一种核事故下船舶核防护改装装置的研制

高化超，仲晨华，罗　鹏，牟金磊

(1.海军工程大学 舰船工程系，武汉 430033；2.武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064)



一种核事故下船舶核防护改装装置的研制

高化超1，仲晨华1，罗鹏2，牟金磊1

(1.海军工程大学 舰船工程系，武汉 430033；2.武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064)

针对核应急情形下普通船舶在沾染区域安全撤离人员和抢运设备的需求，设计一种可于核素弥散环境下对船舶提供一定辐射防护能力的改装装置。采用Pb板、铅砂和不锈钢材料进行组合屏蔽结构设计，结合γ辐射屏蔽计算和放射性点源屏蔽实验测量数据，校核核防护改装装置的点源屏蔽效果，计算和实验结果表明，该核防护改装装置对于γ射线具有较好的屏蔽减弱效果。

船舶；撤离；核防护；改装

随着全球核动力船舶的逐渐增多，以及海岸和海岛地区核电站的大量兴建，一旦发生核事故，救援需求凸显。俄罗斯正在建造的“罗蒙诺索夫院士”号核电站为海上浮动核电站，我国在福建宁德建立了国内首座海岛型核电站，且2号机组于2014年并网发电。在此类核电站发生核事故后，需迅速将困于离岸建筑和海岛封闭环境中的大量人员和重要设备进行撤离，此时船舶输运是一个较好的选择。目前各国具有一定核防护能力的船舶较少，紧急状态下对已有民用船舶进行快速改装较为方便可行，从而使船舶具备在辐射影响较大区域大规模运输人员和设备的能力。

对于专门的核保障和核救援船舶，本身具有一定的防核污染、核辐射的能力。在事故发生后赶到救援地点需要一定时间，且执行救援任务的舰船在核救援时要面临核污染、核辐射的威胁，在舰船的某些受辐射影响严重的舱室，也需要采取屏蔽措施。部分民用船舶加以改装来辅助协助救援工作的进行是必要的，根据当地船舶特点加装一定核防护改装设备后可提升救援过程中船上人员的安全性，亦可有效提升救援速度。

从船舶设备布置和防护性能考虑，核防护改装结构需满足以下条件。

1)辐射屏蔽层应能够在船舶舱室表面进行快速敷设，而且船舶脱离危险区域后能够较为方便迅速地拆除并清洗。

2)有害物质(铅等重元素)局限于一定区域内，不会直接与人员相接触，对人员造成伤害或者污染环境。

3)防护性能达到要求，受辐射影响严重的舱室进行重点屏蔽，整体屏蔽效果满足指标。

基于以上条件，设计一种核防护改装装置，并利用点源辐射屏蔽试验验证设备的辐射屏蔽效果。

1　辐射影响区域船舶防护水平分析

1.1事故区域辐射源项分析

根据海上核素弥散环境及船体结构特点，在辐射射线类型中γ辐射危害性较大；在海上，因多次散射，大部分弥散核素光子能量在1.0 MeV及以下[1]。

事故核素弥散区域放射性元素的种类基本为易挥发性核素，其核素类型见表1。

表1　事故区域放射性元素种类列表

1.2船舶不同部位辐射类型分析

船舶因不同部位舱室、走廊通道、设备设施等布置方式的不同，屏蔽辐射的效果也不同。从全船结构考虑，将辐射屏蔽区域分为三类。

1)船舶上层建筑通过外板、舱壁等结构的屏蔽减弱辐射效果。

2)船舶水线以上甲板以下结构通过各层甲板及船外板进行辐射防护。

3)船舶水线以下结构通过船外板进行防护。

图1所示为航行状态下舰船受辐射影响情况。

图1　航行状态下舰船受辐射影响情况

对于船舶甲板以上的上层建筑，因其主要结构为舱壁板和各类分隔支撑结构，在航行时特点主要有：①舱室布置的密集度较高，因上层建筑一般作为人员操作、休息等集工作、休息为一体的建筑，因此各类功能的常驻人员房间较多，相隔较近；②舱壁及外板的钢材厚度与船外板厚度相比存在一定差距，舱壁的材料也不全是钢材，因此其辐射屏蔽效果相对其它区域较弱；③上层建筑的空气流动屏蔽效果较差，舱壁所开的舷窗、出入通道结构较多，在辐射区域航行时放射性沾染的气体可能会从各类缝隙中进入舱室内部，形成少量的放射性照射效果；④上层建筑除与船舶甲板相接的一面外，其余各面均受核素弥散区域放射性核素影响，其需要考虑屏蔽的区域较多。

