民用核動力艦船輻射分區準則研究

李文博，何 莉，吳榮俊，陳 艷，李曉玲，賈靖軒

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

隨著建設海洋強國戰略方針的穩步推進，我國啟動了海洋核動力平臺、核動力礦砂船等多型民用核動力艦船的設計和建造。由于搭載核動力裝置，核動力艦船應保證在所有運行狀態下艦船內的輻射照射或由于任何計劃排放放射性物質引起的輻射照射保持低于規定限值并且合理可行盡量低[1-3]。基于ICRP 第103 號出版物《國際放射防護委員會2 0 0 7 年建議書》（ 下文簡稱ICRP103）、IAEA 安全標準《國際輻射防護和輻射源安全基本安全標準》（下文簡稱IAEA GSR Part3），以及國家標準《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（下文簡稱GB18871），為了便于輻射防護管理和職業照射控制，核動力艦船應進行合理的輻射分區，指定控制區和監督區邊界，輻射分區應為核動力艦船總體布置、屏蔽設計和通風凈化系統設計提供依據。

雖然陸上核電廠輻射分區有法規標準可依，但是核動力艦船具有空間小、設備布置緊湊、輻射源項集中、工作人員需要長期生活和工作在艦船上等特點，陸上核電廠的輻射分區準則并不完全適用于核動力艦船。本文基于核動力艦船的特點，結合陸上核電廠輻射分區準則，借鑒國內外輻射防護最新研究成果，提出一個合理可行的民用核動力艦船輻射分區準則。

1 陸上核電廠輻射分區準則

世界各國的陸上核電廠輻射分區準則存在很大差異，且一般僅給出推薦的輻射分區示例，允許不同核電廠采用不同的輻射分區。我國目前已經運行的核電廠由于設計和管理理念不同，沒有統一的輻射分區準則，輻射分區不盡相同。本節給出并對比了4 個陸上核電廠輻射分區示例，以供核動力艦船輻射分區準則設計借鑒。IAEA 安全標準《核電廠輻射防護設計》（下文簡稱IAEA NS-G-1.13）給出的輻射分區示例如表1 所示，與我國現行標準差異較大。國家核安全導則《核電廠輻射防護設計征求意見稿》（下文簡稱HAD102/12）給出的輻射分區示例如表2 所示，主要參考了核行業標準EJ/T270《核電廠運行輻射防護規定》和《壓水堆核電廠廠內輻射防護分區設計準則》（下文簡稱EJ/T316）。能源行業標準《壓水堆核動力廠廠內輻射分區設計準則》（下文簡稱NB/T20185）是我國壓水堆核電廠輻射分區的現行標準，替代了核行業標準EJ/T316，其給出的輻射分區示例如表3 所示。大亞灣等核電廠實際采用的輻射分區主要基于法國標準法規對核電廠輻射分區設計的要求，如表4 所示（法國標準法規還給出了彌散在空氣中的放射性核素的最大容許限值[4]）。

上述標準法規給出的陸上核電廠輻射分區示例的共同點主要包括：

1）都按照IAEA GSR Part3 的要求劃出了監督區和控制區，并且將控制區劃分為若干個子區。

表 1 IAEA NS-G-1.13 給出的輻射分區示例Tab.1 Example of Radiation Zoning of IAEA NS-G-1.13

表 2 HAD102/12 給出的輻射分區示例Tab.2 Example of Radiation Zoning of HAD102/12

表 3 NB/T20185 給出的輻射分區示例Tab.3 Example of Radiation Zoning of NB/T20185

表 4 大亞灣等核電廠實際采用的輻射分區Tab.4 Example of radiation zoning adopted by daya bay nuclear power plant

2）監督區的個人年有效劑量上限一般為5 mSv。

3）一般不考慮控制區和監督區以外的區域。

不同點主要包括：

1）使用的量不同，IAEA NS-G-1.13 給出的是運行實用量劑量當量率上限，其他則給出輻射防護量有效劑量率上限。

2）對內照射的考慮不同，NB/T20185 分別給出了場劑量率（外照射）上限和氣載放射性活度濃度（內照射）上限，而其他分區準則給出的是有效劑量率（包括外照射和內照射）上限。

3）控制區的劑量約束不同，多采用職業照射年有效劑量限值20 mSv，而HAD102/12 則取用了15 mSv。

4）各輻射分區劑量率上限和居留特性不同，尤其是IAEA NS-G-1.13 與國內相關標準法規的差異很大。

5）控制區子區的數目不同，從4 個到6 個不等。

2 核動力艦船布置特點

陸上核電廠反應堆功率大，系統復雜，輔助設施多，設備尺寸大，占地面積廣。核島主要由反應堆廠房（即安全殼）、核輔助廠房等構成，在高度方向上被劃分為多個平臺，每個平臺又劃分為多個房間，安全殼內單個設備可占據多個房間。

