小型堆斷電事故下放射性后果研究

歐陽可漢，陳文振

（海軍工程大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430033）

小型堆斷電事故是指可靠電源喪失誘發(fā)的事故進(jìn)程未得到有效緩解的嚴(yán)重核事故。因喪失電源，大部分核動力裝置不能正常工作，高溫的核反應(yīng)堆堆型不能得到冷卻，甚至發(fā)生熔化，同時(shí)大量的放射性核素將釋放到環(huán)境中而帶來嚴(yán)重的放射性后果。2011年3月11日日本福島第一核電廠發(fā)生的嚴(yán)重核事故便是由于地震誘發(fā)海嘯使電廠內(nèi)外電源喪失所導(dǎo)致的，據(jù)報(bào)道事故約釋放1.6×1017Bq的131I、1.5×1016Bq的137Cs，給周圍環(huán)境帶來巨大的放射性污染[1]。鑒于嚴(yán)重核事故帶來的放射性危害，世界各國相繼投入了大量的人力、物力進(jìn)行放射性后果研究。廉海波等利用MELCOR程序建立了小型堆大破口失水事故的仿真模型，分析了事故進(jìn)程及放射性核素釋放源項(xiàng)，并采用MACCS程序計(jì)算了放射性劑量后果[2]。寧莎莎等用大氣擴(kuò)散CALPUFF模型對福島核事故釋放的放射性核素大氣擴(kuò)散進(jìn)行分析，并根據(jù)核素在環(huán)境中的轉(zhuǎn)移機(jī)制建立了放射性后果的計(jì)算模型[3]。梅其良等用MACCS程序量化分析了AP1000發(fā)生各潛在的嚴(yán)重核事故下給周圍公眾帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)[4]。張海霞等針對中國先進(jìn)研究堆（CARR）開展了嚴(yán)重事故下輻射后果的研究，并提出了有效的輻射后果緩解措施[5]。從公開的文獻(xiàn)報(bào)道來看，目前關(guān)于小型堆斷電事故下放射性后果的研究較少，幾乎沒有。小型堆和電站堆得用途、運(yùn)行環(huán)境存在差異，發(fā)生嚴(yán)重?cái)嚯姾耸鹿屎笤错?xiàng)釋放途徑也有差異。電站堆的相關(guān)研究結(jié)論不一定完全適用于小型堆，因此，有必要開展小型堆斷電事故下放射性后果的研究。

本文采用課題組前期得到的小型堆斷電事故進(jìn)程及釋放源項(xiàng)數(shù)據(jù)，以國際上進(jìn)行核事故后放射性后果評價(jià)的權(quán)威程序之一的MACCS為仿真工具，建立了放射性后果計(jì)算模型。考慮到器官的輻射敏感性及其遭受的放射性照射途徑，以有代表性的全身有效劑量當(dāng)量和肺、甲狀腺、紅骨髓吸收劑量為例分析了斷電事故下放射性后果。

1 計(jì)算模型

本文采用的MACCS程序是Sandia國家實(shí)驗(yàn)室為美國核管會開發(fā)的嚴(yán)重事故風(fēng)險(xiǎn)評估程序，主要用于計(jì)算放射性核素大氣釋放造成的放射性后果[6]。MACCS程序分布后幾經(jīng)改進(jìn)，目前被廣泛應(yīng)用于核事故下放射性健康后果及經(jīng)濟(jì)代價(jià)的評價(jià)，有學(xué)者用它研究放射性核素的大氣擴(kuò)散、應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的劃分、放射性劑量后果的評估[7-9]。

1.1 大氣擴(kuò)散模型

MACCS采用分段高斯煙羽模型計(jì)算放射性核素的大氣擴(kuò)散，模型的基本公式為：

其中，C（x，y，z）為下風(fēng)向（x，y，z）處空氣中放射性核素的時(shí)間積分濃度，Bq·s/m3；Q 為源強(qiáng)，Bq；uˉ為平均風(fēng)速，m/s；σy與σz分別為水平方向和垂直方向的大氣擴(kuò)散參數(shù)，m；H為煙羽中心高度，m；L為混合層高度，m.

