浮動(dòng)核電站堆艙舷側(cè)與底部輻射分區(qū)研究

譚 美，郭 健，張進(jìn)才，陳 剛

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

浮動(dòng)核電站是漂浮在海上的核能發(fā)電設(shè)施，利用船舶為平臺(tái)，搭載反應(yīng)堆系統(tǒng)、主汽輪發(fā)電機(jī)組和能源輸送系統(tǒng)，并在有限的空間內(nèi)集成所有系統(tǒng)運(yùn)行人員生活、居住、醫(yī)療和娛樂(lè)等功能需求，是核技術(shù)與船舶工程的有機(jī)結(jié)合[1]。浮動(dòng)核電站采用模塊化設(shè)計(jì)，高輻射區(qū)集中在船舯區(qū)域(即堆艙)，主要包括了安全殼、換料廠房、乏燃料貯存等不同艙室(見(jiàn)圖1)。因此，堆艙的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)質(zhì)量，關(guān)系到浮動(dòng)核電站總體安全水平。

由于浮動(dòng)核電站廠址特征與陸上核電站不完全相同，堆艙內(nèi)部可參考陸上核電站標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輻射分區(qū)，堆艙外部由于超出了陸核范圍，則缺乏相應(yīng)的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)[2]。因此，分析堆艙舷側(cè)與底部的影響輻射分區(qū)的制約因素，建立相關(guān)區(qū)域的輻射分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)指導(dǎo)浮動(dòng)核電站堆艙屏蔽設(shè)計(jì)具有工程價(jià)值。

圖1 浮動(dòng)核電站堆艙總體布置示意圖Fig.1 FNPP’s reactor compartment arrangement

1 輻射分區(qū)總體特征

1.1 劑量限值

浮動(dòng)核電站劑量限值仍需參照GB 18871—2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)個(gè)人受到的正常照射進(jìn)行限制，保證來(lái)自各項(xiàng)得到批準(zhǔn)的輻射實(shí)踐的綜合照射所致的個(gè)人總有效劑量和有關(guān)器官或組織的總當(dāng)量劑量不得超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的相應(yīng)劑量限值[3-4]。

1.2 總體特征

參照GB 18871—2002相關(guān)要求，將浮動(dòng)核電站輻射工作場(chǎng)所分為控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)。又根據(jù)堆艙總體布置特點(diǎn)， 將控制區(qū)劃分為綠、黃1、黃2、橙1、橙2和紅區(qū)，分別具有不同場(chǎng)劑量率和居留特征[5]，以方便管理，具體分區(qū)列于表1。其中，根據(jù)NB/T20185對(duì)特高和超高輻射區(qū)定義，橙2和紅區(qū)禁止進(jìn)入[5]。但隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，國(guó)內(nèi)核電廠逐步完善了進(jìn)入高和超高輻射區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)管理措施。此外，根據(jù)作業(yè)特征的不同，浮動(dòng)核電站輻射分區(qū)考慮了功率運(yùn)行和停堆換料兩種工況，主要差異對(duì)比列于表2。

表1 浮動(dòng)核電站分區(qū)特征表Tab.1 FNPP’s radiation zoning characteristics

表2 浮動(dòng)核電站不同工況主要分區(qū)差異表Tab.2 FNPP’s radiation zoning of different conditions

針對(duì)浮動(dòng)核電站堆艙舷側(cè)和底部屏蔽設(shè)計(jì)，選擇合理的輻射分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，既關(guān)系到輻射防護(hù)安全，也對(duì)電站的經(jīng)濟(jì)性能有較大影響。

1.3 源項(xiàng)說(shuō)明

浮動(dòng)核電站輻射防護(hù)設(shè)計(jì)中主要考慮封閉源和氣載放射性物質(zhì)，是屏蔽設(shè)計(jì)、氣載放射性控制及劑量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。封閉源主要用于正常滿(mǎn)功率運(yùn)行、停堆和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故三種運(yùn)行狀態(tài)的屏蔽設(shè)計(jì)。堆芯的直接輻射、反應(yīng)堆冷卻劑活化產(chǎn)物、從燃料包殼破損小孔進(jìn)入反應(yīng)堆冷卻劑的裂變產(chǎn)物以及活化腐蝕產(chǎn)物是正常滿(mǎn)功率運(yùn)行期間主要的輻射源。反應(yīng)堆停堆狀態(tài)下，要求永久屏蔽的其他重要源僅有乏燃料源和余熱排出系統(tǒng)源。氣載放射性物質(zhì)源主要集中在安全殼、燃料操作區(qū)域和核輔設(shè)備艙內(nèi)，需給出正常運(yùn)行期間，這些區(qū)域的氣載放射性源的模型、參數(shù)和源。