然而核動力艦船受總體空間限制，反應堆與蒸汽發生器、主泵等一回路系統設備一般緊湊布置于安全殼內，構成核動力艦船最主要的輻射源項。安全殼內一般不設置實體屏障用于隔離各系統設備，其內部空間可以視為一個整體。乏燃料水池、放射性廢物存儲箱等輻射源項一般與安全殼共同布置于反應堆艙，正常運行狀態下核動力艦船所有放射性源項基本都包容在反應堆艙內部。海洋核動力艦船與陸上核電廠最大的區別就在于其反應堆功率小，設備尺寸小，設備布置緊湊且隔離程度低，放射性源項集中。另外，與陸上核電廠不同，核動力艦船上的工作人員需要長期工作生活在核動力艦船上。

3 民用核動力艦船輻射分區準則

本節參考陸上核電廠輻射分區示例，借鑒輻射防護最新研究成果，基于核動力艦船的特點，提出了一個合理可行的民用核動力艦船輻射分區準則，如表5所示。本節對其所采用的參數和假設，以及相關考慮進行探討和說明。

表 5 民用核動力艦船輻射分區準則示例Tab.5 Example of radiation zoning principle of nuclear power ship

3.1 工作人員滯留時間

核動力艦船需要常年停留在海洋上作業，為確保工作人員的身心健康，假定工作人員每年滯留在核動力艦船上的時間小于4 000 h（約半年），且每年在監督區和控制區工作的時間小于2 000 h（即每天工作時間小于12 h）。

3.2 表面污染

輻射分區需要同時考慮貫穿輻射、空氣污染水平和表面污染水平，其中表面污染的空間分布具有較大不確定性，且比較容易去除，一般在核電廠運行后再加以控制。核動力艦船輻射分區對表面污染水平的要求可參照NB/T20185 執行。

3.3 生活場所

陸上核電廠工作人員雖然工作于廠內，卻生活于廠外，而核動力艦船常年停留在海洋上作業，工作人員需要長期、不間斷的工作、生活于艦船上，核動力艦船從功能上可劃分為生活場所（包括食堂、閱覽室等）和工作場所。依據ICRP103 對工作人員的定義“任何專職、兼職或臨時性受雇于雇主，并且清楚關于職業放射防護的權利和義務的人員”，包括廚師、閱覽室管理員等在內的所有受雇于核動力艦船的人員都是工作人員（相對于公眾），其所受照射類型都屬于職業照射。雖然生活場所和工作場所更接近于功能分區，但是從輻射分區角度劃出生活場所更有利于引導核動力艦船將生活場所布置在遠離輻射源的區域，有利于引導廚師等普通工作人員盡可能遠離輻射源，避免接受不必要的輻射照射，減小核動力艦船的集體有效劑量。

3.4 非限制區

GB18871 在 “輻射工作場所的分區” 章節中規定“應把輻射工作場所分為控制區和監督區，以便于輻射防護管理和職業照射控制”，NB/T20185 基于此要求將工作場所劃分為非輻射工作場所和輻射工作場所，輻射工作場所又劃分為控制區和監督區。然而，將控制區和監督區外的所有其他區域定義為非輻射工作場所不合適，因為該區域內來自核動力裝置的輻射照射雖然比較小，但并不是可以忽略不計的，尤其是靠近監督區邊界的區域。參照HAD102/12 和EJ/T316，核動力艦船沿用了與其設計要求相一致的命名，即非限制區。 另外， GB18871 主要參考了IAEA GSR Part3，而IAEA GSR Part3 的規定是應劃出工作場所的控制區和監督區，并沒有認為其他區域為非輻射工作場所，為了與國際標準保持一致，使用 “非限制區” 合理。

3.5 外照射與內照射

鑒于外照射和內照射的比例一般難以確定，而不論劑量限值還是劑量約束都需要同時考慮內照射和外照射，HAD102/12 給出了同時包括內照射和外照射的有效劑量率上限，而NB/T20185 則分別給出了場劑量率（外照射）上限和氣載放射性活度濃度（內照射）上限。輻射分區的功能是為核動力艦船的屏蔽設計和通風凈化系統設計提供依據，屏蔽設計的關注點是外照射，而通風系統設計的關注點則是內照射。為屏蔽和通風凈化2 個獨立系統設置獨立的劑量率上限能夠在一定程度上便于輻射屏蔽和通風凈化系統的設計和考核。

3.6 場劑量率

場劑量率定義為由輻射源造成的外照射有效劑量率，通常可以用距離輻射源或輻射貫穿位置任意表面30 cm 處的劑量當量率代表。雖然輻射監測儀表顯示的測量結果多為劑量當量率（IAEA NS-G-1.13 使用劑量當量率上限的原因），但考慮到不論是人相關的劑量限值還是源相關的劑量約束都是指有效劑量，而且輻射屏蔽計算的結果也多為有效劑量率，所以將場劑量率定義為外照射引起的有效劑量率更為合適。

