1985年前蘇聯核潛艇事故及對我國潛在輻射影響評價

岳 峰，喬清黨，郭 猜，祝 賀，郭瑞萍，郜建偉，王瑞英，李雯婷

(1.生態環境部核與輻射安全中心，北京 100082；2.遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116001)

1985年8月10日，前蘇聯E-2級核潛艇K-431號在換料過程中發生反應堆臨界爆炸燃燒事故。事故地點位于海參崴東南方60 km恰日瑪灣(Chazhma Bay，見圖1)(東經132.408 600°，北緯42.935 595°)，海參崴是俄羅斯太平洋艦隊重要基地，也是該艦隊核潛艇維護和換料的母港。該艇最終于1986年退役。

圖1 事故發生時氣象條件下的遷移軌跡圖(1985-08-10 00:00至1985-08-13 12:00)

雖然事故已經過去30余年，但是由于種種原因，外界對該事故，尤其是釋放的放射性物質對我國造成的輻射影響了解并不多。本文通過對事故過程、源項、氣象等資料的查閱，采用美國HYSPLIT程序，就該事故對我國的潛在輻射影響進行評價，為我周邊國家及地區的涉核軍事活動所造成的潛在輻射影響研判提供參考。

1 事故過程及放射性源項

1.1 事故過程

事故核潛艇為675型巡航導彈核潛艇(北約代號Echo II)，1965年完工，擁有2臺V/BM-A壓水反應堆，功率2×70 MW，2回路設計，核燃料U-235富集度20%，每座反應堆U-235重量為50 kg[1]。

1985年8月10日，該潛艇在位于恰日馬灣的海軍設施內進行換料操作。俄羅斯核潛艇換料操作通常包括如下步驟：

(1)在頂蓋用于定位緊急制動棒的孔中插入一根特殊的抽水管。

(2)所有的水從主回路排出，確認無水。

(3)利用換料服務船拆除頂蓋。

(4)將裝有燃料轉運容器的換料機置于堆芯上方。

(5)乏燃料組件由換料機從堆芯中取出，并儲存在燃料轉運容器中。

(6)裝滿乏燃料組件后，燃料轉運容器被吊回換料服務船。

(7)將乏燃料組件卸載到換料服務船后，將新燃料組件裝入燃料轉移集裝箱。

(8)新燃料組件裝入堆芯內。然后，從步驟(5)開始重復上述過程，直到新燃料組件完全裝入堆芯。

(9)取下換料機后，安裝帶有控制棒的上蓋，關閉堆芯。

(10)冷卻劑水被注入主回路。驗證上蓋密封的密封性。

事故發生在當地時間10:55，換料操作進行到步驟(10)，工作人員發現上蓋密封不完整，決定將上蓋升起來解決問題，但是他們沒有把主回路的水抽干，也沒有把用來固定控制棒的格子拆開。該決定未經監管人員同意，并且違反規程。當上蓋升起幾厘米時，一艘海軍魚雷艇掃過，形成了巨大的尾流。尾流導致換料服務船和起重機吊臂晃動，控制棒提起過快。反應性的快速上升引起巨大的功率脈沖，導致5×1018次裂變[2]，并發生爆炸及火災。爆炸彈出了新裝載的燃料，破壞了潛艇的壓力殼和船尾艙壁。火災于4 h后被撲滅。大部分帶有放射性的碎片落在距離潛艇50～100 m的范圍內，但仍有少量放射性煙羽吹向北方。事故導致10名工作人員死亡[3]。事故時，一艘大型船只位于事故地點東北方向，一定程度上阻擋了污染物隨海水向北部擴散，并降低了海水循環的強度[4]。對當地海水和底部沉積物采樣監測結果表明，事故通過海水造成的放射性污染僅限于恰日瑪灣內，未對海參崴地區海水和海灘造成放射性影響[5]，事故遠距離的放射性影響主要來自大氣輸運。