因此，浮動(dòng)核電站輻射屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，源項(xiàng)的準(zhǔn)確性對(duì)工程方案具有重要意義，源項(xiàng)分析包絡(luò)性不足將影響輻射防護(hù)安全，源項(xiàng)分析過(guò)于保守則產(chǎn)生的過(guò)重的屏蔽代價(jià)，影響工程經(jīng)濟(jì)性。

2 分區(qū)因素分析

分區(qū)因素指限制分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)選擇的制約因素，主要涉及到相關(guān)區(qū)域的人員站位及停留時(shí)間，是合理確定輻射分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)[6]。根據(jù)浮動(dòng)核電站示范工程經(jīng)驗(yàn)，與人員相關(guān)的因素主要是船體結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)、核燃料補(bǔ)給和堆艙區(qū)管路、電纜布置。此外，堆艙舷側(cè)分區(qū)范圍還應(yīng)考慮搖擺對(duì)水線面變化的影響。

2.1 結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)

堆艙作為縱深防御的一道安全屏障，包圍并保護(hù)安全殼及其他放射性物項(xiàng)，也是船體總縱彎曲的主要受力構(gòu)件，保障船體總縱強(qiáng)度安全。同時(shí)也面臨海水腐蝕、疲勞損傷等威脅，需要定期開(kāi)展結(jié)構(gòu)在役檢查。根據(jù)浮動(dòng)核電站船體監(jiān)管體系研究，本文系統(tǒng)底分析了中國(guó)船級(jí)社《浮式裝置入級(jí)規(guī)范》(FR)和國(guó)際海事組織Res.491(XII)《核商船安全規(guī)則》(SC)相關(guān)要求，如下：

(1)《浮式裝置入級(jí)規(guī)范》第1篇/第5章/第4節(jié)(結(jié)構(gòu)檢驗(yàn))，要求對(duì)浮式裝置要開(kāi)展年度檢驗(yàn)、中間檢驗(yàn)、特別檢驗(yàn)和主體結(jié)構(gòu)測(cè)厚與探傷，主要包括結(jié)構(gòu)和關(guān)閉設(shè)施狀態(tài)、壓載艙及涂層、液艙保護(hù)檢查及液艙密性試驗(yàn)等，檢驗(yàn)周期分別為1年或5年。每次檢驗(yàn)時(shí)，如發(fā)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)任何部位有顯著腐蝕，應(yīng)進(jìn)行測(cè)厚檢查與探傷。此外，還需進(jìn)行底外部相關(guān)項(xiàng)目檢查，周期為每5年周期內(nèi)進(jìn)行2次，15年以下船齡船舶可采用水下檢驗(yàn)，15年以上船齡船舶申請(qǐng)水下檢驗(yàn)需要監(jiān)管部門(mén)特別認(rèn)可[7]。因此，根據(jù)《浮式裝置入級(jí)規(guī)范》結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)要求，將堆艙結(jié)構(gòu)劃分為4個(gè)區(qū)域，如圖2所示。不同區(qū)域檢驗(yàn)及周期列于表3。

圖2 堆艙結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)分區(qū)Fig.2 Reactor compartment structural zoning

(2)《核商船安全規(guī)則》第8.4.4節(jié)規(guī)定，需要對(duì)安全殼支撐范圍的堆艙底部船體結(jié)構(gòu)①和防碰撞的堆艙舷側(cè)結(jié)構(gòu)③進(jìn)行年度檢驗(yàn)，每2年檢驗(yàn)1次外板②和④的變形與腐蝕。特殊地，需要每4年1次定期檢驗(yàn)，用超聲波方法開(kāi)展安全殼裂紋檢查，考慮到反應(yīng)堆換料周期，4年期限最多可延長(zhǎng)1年[8]。因此，根據(jù)《核商船安全規(guī)則》結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)要求，不同區(qū)域檢驗(yàn)及周期列于表4。