上层建筑中某些舱室为有人舱室，此时在辐射影响区域航行时应尽力减少上层建筑中的人数；上层建筑的门窗较多，为防止弥散核素从缝隙侵入，应关紧舱室内外的门窗，尽量减少内外的空气交换；上层建筑的外板较薄，因而人员应尽量撤离上层建筑中靠边缘位置，留出一定的屏蔽距离；为防止沾染气体通过缝隙侵入舱室，可在舱室中设置正压。

对于船舶甲板以下水线以上部分的结构，因其主要结构为船外板、各层甲板和各类支撑结构，具有以下特点：①各类舱室和通道较多，与外界核素弥散区域相隔较远；②船外板和各层甲板具有一定厚度，内部舱壁厚度也可起到一定的屏蔽作用，整体辐射屏蔽减弱效果较好；③在各通道关闭的情形下，整体密闭性能较好，因此在计算防护效果时主要考虑通过船舶外板辐射减弱后的照射影响。船舶甲板以下水线以上区域的舱室中，整体辐射水平与上层建筑中的情形相比已大大减小，而且此区域中部舱室位置适合在事故辐射影响区域航行时作为船员从上层建筑撤离后的辐射遮蔽场所。

对于船舶水线以下部分，舱室类型主要为底舱、油舱等非住人舱室，允许人员长时间停留的舱室不多，但此处舱室具有以下特点：①靠近船舶外板的舱室主要是非住人舱室，因此辐射不仅要穿透外板，同时也要经过相关舱室的屏蔽后方可对人体产生影响，整体屏蔽效果较好；②海水是非常好的屏蔽体，并且辐射源经海水稀释后其核素浓度水平已经变得很低，需要屏蔽的辐射源放射性活度值较低；③船舶底部舱室一般布置机舱等动力舱室，此处区域的噪声水平和环境温度较高，不适宜人员长久停留。

综合以上原因，可以得出普通船舶在辐射影响区域进行应急救援工作时，除驾驶操纵人员以外，其他人员应尽量处于船舶甲板以下中部的中心位置舱室或距离边舱有一定距离的舱室中，同时应尽量关闭船舶与外界的各处舷窗和通道，减少与船体外部的空气流通。在不做防护的情形下，只有船体中部和下部的舱室适合被救人员停留，但底部舱室因密闭原因空气流通性较差，舱内环境较差。

因此，本应急核防护改装设备设计用于船体上层建筑表面及船体中与船外板相邻边缘舱室中，加装此设备后可减弱船体内部的辐射强度，并增大可用于被救人员停留的舱室数量和内部体积。

2　改装设备结构及布置

因船体表面形状限制，改装设备主要铺设于船体上层建筑和船体主甲板表面，从而减弱铺设区域的辐射照射量水平。改装设备主要分主体部分和弧度过渡部分，主体部分适用于平面区域的铺设，铅板之间的空隙以T型材补充屏蔽厚度；弧度过渡部分适用于上层建筑表面弯折部位的连接，铅板之间的空隙以相应厚度的铅砂补充。

2.1改装设备结构

主要由不锈钢支撑结构、铅辐射屏蔽板、铅砂、编织网等材料组成。整体设备结构见图2。

图2　核防护应急改装设备截面视图

整体防辐射屏蔽结构由主体结构、不锈钢包壳、铅屏蔽板、铅砂、过渡连接结构五部分组成。在快速组装过程中，首先将铅板插入不锈钢包壳，封口后再将包壳插入主体屏蔽结构，然后螺栓固定并通过注砂孔向过渡结构注入铅砂，最后封闭表面即可吊装至船体上进行覆盖。

不锈钢包壳主要功能：①包裹铅板并提供一定的屏蔽效果；②封闭铅板，防止铅在破损状态或因其他原因而与人体发生接触造成铅中毒；③作为固定结构的支撑，开有螺栓口。

铅屏蔽层由10 mm厚度的铅板组成(在辐射屏蔽实验中采用10 mm尺寸，若有实际需要也可改成其他厚度)，起主要的辐射屏蔽效果。在设计中因铅砂填充可弯折机构的连接空隙，T型材补充铅板之间的屏蔽厚度，因而整体屏蔽无死角，且整体结构可贴附于舱室的外表面上，形成一层有效的防辐射屏蔽层，从而保护重要舱室中人员的生命健康安全。

铰链连接结构可根据舱室的外部形状而在相应位置处进行一定的折弯，保证与舱室外板的走向保持一致(在外板表面凹凸变化并不剧烈的区域)。在舷窗区域可进行开孔，舷窗区域因视野需要可采用一定厚度的铅玻璃进行辐射防护。