1.2 劑量計(jì)算模型

在事故應(yīng)急階段計(jì)算劑量后果時(shí)，主要考慮照射途徑：放射性煙云直接外照射、沉積到下墊面的放射性物質(zhì)外照射、吸入放射性物質(zhì)造成的內(nèi)照射。本文只計(jì)算應(yīng)急階段能造成人員死亡、損傷的急性照射劑量，不計(jì)算評價(jià)癌癥風(fēng)險(xiǎn)的終身劑量。

（1）煙羽外照射

采用“半無限煙云”的假定計(jì)算煙羽外照射，一個煙羽段通過空間精細(xì)網(wǎng)格后，器官受到的煙云外照射劑量計(jì)算公式：

其中，DCk為器官k受到的煙云外照射劑量，Sv；為煙羽中心線上空氣中核素i時(shí)間積分濃度，Bq·s/m3；DFC∞ik為核素i對器官k的半無限煙云劑量轉(zhuǎn)換因子，Sv·m3/（Bq·s）；C為網(wǎng)格中核素分布的空間校正因子（無量綱數(shù)）；F為煙羽通過網(wǎng)格時(shí)人員的受照時(shí)間份額；SFC為煙羽外照射屏蔽因子。

（2）沉積外照射

煙羽通過空間網(wǎng)格時(shí)，部分放射性核素將因干沉降而沉積到下墊面，如果有降雨，還將因雨水的沖洗而沉積。沉積在下墊面的核素將產(chǎn)生外照射。在煙羽段通過階段，在t0時(shí)刻沉積的核素對器官k的外照射劑量率計(jì)算公式：

其中，GDRk（t0）為t0時(shí)刻空間網(wǎng)格內(nèi)煙羽軸線下沉積的核素對器官k的外照射劑量率，Sv/s；GCi（t0）為煙羽軸線下沉積的核素濃度，Bq/m2；DRFCik為核素i沉積劑量率到器官k外照射劑量的轉(zhuǎn)換因子（無量綱數(shù)）；J為核素濃度的空間校正因子（無量綱數(shù)）；SFG為沉積外照射屏蔽因子（無量綱數(shù)）。

（3）吸入內(nèi)照射

煙羽通過時(shí)核素將因人體的呼吸作用而進(jìn)入體內(nèi)，直接吸入核素而造成的內(nèi)照射劑量的計(jì)算公式：

式中，DIk為煙羽通過網(wǎng)格而對器官k造成的內(nèi)照射劑量，Sv；ACi為煙羽軸線下近地面空氣中核素的時(shí)間積分濃度，（Bq·s）/m3；DFIik為核素 i對器官 k的吸入內(nèi)照射劑量轉(zhuǎn)換因子，Sv/Bq；BR為呼吸率，m/s；J為空間校正因子（無量綱數(shù)）；SFI為內(nèi)照射屏蔽因子（無量綱數(shù)）。

2 計(jì)算條件

2.1 事故源項(xiàng)

采用課題組前期計(jì)算出的事故進(jìn)程及源項(xiàng)數(shù)據(jù)，具體見文獻(xiàn)[10]中所述。核素釋放劃分3階段，第1階段為t0~t0+884 s，釋熱率為110.1 W；第二階段為 t0+884~t0+25584 s，釋熱率為23 637.8 W；第三階段為t0+25584~t0+61584 s，釋熱率為7 513 W.每組核素在各階段的釋放份額如表1所示。

表1 全船斷電事故后核素釋放份額

2.2 計(jì)算條件

根據(jù)MACCS程序的計(jì)算網(wǎng)格劃分規(guī)則，以事故后源項(xiàng)釋放位置為原點(diǎn)，在極坐標(biāo)下確定網(wǎng)格，在徑向上由35個圓劃分出35個單元，各同心圓的半徑大小分別為 0.15、0.5、1.2、1.6、2.2、3.2、4.0、4.8、5.6、6.0、7.5、8.5、9.5、10.8、12.5、15.1、17.5、19.5、21.5、24.5、27.5、29.0、32.5、35、36.0、37、38、40、45、50、55、60、65、70、75（單位為km）。在圓盤角度上進(jìn)行16等分，劃分出16個方位，徑向劃分出的單元再分成16個扇區(qū)，如圖1所示為計(jì)算網(wǎng)格示意圖。大氣穩(wěn)定度為F，風(fēng)速為1 m/s，無降雨。干沉積速度取值為：惰性氣體無沉積現(xiàn)象；其它核素主要以氣溶膠的形式存在，MACCS程序認(rèn)為核素的粒徑大小服從正態(tài)分布，干沉降速度統(tǒng)一取0.01 m/s[11].劑量計(jì)算時(shí)不考慮采取撤離、隱蔽、碘防護(hù)等防護(hù)行動。