表3 浮式規(guī)范對(duì)船底及舷側(cè)結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)頻次Tab.3 FR’s structural inspection requirement

1)可代替一次年度檢驗(yàn)。

表4 核商船規(guī)范對(duì)船底及舷側(cè)結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)頻次Tab.4 SC’s structural inspection requirements

(3)另外，堆艙舷側(cè)和底部結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)時(shí)間應(yīng)結(jié)合換料周期進(jìn)行，應(yīng)調(diào)整相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增加船體板材腐蝕余量、結(jié)構(gòu)安全在線監(jiān)測(cè)等措施，報(bào)主管部門(mén)審批許可后，使檢驗(yàn)工作安排在停堆換料期間進(jìn)行，降低受輻射的影響限制。

2.2 核燃料補(bǔ)給

浮動(dòng)核電站長(zhǎng)期駐泊海上作業(yè)，換料周期約2～3年，需要在整個(gè)中修期內(nèi)多次進(jìn)行海上核燃料補(bǔ)給。補(bǔ)給船停靠位置、操作人員站位及頻次等因素、反應(yīng)堆運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)浮動(dòng)核電站堆艙舷側(cè)輻射分區(qū)具有較大影響。

(1)核燃料補(bǔ)給位置一般選擇堆艙附近，補(bǔ)給船以橫向補(bǔ)給方式[9]，靠綁在浮動(dòng)電站堆艙舷側(cè)(如圖3所示)，因此補(bǔ)給船作業(yè)受到堆艙舷側(cè)的輻射影響。采用這種補(bǔ)給方式，可以最短的路徑將核燃料轉(zhuǎn)運(yùn)至新燃料貯存間，有利于降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

核燃料補(bǔ)給船采用容器運(yùn)輸，容器需滿(mǎn)足新燃料容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。補(bǔ)給船靠綁后，經(jīng)舷側(cè)的新燃料吊機(jī)，將容器整體吊裝至浮動(dòng)核電站換料廠房?jī)?nèi)。最后需要容器開(kāi)箱，取出新燃料組件，并經(jīng)專(zhuān)用工具轉(zhuǎn)移至指定的貯存格架，相應(yīng)操作過(guò)程如圖4所示。

圖3 核燃料補(bǔ)給靠綁示意圖Fig.3 FNPP’s supply ship berth

圖4 核燃料轉(zhuǎn)移操作示意圖Fig.4 FNPP’s nuclear fuel transfer operation

(2)從人員站位及頻次考慮，為盡可能減低核燃料船上貯存，浮動(dòng)核電站一般按1爐新燃料貯存量設(shè)計(jì)。初步估計(jì)運(yùn)輸1爐燃料組件需要50個(gè)容器，整個(gè)海上補(bǔ)給過(guò)程時(shí)間約7天，堆艙區(qū)操作人員約9人，相應(yīng)人員站位列于表5，限制其他人員進(jìn)入換料控制區(qū)。

表5 核燃料補(bǔ)給人員站位表Tab.5 FNPP’s replenishment station

燃料補(bǔ)給時(shí)，相關(guān)人員站位的主要職責(zé)如下：

1)現(xiàn)場(chǎng)總指揮1人：位于浮動(dòng)平臺(tái)堆艙頂部視角較好的位置，全面協(xié)調(diào)指揮浮動(dòng)平臺(tái)和補(bǔ)給船上相關(guān)人員的現(xiàn)場(chǎng)工作；

2)補(bǔ)給船操作2人：位于補(bǔ)給船貨艙內(nèi)負(fù)責(zé)新燃料容器的掛載；

3)吊機(jī)操作2人：1人位于吊機(jī)控制室操作吊機(jī)，1人位于浮動(dòng)平臺(tái)頂棚甲板負(fù)責(zé)新燃料容器安全、準(zhǔn)確的進(jìn)入換料廠房頂部吊裝口；

4)換料廠房?jī)?nèi)操作2人：位于換料廠房?jī)?nèi)部，負(fù)責(zé)接收來(lái)自堆艙吊機(jī)的新燃料容器，安全平穩(wěn)的落地，并負(fù)責(zé)新燃料安全的轉(zhuǎn)移至貯存格架；

5)現(xiàn)場(chǎng)輔助2人：1人位于補(bǔ)給船,1人位于浮動(dòng)平臺(tái)，主要輔助現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)、處于機(jī)動(dòng)狀態(tài)。