1.2 事故源項

根據相關研究[1]，事故最初釋放量為7.4×1016Bq的惰性氣體和1.85×1017Bq的其他裂變產物，但是這些大部分為短壽命核素，事故后1小時仍然存在的非惰性氣體裂變產物估計為3.7×1013Bq。對于遠距離大氣輸運，需要考慮的核素需要達到一定的數量和足夠長(通常要幾天以上)的半衰期。由于堆芯中裝載的是新燃料，Cs-137，Cs-134，Sr-90等核素的量可忽略。因此，放射性碘是需要重點關注的。5×1018次裂變產生I-131、I-133、I-135數量分別為145 GBq、3 100 GBq、9 200 GBq，以20%作為放射性碘釋放到大氣中的釋放份額。事故釋放可能造成長距離影響的核素及其數量列于表1。裂變發生在瞬時，考慮到裂變產物隨爆炸、燃燒釋放的過程，源項釋放的持續時間假定為0.5 h。釋放高度為爆炸燃燒高度，選取海平面及以上50 m之間。

表1 可能造成長距離影響的源項

2 輻射后果評價

2.1 氣象資料

針對此次事故釋放源項，本文采用當時實際氣象條件(1985年8月10日，UTC時間)和對我國較為不利的氣象條件進行評價，以研究類似事故對我國可能造成的輻射環境影響。不利氣象條件方面，根據相對地理位置，當事故地點偏東南風且風速較大時，對我國尤其是東北地區較為不利，通過對2013—2015年氣象資料的分析篩選，以2014年6月18日(UTC時間)及之后幾天時段數據作為對我國影響較大的氣象條件。氣象數據來源自美國NCEP[6](National Centers for Environmental Prediction，美國國家環境預報中心)再分析氣象資料。

2.2 評價方法

評價包括核素遷移擴散及劑量評價兩部分。

2.2.1核素遷移擴散

為了兼容氣象資料數據，核素遷移擴散部分采用美國HYSPLIT[7](Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory)程序對事故源項的遷移軌跡和影響核素的地面沉積濃度、空氣積分濃度進行模擬計算。HYSPLIT是由隸屬于美國國家海洋和大氣管理局(NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration)的空氣資源實驗室(Air Resources Laboratory)研發的一種用于計算和分析大氣污染物輸運、擴散軌跡的專業模型。HYSPLIT程序的兩個主體功能為遷移軌跡計算、空氣濃度計算。

遷移軌跡計算側重于污染物在流場中按平均風輸送，基本原理[8]可由下式表示：

粒子在一個時間步長Δt后新的平均位置矢量：

V({Pmean(t)+[V(Pmean,t)Δt]},t+Δt)]Δt

其中，V(Pmean,t)是粒子在平均位置Pmean，時間t的三維速度矢量。

空氣濃度計算不但考慮平均風的輸送作用，同時又用一系列隨機位移來模擬湍流擴散，這樣就表達了平流和湍流擴散兩種作用，最后由這些粒子在空間和時間上的總體分布估算出污染物的分布，基本原理在上述公式基礎上增加了以下2式，即粒子在水平和垂直方向的實際位置分別為：

Xfinal(t+Δt)=Xmean(t+Δt)+U′(t+Δt)Δt

Zfinal(t+Δt)=Zmean(t+Δt)+W′(t+Δt)Δt

其中，Xmean和Zmean分別為粒子在水平和垂直方向的平均位置，U′和W′分別為水平和垂直方向的湍流脈動速度分量。

計算過程中，根據HYSPLIT程序最長模擬計算時間，軌跡及擴散時間為84 h。當地事故時有間歇性毛毛雨，按照偏保守原則，忽略濕沉積，干沉積速率默認值為0.1 cm/s。

2.2.2劑量評價

照射途徑考慮了空氣浸沒外照射有效劑量Eext1、吸入內照射有效劑量Einh、地面沉積外照射及再懸浮吸入內照射有效劑量Eext2，人員所受總有效劑量ET為三者之和。

上述劑量利用IAEA 1162號報告中的劑量評價方法和相關參數(放射性核素的轉換因子CF9,i、CF2,i、CF4,i)[9]計算得出。空氣浸沒外照射有效劑量Eext1：