2.2改装设备布置方式分析

改装设备布置的区域主要有三处，分别为上层建筑的外表面、船体甲板和船体内靠近船外板的舱室内壁。对于临时应急的核防护改装而言，上层建筑中的一些重要舱室如驾驶室、通讯设备间等位置需要进行防护改装，以保证船舶正常驾驶的安全；其他上层建筑舱室在需要运送人员时也需要做防护改装以保证辐射安全。对于舱室内靠近船体外板的区域最好也做一定防护处理，主要因为在船体外板产生一定辐射屏蔽效果的同时，临时改装的核防护屏蔽层会将射线进一步削弱，从而使得船体内部安全的停留区域面积变得更大，也就可以输运更多人员撤离。上层建筑外部辐射防护改装的效果见图3。

图3　驾驶室辐射改装效果示意

在本防护层的结构设计中，采用6 mm不锈钢+10 mm铅的屏蔽形式，同时在两块板之间的缝隙区域填充等屏蔽效果的铅砂，做到不影响两块板之间结构的屏蔽效果的同时还可相对转动。

3　改装设备辐射屏蔽计算

在不计材料自吸收和散射情形下，通过无限大体积源下的照射量率计算公式，可以得到粒子中低能量情形下γ射线通过屏蔽材料后的减弱情况[6-7]，其减弱规律为

(1)

多层屏蔽体的总积累因子B具有如下特性：两层厚度适中的重轻材料组成的屏蔽体，当轻材料靠近源，重材料靠后时，积累因子近似为相应总厚度(以计)的重材料积累因子；反之，则近于两层材料积累因子的乘积[8]。

照射量率积累因子可由泰勒经验公式得到[7]

(2)

改装装置中材料所能达到的辐射屏蔽减弱倍数计算公式如下[8]：

(3)

式中：AS——沾染区域的放射性比活度，Bq·m-3；

Γ——照射量率常数，C·kg-1·m2·Bq-1·s-1；

μ——介质质量线衰减系数；

d——介质厚度，cm；辐射源与计算点间最短距离为r，m；

B——屏蔽照射量率积累因子；

f——照射量率与吸收量率的转换因子；

A1,α1,α2——γ射线的能量函数，通过查表得到。

图4　Fe和Pb质量线衰减系数拟合效果

可以看出，对于低能量的光子Pb具有更好的辐射屏蔽效果，因此采用Pb作为主要的屏蔽材料是合适的。

装置整体所涉及的屏蔽要求有两个影响因素，一为改装船舶中人员所受照射剂量率与法规中剂量率限值之间的屏蔽倍数要求；另一为改装装置本身所能达到的屏蔽减弱倍数。依据ICRP26号建议的事故区域人员的剂量标准限值，救援及被救人员全身均匀照射下的剂量当量限值取为50 mSv，以福建宁德核电站距市区32 km为例，普通船舶救援时间加上沾染区域往返航行时间约耗费2 h(以航速20 kn计)，改装装置需要达到的辐射屏蔽减弱倍数为

式中；t——船舶在沾染区域停留时间，h；

S——人员剂量当量限值，mSv；

Si——人员在未上船前沾染辐射剂量当量，mSv。

对于本设计中的辐射屏蔽结构(见图5)而言，由于海上大气弥散环境下主要的放射性核素有131 I、137 CS、131 Xe等放射性元素，因空气中散射的缘故其光子能量较低，在计算中偏安全考虑，以137Cs的发射光子(0.667 MeV)屏蔽效果进行参数选取和计算。

图5　屏蔽层结构示意

由图5可见，主要的辐射屏蔽层厚度为6 mm不锈钢板+10 mm铅板，两铅板之间的屏蔽缝隙由一定高度的T型材腹板弥补，由式(3)计算得到改装设备屏蔽层结构的屏蔽减弱倍数：N2=3.42。两个屏蔽倍数中，需满足N2≥N1，若不满足，需增加改装设备的屏蔽减弱倍数，即增大屏蔽层厚度。

在大气弥散中，因光子能量多次散射，其经反散射后光子能量E计算公式为[8]

(5)

式中：E0——光子初始能量；

θ——入射射线与反射射线间夹角。

由式(5)并结合图4可见，粒子经多次反散射后，其能量水平不断降低，采用Pb等高原子序数的材料是较为合适的。

4　改装设备辐射屏蔽试验验证

4.1试验前准备及步骤

试验所需设备：137Cs放射源一个，活度为4.144×108Bq；便携式BH3103B χ-γ剂量率仪1台；联合工作服3套，个人剂量计3套；细长木杆1根(1.6 m)，卷尺1把，直尺1把，三角尺1把，记号笔1支，胶布1卷，粉笔若干，镊子1把；6 mm钢板+10 mm铅的改装设备主体屏蔽板2块，尺寸见图6。