3.7 導出空氣劑量率

目前國內外輻射分區準則主要采用導出空氣濃度的概念來限制空氣污染程度。ICRP 1990 年建議書定義了放射性核素j 的年攝入量限值ALIj和導出空氣濃度DACj，其中ALIj是工作人員受放射性核素j 照射所產生的有效劑量等于劑量限值時放射性核素j 的活度攝入量，DACj是導致一個ALIj時核素j 在空氣中的活度濃度，其定義如下所示[5-6]：

其中e（50）j是核素j 所對應的參考待積有效劑量系數[2, 6, 7]， Elimit,w的推薦值是工作人員年有效劑量限值20 mSv。DACj的定義假定了一年的工作時間為2 000 h，按性別平均的呼吸率為1.1 m3h-1。

DADR 與人員的工作時間無關，且考慮了所有放射性核素產生的內照射劑量，與場劑量率相對應，更適合于輻射分區準則使用。

3.8 劑量約束與劑量限值

ICRP103 給出的年有效劑量限值是人相關的，而輻射分區設計應采用源相關的劑量約束[6,8]。ICRP103建議計劃照射情況下職業照射的劑量約束值應大于1 mSv/a 且小于20 mSv/a[6]。考慮到同一海域可能有多艘核動力艦船共同作業，核動力艦船的劑量約束使用了HAD102/12 輻射分區示例推薦的15 mSv/a。

控制區的輻射水平最高，對人員有效劑量的貢獻最大，其劑量約束采用核動力艦船的劑量約束15 mSv/a。監督區的劑量約束是輻射防護最優化原則的應用，其數值應介于非限制區和控制區的劑量約束，國內外相關標準一般都采用5 mSv/a 作為監督區的劑量上限，核動力艦船監督區的劑量約束沿用了5 mSv/a。考慮到公眾的個人年有效劑量限值為1 mSv，且1 mSv/a 已小于天然輻射劑量世界平均值2.4 mSv/a[9]（我國平均值為2.3 mSv/a[10]），非限制區的合理目標是保證該區域內工作人員得到與公眾同樣水平的防護，采用1 mSv/a 作為非限制區劑量約束合理。

劑量約束是進行防護最優化設計時預期劑量的上限，核動力艦船最優化設計過程中應在可合理達到的范圍內盡量減小各輻射分區的輻射水平，降低核動力艦船的集體有效劑量。

3.9 劑量率上限

核動力艦船輻射分區的場劑量率上限由劑量約束除以限定工作時間得到，而導出空氣劑量率上限由相應劑量約束的十分之一除以限定工作時間得到。

雖然無法完全規避外照射，但是通過設置負壓系統及完善的通風凈化設施，核動力艦船存在空氣污染的風險較小。依據輻射防護最優化原則，核動力艦船運行狀態下應盡量避免空氣污染在一定區域內長期存在，存在污染時應盡快采取措施予以去除。嶺澳等國內核電廠設計階段要求必須盡一切努力來確保包括常規工作區在內的大部分區域的空氣污染可以忽略不計。參照NB/T20185 對氣載放射性活度濃度的要求，核動力艦船控制區的內照射年有效劑量上限取為劑量約束的1/10（1.5 mSv），并且要求其他區域的空氣污染可以忽略不計。

值得注意的是，對于控制區，當場劑量率和導出空氣劑量率都接近其限值時，工作人員所受到的個人年有效劑量最大可達到16.5 mSv/a，雖然概率極小。雖然大于核動力艦船的劑量約束15 mSv/a，但仍小于工作人員年有效劑量限值20 mSv，所以合理。

對于非限制區和生活場所，基于1 mSv/a 劑量約束以及4 000 h 年限定工作時間的場劑量率上限是0.25 μSv/h，與世界平均天然輻射有效劑量率0.27 μSv/h[9]相當。該區域空間范圍大，要求其內部所有位置（尤其是鄰近監督區位置）的場劑量率都處于如此低的水平不合適，所以核動力艦船輻射分區準則僅要求非限制區和生活場所的個人年有效劑量小于1 mSv。

3.10 控制區子區數目

陸上核電廠系統復雜，設備尺寸大，輻射源分散且源強跨度大，控制區內各房間輻射水平和污染水平差別很大，控制區劃分更細致。而核動力艦船主要放射性源項都緊湊布置于安全殼和反應堆艙內，輻射源集中且各輻射源之間基本沒有實體屏障隔離，進行輻射分區時安全殼和反應堆艙都可視為一個整體，核動力艦船控制區劃分為3 個子區即可。

4 結 語

本文基于核動力艦船的特點，借鑒陸上核電廠輻射分區要求，提出了一個適合民用核動力艦船的輻射分區準則。輻射分區準則設計中提出了生活場所、導出空氣劑量率等概念，輻射分區準則合理可行，可以作為民用核動力艦船總體布置、屏蔽設計、通風凈化系統設計的依據。