含钚材料恐怖事件的后果分析

袁 伟，罗永锋，颜 澎，胡 健

（第二炮兵装备研究二所，北京100085）

含钚材料恐怖事件的后果分析

袁 伟，罗永锋，颜 澎，胡 健

（第二炮兵装备研究二所，北京100085）

基于数值仿真计算手段，定量分析了含钚材料恐怖事件中炸药爆炸条件下钚材料气溶胶的转化份额；针对不同可吸入气溶胶比例，应用HotSpot核事故后果评价模型计算了有关辐射特征量。结果表明，不同可吸入气溶胶比例对于辐射危害防护及处置有着明显的影响。

钚；恐怖事件；爆炸

在当今世界范围内，涉及放射性核材料的犯罪率一直居高不下，几乎每天都有放射源丢失的记录。如果使用放射性强度很高的钚材料制造恐怖事件，在城市中心等重要地区引爆，除炸药爆炸产生的冲击波会致人伤亡外，爆炸产生的放射性气溶胶还会在大气中大量释放并向周围扩散，导致人体不慎吸入或食入而受到内照射的危害，这样势必引起社会公众强烈的心理恐慌，后果极其严重［1］。本文分析了炸药爆炸条件下钚材料气溶胶转化份额，并针对不同的可吸入气溶胶比例，应用HotSpot核事故后果评价模型计算了有关辐射特征量，这对于核事故放射性气溶胶的防护有着重要的意义。

1 钚气溶胶转化份额

假定恐怖分子在某城市起爆一个装有钚材料的简易爆炸装置。由内至外依次为钚和炸药，钚材料为球体结构，质量为0.5 kg，外层包裹高能炸药球，质量为18 kg。炸药爆炸后将对钚施加强大载荷，使其获得很大的能量。资料表明，钚的汽化热阈值为1.4 MJ/kg，只要它在爆炸中获得的内能大于其汽化热阈值，就可以实现由固态金属向气溶胶的转化［2］。

运用有限元仿真软件对爆炸过程进行数值计算，计算模型如图1所示。图中黄色材料为高能炸药，黑色材料为钚。炸药球外表面左侧一点起爆，红点为起爆点，在钚上选取大量的单元网格点，通过数值计算考察这些位置处单元的吸能情况。图2所示为钚在爆轰波作用下的变形过程。

通过计算结果得到所有网格点的比内能均远远大于钚的汽化热阈值（1.4 MJ/kg），因此可以判定爆炸后钚吸收大量能量，由固态金属转化为气态蒸气，即完全转化为气溶胶颗粒。计算分析结果与相关文献符合一致。

2 钚气溶胶形成、危害途径与健康效应

2.1 钚气溶胶的形成

爆炸过程中钚材料吸收大量能量变成气态蒸气，逐渐冷却后悬浮在空气中，从而形成放射性气溶胶。一般用流体力学来描述气溶胶在空气中的运动规律，其比较明显的特征是沉降运动、扩散运动和热运动。气溶胶按照活度中值空气动力学直径（AMAD）大小分为粒径＜0.1 μm的小粒子、粒径为0.1～10 μm的中等粒子和粒径＞10 μm的大粒子3类。小粒子气溶胶在空气中不停地做布朗运动，它不会因为重力作用而沉降；中粒子气溶胶沉降速度较为缓慢，悬浮于空气中时间很长，因此，对人员的吸入内照射危害也就最大。大粒子气溶胶由于重力作用较大，会很快沉降到地面。其中小—中等粒子气溶胶统称为可吸入放射性气溶胶，其占总气溶胶的百分比为可吸入气溶胶比例。

图1 钚材料爆炸计算模型Fig.1 The calculation model of plutonium explosion

图2 钚材料爆炸过程Fig.2 The process of plutonium explosion

2.2 钚气溶胶危害途径与健康效应

钚气溶胶进入人体的途径主要是吸入和食入，从而造成内照射。它对人体的伤害是通过在体内释放α粒子，放出能量而形成内照射，α粒子在人体器官组织内的射程大约为50 μm左右，因而很难穿出人体。此外，钚的气溶胶烟云和沉淀于地面的尘埃也会造成外照射，但因危害较小，一般可忽略不计。

钚的内照射健康效应主要分为两类：低剂量致癌效应（发生在照射后的几年时间以后），高剂量致病和致死效应（发生在照射后1 a内的概率很高）。一般而言，遭受核事故危害的人员所受到高剂量的内照射可能性不是很大，因此，一般只考虑低剂量致癌效应［3］。

3 RF值对辐射分布的影响

针对钚爆炸后不同的辐射频率（RF）值开展了辐射分布模拟计算。在计算过程中，设定钚的质量依然为0.5 kg，外层包裹高能炸药球壳，质量为18 kg。根据前面钚气溶胶转化份额计算选定气溶胶转化份额为100%，RF取值依次为10%、20%、30%、40%和50%；另外，空气中风速取2 m/s，大气稳定度取B类，这时的气象特征属于典型大陆性稳定气象条件。