因此，實(shí)際上受舷側(cè)分區(qū)影響的人數(shù)為3人，分別是補(bǔ)給船操作2人和現(xiàn)場(chǎng)輔助的其中1人，其他人位于浮動(dòng)平臺(tái)頂部不受舷側(cè)分區(qū)影響。

(3)從源項(xiàng)角度考慮，為保證電站經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡可能減少換料對(duì)正常發(fā)電的影響，因此核燃料補(bǔ)給一般安排在反應(yīng)堆功率運(yùn)行期間進(jìn)行。

2.3 管路、電纜布置

根據(jù)船舶的布置特點(diǎn)，不可避免地在船舶底部和舷側(cè)設(shè)置管隧(如圖5所示)，用于布置貫穿艏艉的生活水管、污水管、電纜或其他管線，并考慮檢修人員通行要求。因此需要考慮堆艙輻射對(duì)管路內(nèi)流體介質(zhì)的影響，避免將放射性物質(zhì)帶至船舶的其他區(qū)域；同時(shí)要考慮電纜的耐輻照性能，避免影響船舶的用電安全。

圖5 堆艙區(qū)管隧布置與分區(qū)Fig.5 FNPP’s tunnel arrangement and radiation zoning

由于反應(yīng)堆安裝在安全殼底部，堆艙底部的劑量最大。因此，為降低管路和電纜布置對(duì)分區(qū)的影響，浮動(dòng)核電站總體布局設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮將平臺(tái)分為艏、中、艉三區(qū)，分別在三個(gè)區(qū)域布置系統(tǒng)，避免全船性管路穿過(guò)堆艙。部分不可避免的管路、線纜布置在輻射環(huán)境較低的上管隧。

2.4 搖擺

核動(dòng)力商船輻射分區(qū)原則以設(shè)計(jì)水線為邊界，水線以上定義為舷側(cè)分區(qū)，水線以下為底部分區(qū)。由于浮動(dòng)核電站設(shè)計(jì)是基于運(yùn)行廠址的海洋環(huán)境特征，確定了平臺(tái)運(yùn)行和風(fēng)暴自存的兩種海況重現(xiàn)期。相應(yīng)海況下，浮動(dòng)核電站搖擺的幅度不一樣。

因此，舷側(cè)分區(qū)時(shí)需要考慮水線以下疊加搖擺的幅值(如圖5所示)，舷側(cè)屏蔽材料輻射的范圍應(yīng)不小于搖擺角最低點(diǎn)位置。

2.5 屏蔽材料

一般地，可作為核電站屏蔽材料的方案有混凝土、水、鑄鐵、鉛等，這些材料對(duì)不同輻射類(lèi)型具有較好的防護(hù)效果。陸上核電站一般選用混凝土作為屏蔽材料，經(jīng)濟(jì)性較好。而浮動(dòng)核電站屏蔽材料的選擇，需要考慮船舶空間和重量的限制，一般選擇屏蔽效果更好，經(jīng)濟(jì)成本可接受的材料。

參考國(guó)內(nèi)外軍用核動(dòng)力艦船和核動(dòng)力破冰船，鉛是最常見(jiàn)的屏蔽材料，屏蔽厚度和重量對(duì)船舶的適應(yīng)性較好。目前國(guó)內(nèi)外正在研發(fā)的特種高效的屏蔽材料，但由于經(jīng)濟(jì)成本的原因，還不能為工程廣泛使用。因此，我國(guó)目前的浮動(dòng)核電站論證方案多采用的是以鉛為主的屏蔽材料，本文也以鉛為前提開(kāi)展輻射分區(qū)的相關(guān)論證和分析。

3 分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)研究

本節(jié)基于舷側(cè)與堆底分區(qū)的限制因素，輻射防護(hù)最優(yōu)化基本原則(ALARA)，對(duì)比分析不同分區(qū)方案的屏蔽效果和經(jīng)濟(jì)性能，綜合性能最佳的分區(qū)方案可為工程設(shè)計(jì)參考。