圖1 研究域網(wǎng)格劃分示意圖

3 結(jié)果及分析

圖2為小型堆斷電事故下下風(fēng)軸線上甲狀腺、肺、紅骨髓的吸收劑量，由圖可知，在源附近全身、甲狀腺、肺、紅骨髓的吸收劑量最高，在下風(fēng)軸線上離源75 m處，肺的吸收劑量為200 Sv、甲狀腺的吸收劑量達(dá)到1420 Sv、紅骨髓的吸收劑量為160 Sv、全身有效劑量當(dāng)量達(dá)到426 Sv，人員如果未采取有效的防護(hù)措施會遭受十分嚴(yán)重的放射性急性損傷，將直接死亡；隨著距離的增加，全身有效劑量當(dāng)量和甲狀腺、肺、紅骨髓的吸收劑量迅速下降，在下風(fēng)軸線上離源1 km處，肺、甲狀腺、紅骨髓的吸收劑量分別約下降至 3.51 Sv、24 Sv、2.83 Sv，全身有效劑量當(dāng)量下降至10.3 Sv.在下風(fēng)向距離源約0.81 km、1.63 km、2 km處肺、紅骨髓、甲狀腺的吸收劑量分別為6 Sv、1 Sv、5 Sv.參考GB18871-2002推薦的急性照射的劑量行動水平，可知在下風(fēng)軸線上離源1.63 km內(nèi)，將出現(xiàn)死亡效應(yīng)，而在2 km內(nèi)會出現(xiàn)甲狀腺機(jī)能衰退。

圖2 斷電事故下甲狀腺、肺、紅骨髓吸收劑量

圖3 為小型堆斷電事故下下風(fēng)軸線上全身有效劑量當(dāng)量，參考GB18871-2002推薦的應(yīng)急照射下的通用優(yōu)化干預(yù)水平，可知：在下風(fēng)軸線上距離源約6.7 km內(nèi)全身有效劑量當(dāng)量大于100 mSv，需要采取服碘防護(hù)措施；在下風(fēng)軸線上距離源約8.5 km內(nèi)全身有效劑量當(dāng)量大于50 mSv，需要采取緊急撤離防護(hù)行動；在下風(fēng)軸線上距離源15.6 km內(nèi)全身有效劑量當(dāng)量大于10 mSv，需要采取緊急隱蔽防護(hù)行動。在下風(fēng)向距離源34 km范圍外全身有效劑量當(dāng)量小于1 mSv，且肺、紅骨髓、甲狀腺的吸收劑量也很小，人員幾乎不受放射性的影響。

圖3 斷電事故下全身有效劑量當(dāng)量

4 結(jié)論

針對關(guān)于小型堆斷電事故下放射性后果的研究是尚屬空白的現(xiàn)狀，本章開展相關(guān)的研究以期解決此問題。采用課題組前期得到的嚴(yán)重事故進(jìn)程及釋放源項(xiàng)數(shù)據(jù)為輸入，以國際上進(jìn)行核事故后放射性后果評價(jià)的權(quán)威程序之一的MACCS為仿真工具，建立了小型堆斷電事故下放射性后果的計(jì)算模型。考慮到器官的輻射敏感性及其遭受的放射性照射途徑，以有代表性的全身有效劑量當(dāng)量和肺、甲狀腺、紅骨髓吸收劑量為例分析了事故下放射性劑量后果。

結(jié)果表明：小型堆發(fā)生斷電嚴(yán)重核事故后在下風(fēng)向源附近處遭受的放射性后果最為嚴(yán)重，將出現(xiàn)死亡效應(yīng)；在下風(fēng)軸線上離源1.63 km內(nèi)，將出現(xiàn)死亡效應(yīng)，而在2 km內(nèi)會出現(xiàn)甲狀腺機(jī)能衰退；在下風(fēng)軸線上距離源約6.7 km內(nèi)，人員需要采取服碘防護(hù)措施；在下風(fēng)軸線上距離源約8.5 km內(nèi)，人員需要緊急撤離；在下風(fēng)軸線上距離源15.6 km內(nèi)，人員需要緊急隱蔽；在下風(fēng)向距離源34 km范圍外，人員幾乎不受放射性的影響。