测量步骤参考船用放射性储存罐辐射安全检测流程，具体如下[5]：①主体屏蔽区域尺寸丈量；②环境本底测量；③无屏蔽参考值测量，此时测量方式为将放射源固定到木杆上，与板中心测量点重合且距顶端50 cm，再将BH3103B便携式剂量仪的探测器前端面放置到离木杆前端面16 mm位置(此厚度为被测屏蔽结构壁厚)，测量出无屏蔽时探测器端面距放射源为51.6 cm时的剂量率值并记录；④屏蔽效果检验测量，加主体屏蔽板后，测量方式与步骤3一致，且6个测量数据为一组。

4.2试验数据及分析

经过以上测量过程，重点针对铅板中心处、斜面的剂量值，得到一系列防护改装设备的屏蔽测量数据见表2。

图6　两种屏蔽主体板外形尺寸示意

图7　主体防护区域点源放射性屏蔽试验(中部有开孔)

表2　放射性屏蔽测量数据结果

分析测量数据可以看出以下特征。

1)试验所得到的屏蔽主体结构在137Cs点源0.662 MeV能量下的整体屏蔽减弱倍数为3.5至5倍之间，考虑到以点源进行屏蔽试验的情形，与计算值较为吻合。

2)实际斜面处因射线斜入射效应其屏蔽减弱倍数应比非斜面情形更高一些，但因采用点源近距离屏蔽实验，粒子散射影响较为严重，造成斜面处屏蔽减弱倍数较低。

3)在船舶表面铺设的改装设备形状对屏蔽效果影响不大，试验中采用的梯形面适用于上层建筑表面铺设，方形面适合在甲板等平坦区域铺设，扣除测试环境散射影响后分析可知屏蔽主体结构形状对屏蔽效果影响不大。

4)对于舷窗开孔区域，可采用等屏蔽效果的铅玻璃，以满足屏蔽与观察的双重需求。

5　结论

1)沿用辐射安全检测方法[5]，对比数值计算结果和试验测量结果，验证了应急核防护改装装置在点源辐射屏蔽方面的减弱效果，对于船舶需要在严重辐射影响水域停泊时可适当增加Pb屏蔽层厚度来提升屏蔽减弱效果，但不同辐射环境下的对应屏蔽结构厚度尚需进一步研究。

2)该核防护改装装置可实现核应急等突发状态下，对民用船舶进行一定核防护能力改装并使其具备在核素沾染区域进行大规模人员撤离的能力。改装后可降低船舶撤离时相关人员照射剂量超标的危险，同时增加船上可安全利用的舱室空间。为达到短时间内对船舶快速改装的要求，其结构设计方案仍待进一步优化。

[1] 宁莎莎,福岛核事故典型气载放射性核素的弥散及辐射剂量研究[D].上海:上海交通大学,2013.

[2] 王元，王少明，于雷.船舶核动力装置一回路小破口失水事故处置规程研究[J].船海工程,2008,37(5):102-105.

[3] 方勇.舰船核生化防御措施及规避行为[J].船海工程,2013,42(4):131-133.

[4] 王洪剑.船用核动力装置小破口冷却剂丧失事故处理研究[J].船海工程,2012,41(1):124-126.

[5] 张伟，王东涛，仲晨华，等.化学品船用放射性储存罐辐射安全性检测[J].船舶工程，2010,32(3):72-74.

[6] 汤彬，葛良全，方方.核辐射测量原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,2011:83-85.

[7] 尚爱国，过惠平，秦晋.核武器辐射防护技术基础[M].西安：西北工业大学出版社,2009:142-152.

[8] 中国科学院工程力学研究所.γ射线屏蔽参数手册[M].原子能出版社,1976.

[9] 李星红．辐射防护基础[M]．北京: 原子能出版社，1982．

[10] 刘虹,刘飞,王斌.海上核生化安全威胁与水面舰艇集体防护[J].舰船科学技术,2011,33(7):150-155.

Design of Ship Equipment Refit to Nuclear Protection Under the Nuclear Accident Emergency

GAO Hua-chao1, ZHONG Chen-hua1, LUO Peng2, MOU Jin-lei1

(1 Dept. of Ship Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2 Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

During the process of nuclear emergency, there exist some requirements such as evacuation and rush transportation of equipment by using the method of shipping, to design a kind of modification device which could serve basic nuclear shielding effect in nuclide dispersion conditions. Though the combination of lead plate, stainless steel and lead ore shielding structure design, and during the designing and experimenting, the main parameters are thoroughly demonstrated through calculation and point source experimental measurement data. The experiment and simulation data conformable indicates that the modified ship equipment has good shielding effect for γ radiation.

ship; evacuation; nuclear protection; retrofit ship

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.020

2015-08-11

2015-10-15

国家自然科学基金青年项目(51309231)

高化超(1990-)，男，硕士生

U661.74；X591

A

1671-7953(2016)01-0103-06

研究方向:舰船核防护

E-mail:1005033520@qq.com