吸入內照射有效劑量Einh：

式中，CF2,i為吸入放射性核素i導致的待積有效劑量轉換因子[(mSv/h)/(kBq/m3)]，來自IAEA 1162號報告；

地面沉積外照射及再懸浮吸入內照射有效劑量Eext2：

2.3 評價結果

2.3.1遷移軌跡

按照1985年8月10日事故發生時的氣象條件，模擬計算的遷移軌跡如圖1所示，結果顯示，此次事故釋放的放射性物質主要向北輸運，軌跡未到達我國境內，對我國的影響為核素的擴散造成。模擬計算的核素地面沉積濃度變化情況如圖2所示(以I-135為例)。

圖2 事故氣象條件下I-135的地面沉積濃度變化圖

按照2014年6月18日對我國不利氣象條件，模擬計算的遷移軌跡如圖3所示，結果顯示，事故釋放的放射性物質主要向西北方向輸運，軌跡經過我國東北部分地區。模擬計算的核素地面沉積濃度變化情況如圖 4 所示(以I-135為例)。

圖3 不利氣象條件下的遷移軌跡圖(2014-06-18 00:00至2014-06-21 12:00)

圖4 不利氣象條件下I-135地面沉積變化圖

2.3.2劑量分布

按照1985年8月10日事故發生時的氣象條件，此次事故造成的有效劑量分布如圖5所示。結果顯示，本次核事故釋放的放射性物質可能對黑龍江省興凱湖及饒河縣一帶產生影響，導致我國境內的最大個人有效劑量低于1.1×10-5mSv(圖5中綠色區域)，各核素及照射途徑所致有效劑量列于表2。

圖5 此次事故造成的有效劑量分布

按照2014年6月18日對我國不利氣象條件，事故造成的有效劑量分布如圖6所示。結果顯示，如果此次事故的釋放發生在對我國較為不利的氣象條件下，事故產生的放射性物質可能會對黑龍江省牡丹江市、吉林省延邊朝鮮族自治州一帶產生影響，導致我國境內的最大個人有效劑量低于7.9×10-5mSv(圖6中藍色區域，主要集中在我國黑龍江省東寧市)，各核素及照射途徑所致有效劑量列于表2。

圖6 不利氣象條件下的有效劑量分布

表2 此次事故中各核素及照射途徑所致有效劑量(mSv)

3 結論

此次核潛艇事故對我國的輻射影響較小。由于事故時主導風向并未吹向我國，對我國造成的最大個人有效劑量不超過1.1×10-5mSv，可以忽略。同樣的事故即使發生在對我國較不利的氣象條件下，最大有效劑量也不超過7.9×10-5mSv，遠低于我國居民所受天然照射平均年有效劑量2.3 mSv[10]，影響有限。這主要是因為事故中損壞的是剛剛裝載的新燃料，一些危害性較高的核素(比如Cs-137，Cs-134，Sr-90等)量相對較小，最終可能造成長距離影響的源項主要是碘的同位素等。倘若發生事故的核設施燃料達到一定的燃耗深度，或裝載了更多的核燃料，核事故影響將比此次事故更大。

表3 不利氣象條件下各核素及照射途徑所致有效劑量(mSv)

軍用核設施，尤其是核潛艇具有極高的保密性，即使發生核事故，也難于被外界發現。本事故最早的公開報道出現于前蘇聯解體后的1994年[5]，即事故發生9年后。在英國《國際海軍》1986年5月發布的前蘇聯歷年核潛艇事故情況匯總中，只報道了該潛艇“1986年1月被救助船拖走”的情況，“事故性質不明”[11]。1957年到1998年，俄羅斯共建造了248艘核潛艇,其中大約200艘已經退役[1,12]。隨著前蘇聯解體以及俄羅斯經濟下滑，基礎設施以及乏燃料處理方面的欠缺，類似的核潛艇事故值得周邊國家警惕。值得一提的是，2021年10月2日美國“海狼”級攻擊核潛艇“康涅狄格”號在南海與水下不明物體發生碰撞事故[13]。鑒于此，我國應該在邊境重點方向建立大氣、海洋輻射監測預警體系，及時發現對我國能夠產生輻射環境影響的核事故。同時應加強天基核事故、核試驗探測系統，及早發現此類威脅。