3.1 劑量率計(jì)算方法說(shuō)明

本文基于蒙特卡羅計(jì)算方法計(jì)算鉛和聚乙烯的屏蔽性能。該方法是核電站屏蔽計(jì)算經(jīng)常采用的重要方法之一，可大幅節(jié)省研究經(jīng)費(fèi)和研究時(shí)間，計(jì)算模型如圖6所示，該模型考慮了安全殼四周設(shè)置了1.5 m的水艙，具有一定的屏蔽效果。

圖6 堆艙底部和舷側(cè)屏蔽的蒙特卡羅計(jì)算模型Fig.6 Shel. & bot shields’ Monte Carlo model

3.2 舷側(cè)分區(qū)

根據(jù)上節(jié)分析，影響堆艙舷側(cè)分區(qū)的主要的因素是舷側(cè)結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)和核燃料補(bǔ)給。本文根據(jù)船檢現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)反饋，分別估算了舷側(cè)各工況下人員施工作業(yè)的人員站位特征，見(jiàn)表2～表4。分析結(jié)果表明，核燃料補(bǔ)給是堆艙舷側(cè)區(qū)域人員居留特性要求最高的工況，最大值為12.9人·時(shí)/周，達(dá)到綠區(qū)(大于10人·時(shí)/周)水平。此外，《核商船安全規(guī)則》考慮到核商船進(jìn)出入出港口的特點(diǎn)，要求堆艙水線以上舷側(cè)的劑量當(dāng)量率≤0.5 μSv/h，為非輻射工作場(chǎng)所。

因此，本文分別考慮了非輻射工作場(chǎng)所、監(jiān)督區(qū)和綠區(qū)三種方案，論證了不同方案下屏蔽材料特征及成本分析，作為分區(qū)設(shè)計(jì)的依據(jù)。在屏蔽工藝設(shè)計(jì)方面，安全殼屏蔽工藝設(shè)計(jì)，考慮到鉛對(duì)γ具有較好的屏蔽效果，聚乙烯對(duì)中子具有較好的屏蔽效果性質(zhì)，鉛屏蔽先于聚乙烯面向源項(xiàng)吸收部分高能射線，可減少聚乙烯的使用[10]。

(1)非輻射工作場(chǎng)所

非輻射工作場(chǎng)所是根據(jù)核商船的標(biāo)準(zhǔn)考慮的，經(jīng)屏蔽設(shè)計(jì)和計(jì)算：鉛屏蔽的厚度為190 mm、聚乙烯厚度為50 mm，舷側(cè)的劑量率水平為0.5 μSv/h。

(2)監(jiān)督區(qū)

作為對(duì)比項(xiàng)，分析了監(jiān)督區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的屏蔽特征：鉛屏蔽的厚度為150 mm、聚乙烯厚度為50 mm，舷側(cè)的劑量率水平為2.5 μSv/h。

(3)綠區(qū)

綠區(qū)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)浮動(dòng)核電站實(shí)際使用工況分析考慮的，經(jīng)屏蔽設(shè)計(jì)和計(jì)算：鉛屏蔽的厚度為120 mm、聚乙烯厚度為50 mm，舷側(cè)的劑量率水平為10 μSv/h。

基于浮動(dòng)核電站一般的安全殼容積水平：長(zhǎng)約12 m、寬約10 m、高約15 m，安全殼側(cè)面的面積約180 m2，結(jié)合安全殼安裝高度、設(shè)計(jì)水線和搖擺因素后，側(cè)面的屏蔽面積約130 m2。因此三種分區(qū)方案的屏蔽重量和造價(jià)列于表6。

表6 舷側(cè)分區(qū)方案對(duì)比表Tab.6 Shell’s radiation zoning comparison

由表6可見(jiàn)，非輻射工作場(chǎng)所方案的劑量率水平最低(0.5 μSv/h)，屏蔽的經(jīng)濟(jì)成本最高(2 305萬(wàn)元)；綠區(qū)方案的劑量率水平相對(duì)較高(10 μSv/h)，屏蔽的經(jīng)濟(jì)成本最低(1 793萬(wàn)元)。監(jiān)督區(qū)場(chǎng)劑量率水平和屏蔽的經(jīng)濟(jì)成本介于非輻射工作場(chǎng)和綠區(qū)之間。