表1列出了不同RF取值下，在下风热线方向TEDE（总有效剂量当量）随距离的变化情况，可以看出，钚爆炸后的污染范围与程度和RF有着紧密联系。当RF值变大时，相同距离的放射性核素浓度逐渐变大，下风方向的TEDE值也就相应增大。例如，在下风热线距离爆炸地点0.6 km的地方，RF＝10%条件下钚被炸药分散时，放射性污染致人的TEDE值在0.092 Sv左右，而RF分别为20%、30%、40%和50%时，由于小粒子所占比例变大，放射性核素在下风方向同样距离上扩散的更多，放射性污染致人体的 TEDE在 0.18、0.28、0.37和0.46 Sv左右，在其他距离上，也存在类似的规律［4］。

表1 不同RF条件下TEDE随距离的变化Table 1 The change of TEDE with distance under different RF condition

此外，当RF值固定时，距离事故点较近的地区放射性核素浓度大，相应下风方向的TEDE值也就大，随着距离变远，TEDE值减小，从表中可以看出距离事故点0.030 km和20 km的TEDE值相差约4个数量级。

图3 RF＝10%时爆炸污染区域Fig.3 Explosive pollution area when RF＝10%

图5 RF＝30%时爆炸污染区域Fig.5 Explosive pollution area when RF＝30%

图3～7分别绘出了 RF为10%、20%、30%、40%、50%，发生爆炸后，钚材料可致的总有效剂量当量等值线分布情况，同时在表2中列出了需要采取撤离、隐蔽措施，以及超过公众剂量限值区域的分布情况。可以看出，随着RF值的变大，需要采取相应干预措施（如撤离、隐蔽等）的区域，以及超过公众限值的区域均逐渐增大。

图4 RF＝20%时爆炸污染区域Fig.4 Explosive pollution area when RF＝20%

图6 RF＝40%时爆炸污染区域Fig.6 Explosive pollution area when RF＝40%

图7 RF＝50%时爆炸污染区域Fig.7 Explosive pollution area when RF＝50%

表2 不同RF条件下钚爆炸后污染范围Table 2 The pollution area after plutonium explosion under different RF condition

爆炸后钚可以引起广大地区的放射性污染，进而引起受污染地区的人员恐慌和去污时产生的巨大经济损失。通过分析，当RF＝10%时，小粒子份额最小，基本上是AMAD＞10 μm的气溶胶，由于重力作用，大粒子很快沉降到地面，造成离事故点较近区域的放射性污染；当RF逐渐增大，小粒子份额也逐渐增大，爆炸后沉降速度缓慢，悬浮于空气中较久，随着气流运动飘散区域较远，从而造成放射性污染区域明显扩大。

4 结 论

本文针对恐怖事件中含钚材料爆炸装置进行了气溶胶转化份额和有关辐射特征量计算。计算表明，大炸药量爆炸产生的能量促使钚完全转化为气溶胶颗粒，引起大面积放射性污染；同时爆炸后的放射性污染与气溶胶粒子大小比例RF密切相关，RF越大，污染区域越大，爆炸产生的事故后果更加严重。

［1］张文仲，毛用泽，郝志勇，等.放射性布散装置（RDD）袭击后果评估［C］//全国第1届核技术与公共安全学术研讨会论文集.北京：中国核学会，2007：163-167.

［2］ Zia Mian， Ramana M V， Rajaraman R.Risks and consequences of nuclear weapons accidents in South Asia ［C］//PU/CEES ReportNo.326.Princeton:Princeton University，2000.

［3］ Liolios T E.Broken Arrows： Radiological hazards from nuclear warhead accidents（the Minot USAF base nuclear weapons incident） ［R］.Athena：Hellenic Arms Control Center，2008.

［4］ Homann S G， HotSpot health physics codes for the PC UCRL-MA-106315 ［R］.Livermore： Lawrence Livermore National Laboratory，CA.1994.

Consequence analysis of plutonium explosion in terror event

YUAN Wei， LUO Yong-feng，YAN Peng， HU Jian
（The Institute of the Secondary Artillery Equipment Academy， Beijing 100085， China）

Based on the numerical simulation technique，the translation rate of plutonium aerosol is quantitatively analyzed in case of detonator explosion under terror event.According to the different respirable fraction，the HotSpot nuclear accident aftereffect evaluation model was used to calculate radiation characters.The calculated result suggests that different respirable fraction has significant affects on the radiation damage defense and disposal of nuclear accident.

plutonium； terror event； explosion

X508

A

1672-0636（2011）02-0120-05

10.3969/1672-0636.2011.02.011

2010-08-05

袁 伟（1983—），男，江苏南京人，工程师，硕士，主要从事辐射防护研究。E-mail:Yuanwei128@sohu.com