗，得到核武器在普通化學爆炸事故時的事故源項和放射性污染物擴散情況。 “嫦娥三號”任務(wù)中使用的二氧化钚源芯采用高溫燒結(jié)陶瓷體，較核武器钚發(fā)生泄漏時的粉塵少、可吸入顆粒物的份額低，采用模擬試驗的數(shù)據(jù)作為參考量可行。

3.2.3 保護對象的輻射影響分析

事故情況下，熱源未發(fā)生泄漏時，對保護對象的輻射影響主要是Ⅰ類源的外照射。根據(jù)“嫦娥三號”任務(wù)的測量結(jié)果，事故處理人員的外照射劑量D可按照公式(1)計算：

(1)

式中，D為人員的外照射劑量， mSv；T為事故處理時間，h；R為人員與熱源的平均距離， m；0.06為實際監(jiān)測的有效劑量率(輻射權(quán)重因子取20)，mSv/h。

钚-238放射性物質(zhì)泄漏形成氣溶膠后，事故點周圍公眾、應(yīng)急處置人員可能會吸入放射性核素形成內(nèi)照射，并對環(huán)境造成污染。事故中熱源泄漏的二氧化钚大部分是可回收顆粒，對人員和環(huán)境產(chǎn)生污染的主要是氣溶膠的擴散行為。空氣中氣溶膠濃度、地面放射性物質(zhì)的沉積濃度以及人員內(nèi)照射50年累計劑量等事故后果的計算都與氣溶膠的擴散行為相關(guān)。本文中钚-238氣溶膠的擴散模型采用高斯擴散模型，根據(jù)事故類型分為火災(zāi)高斯擴散模型和爆炸高斯擴散模型。

火災(zāi)高斯擴散模型：

(2)

爆炸高斯擴散模型：

(3)

式中，C(x,y,z,t)為t時刻(x,y,z)點的濃度；Q為輻射源項(形成氣溶膠的量)；σx、σy、σz為三個方向的擴散系數(shù)；u為風速；H為氣溶膠釋放處的高度。

將“嫦娥三號”任務(wù)中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，得到钚-238放射性物質(zhì)的空氣擴散濃度、地面沉積分布，并計算地面人員受照劑量，結(jié)果示于表7。結(jié)果表明，在“嫦娥三號”任務(wù)發(fā)射失敗的假想事故條件下，人員受到的內(nèi)外照射劑量不會產(chǎn)生輻射健康影響。事故工況下應(yīng)重點關(guān)注環(huán)境污染，尤其是下風向相關(guān)設(shè)施和建筑的污染。

表7 計算結(jié)果Table 7 Conclusion of the calculation

4 小結(jié)

“嫦娥三號”任務(wù)輻射風險評估結(jié)果顯示，使用钚-238熱源的輻射風險較低，現(xiàn)有安全措施和輻射防護可保障人員輻射安全。事故情況下人員受照劑量及環(huán)境污染分布的計算結(jié)果，可作為钚-238空間應(yīng)用的安全依據(jù)及嚴重事故下應(yīng)急救援的依據(jù)。本文提出的輻射風險應(yīng)用綜合了熱源安全分析、航天任務(wù)分析以及環(huán)境、人員等實際情況，在類似航天器(非載人航天器)發(fā)射事故中采用評估模型合理可行，可為攜熱源航天器任務(wù)的環(huán)境影響評價、安全分析和綜合風險評估提供參考。

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The Radiation Risk Assessment Model of Plutonium-238 Heat Source in Spacecraft Launch Accident

PENG Hui1,2, TANG Xian1, CAI Ding-kan1, LUO Zhi-fu1

(1.ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China； 2.NuclearandRadiationSafetyCenter,Beijing100082,China)

The radiation risk is the key problem to the spacecraft which used the plutonium- 238 heat source. Radiation risk assessment includes large amounts of data analysis and evaluation methods establishment, involving heat source safety design, launch analysis and radiation dose estimation. Taking the Chang’e 3 for example, this paper puts forward the radiation risk assessment methods , processes and calculation result of this mission. At the same time, it can be used to guide the radiation risk assessment of domestic space missions which carry nuclear energy.

plutonium-238 heat source; launch accident; radiation risk

2016-05-30;

2016-09-18 作者簡介：彭 慧(1983—)，女，湖南常德人，高級工程師，主要從事核技術(shù)應(yīng)用中輻射防護研究

TL733

A

1000-7512(2016)04-0223-07

10.7538/tws.2016.29.04.0223