經(jīng)綜合分析，基于以下考慮，本文推薦綠區(qū)為舷側(cè)分區(qū)方案：

(1)上述三種方案均滿(mǎn)足使用要求。

(2)在使用工況上，浮動(dòng)核電站相比核商船區(qū)別較大。浮動(dòng)核電站長(zhǎng)期駐泊海上，舷側(cè)人員作業(yè)時(shí)間和頻次較低；只在中修期回港，且處于停堆工況，輻射源強(qiáng)度較低。因此，在安全性有保障的前提下，浮動(dòng)核電站舷側(cè)分區(qū)可在核商船的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低要求。

(3)屏蔽的成本分析應(yīng)包括兩個(gè)部分，即較高輻射分區(qū)的管理成本和經(jīng)濟(jì)成本。綠區(qū)為常規(guī)工作區(qū)，不屬于較高的輻射區(qū)，人員進(jìn)入無(wú)需特殊的管理措施。從經(jīng)濟(jì)成本考慮，綠區(qū)較監(jiān)督區(qū)和非輻射工作場(chǎng)所可節(jié)約成本約350萬(wàn)元和600萬(wàn)元，效益可觀。因此建議綠區(qū)作為舷側(cè)的輻射分區(qū)方案。

3.3 底部分區(qū)

與舷側(cè)分區(qū)要求不同，影響堆艙底部輻射分區(qū)的主要的因素是底部結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)，堆艙底部區(qū)作業(yè)人員的頻次更低，但屬于堆芯周邊的活性區(qū)[11]。根據(jù)表2和表3對(duì)堆艙底部結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)的作業(yè)頻次分析可見(jiàn)，最高居留特征時(shí)間約0.06人·時(shí)/周，屬于高輻射區(qū)分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。此外，GJB 843.21 A《核動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)安全規(guī)定輻射屏蔽設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》規(guī)定，反應(yīng)堆堆底軸線處船體外表面處熱中子注量率和γ射線的能量注量率的限值，分別為1.0×108n/(cm2·s)和1.0×107MeV/(cm2·s)，相當(dāng)于劑量率50 mSv/h；另外，《核商船安全規(guī)則》考慮了核商船在航區(qū)內(nèi)航行可能存在擱淺、觸礁等事故風(fēng)險(xiǎn)，要求10%堆功率下進(jìn)行堆艙底部的水中檢修的部位劑量當(dāng)量率≤75 μSv/h，對(duì)應(yīng)滿(mǎn)功率工況下約75 μSv/h。

因此，本文根據(jù)GJB 843.21 A和核商船安全規(guī)則要求，對(duì)比了50 mSv/h 和75 μSv/h兩種方案。但根據(jù)國(guó)內(nèi)核能行業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)較高輻射區(qū)劑量率的界定來(lái)看，10

浮動(dòng)核電站安全殼底部便于設(shè)置水艙，利于降低船舶重心，具有較好的中子屏蔽功能，因此安全殼底部屏蔽可不單獨(dú)考慮中子及其屏蔽材料使用，不同分區(qū)的屏蔽方案如下：

(1)75 μSv/h

75 μSv/h是根據(jù)核商船的標(biāo)準(zhǔn)考慮的，經(jīng)屏蔽設(shè)計(jì)和計(jì)算，安全殼底需敷設(shè)鉛屏蔽的厚度約130 mm。

(2)1 mSv/h

1 mSv/h為限定工作區(qū)，年均工作量小于1人·時(shí)/周，可管理進(jìn)入。經(jīng)屏蔽設(shè)計(jì)和計(jì)算：鉛屏蔽的厚度約90 mm。

(3)50 mSv/h

50 mSv/h標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)GJB 843.21 A標(biāo)準(zhǔn)考慮的，經(jīng)計(jì)算該方案下無(wú)需使用額外的屏蔽材料，僅依靠安全殼鋼結(jié)構(gòu)材料屏蔽可達(dá)到該劑量率水平。

上述三種分區(qū)方案的屏蔽重量和造價(jià)列于表7。

表7 堆底分區(qū)方案對(duì)比表Tab.7 Bottom’s radiation zoning comparison

表7顯示，50 mSv/h方案的場(chǎng)劑量率水平最高，屏蔽成本幾乎為0；75 μSv/h方案的場(chǎng)劑量率水平最低，但屏蔽經(jīng)濟(jì)成本最低(1 528萬(wàn)元)。與舷側(cè)分區(qū)方案選擇類(lèi)似，基于以下考慮，本文推薦1 mSv/h為舷側(cè)分區(qū)方案：

(1)從較高輻射分區(qū)的管理成本考慮，50 mSv/h屬于特高輻射區(qū)，進(jìn)入較高輻射區(qū)開(kāi)展維修或檢查活動(dòng)，應(yīng)做好對(duì)輻射風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與監(jiān)測(cè)跟蹤，建立完善的規(guī)章制度和程序，開(kāi)展人員培訓(xùn)與資格管理，落實(shí)信息交流與準(zhǔn)確傳遞，并采取放射防護(hù)控制措施，避免或降低可能造成的嚴(yán)重輻射安全事件和人員超劑量照射的后果。因此，50 mSv/h的分區(qū)方案對(duì)浮動(dòng)核電站的管理成本，輻射風(fēng)險(xiǎn)較大，安全性較低，不建議采用。

(2)與舷側(cè)工況類(lèi)似，浮動(dòng)核電站與核商船長(zhǎng)期在航道上穿行不一樣，浮動(dòng)核電站為拖帶航行、駐泊工況下不存在擱淺的風(fēng)險(xiǎn)，堆艙底部不存在低功率檢修的情景，因此不考慮10%堆功率下堆底水下維修的工況設(shè)計(jì)更合理。

(3)根據(jù)NB/T 20185—2012，以及EJ/T 1172—2004等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，劑量率≤1 mSv/h時(shí)可管理進(jìn)入，年均工作量小于1人·時(shí)/周，滿(mǎn)足堆艙底部檢修的頻次要求。同時(shí)，1 mSv/h劑量率相對(duì)較低，輻射風(fēng)險(xiǎn)較小，安全性較好；從經(jīng)濟(jì)成本考慮，1 mSv/h方案可節(jié)省成本約500萬(wàn)元。因此建議1 mSv/h劑量率標(biāo)準(zhǔn)作為堆艙底部的輻射分區(qū)方案。

4 結(jié)論與建議

本文基于GB 18871—2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》要求，系統(tǒng)研究了影響浮動(dòng)核電站堆艙舷側(cè)和底部輻射分區(qū)的因素，有如下結(jié)論：

(1)堆艙舷側(cè)和底部輻射分區(qū)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)和核燃料補(bǔ)給的影響；

(2)堆艙舷側(cè)和底部結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)，應(yīng)安排在停堆換料期間進(jìn)行，降低輻射防護(hù)對(duì)相關(guān)區(qū)域檢修人員施工的影響；

(3)核燃料補(bǔ)給在反應(yīng)堆功率運(yùn)行期間進(jìn)行，是堆艙舷側(cè)輻射分區(qū)的首要影響因素；

(4)舷側(cè)分區(qū)屏蔽應(yīng)考慮搖擺對(duì)水位變化的影響；

(5)浮動(dòng)堆艙室總體規(guī)劃和布局時(shí)，應(yīng)考慮合理的管線布置，避免或降低堆艙高輻射區(qū)輻射照射的不利影響。

本文基于輻射防護(hù)的基本原則，基于輻射分區(qū)因素對(duì)劑量限值的要求，對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的要求，考慮較高輻射區(qū)的管理成本以及屏蔽的經(jīng)濟(jì)成本，最終確定了堆艙相關(guān)區(qū)域的分區(qū)方案：舷側(cè)為綠區(qū)(<10 μSv/h)、底部為限定工作區(qū)(≤1 mSv/h)，具有較好的安全和經(jīng)濟(jì)收益。

基于浮動(dòng)堆的運(yùn)行特點(diǎn)，從輻射防護(hù)管理的角度對(duì)浮動(dòng)核電站運(yùn)行有以下建議:

(1)浮動(dòng)堆一般采用雙堆布置，且具有1.5～3年的換料周期，因此建議在單堆換料期間交替開(kāi)展浮動(dòng)平臺(tái)的檢修工作，避免滿(mǎn)功率期間的高輻射場(chǎng)劑量率；

(2)新燃料補(bǔ)給船選用艏部上建型船舶，靠泊時(shí)艉部靠近堆艙，避免補(bǔ)給船船員受到浮動(dòng)平臺(tái)舷側(cè)輻射影響；

(3)浮動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，建議考慮安全殼底部和舷側(cè)的空艙注水的接口，不需要時(shí)可排除水源，具有較好的屏蔽效果和經(jīng)濟(jì)性。