小型堆断电事故下放射性后果研究

欧阳可汉，陈文振

（海军工程大学核科学技术学院，湖北 武汉430033）

小型堆断电事故是指可靠电源丧失诱发的事故进程未得到有效缓解的严重核事故。因丧失电源，大部分核动力装置不能正常工作，高温的核反应堆堆型不能得到冷却，甚至发生熔化，同时大量的放射性核素将释放到环境中而带来严重的放射性后果。2011年3月11日日本福岛第一核电厂发生的严重核事故便是由于地震诱发海啸使电厂内外电源丧失所导致的，据报道事故约释放1.6×1017Bq的131I、1.5×1016Bq的137Cs，给周围环境带来巨大的放射性污染[1]。鉴于严重核事故带来的放射性危害，世界各国相继投入了大量的人力、物力进行放射性后果研究。廉海波等利用MELCOR程序建立了小型堆大破口失水事故的仿真模型，分析了事故进程及放射性核素释放源项，并采用MACCS程序计算了放射性剂量后果[2]。宁莎莎等用大气扩散CALPUFF模型对福岛核事故释放的放射性核素大气扩散进行分析，并根据核素在环境中的转移机制建立了放射性后果的计算模型[3]。梅其良等用MACCS程序量化分析了AP1000发生各潜在的严重核事故下给周围公众带来的健康风险[4]。张海霞等针对中国先进研究堆（CARR）开展了严重事故下辐射后果的研究，并提出了有效的辐射后果缓解措施[5]。从公开的文献报道来看，目前关于小型堆断电事故下放射性后果的研究较少，几乎没有。小型堆和电站堆得用途、运行环境存在差异，发生严重断电核事故后源项释放途径也有差异。电站堆的相关研究结论不一定完全适用于小型堆，因此，有必要开展小型堆断电事故下放射性后果的研究。

本文采用课题组前期得到的小型堆断电事故进程及释放源项数据，以国际上进行核事故后放射性后果评价的权威程序之一的MACCS为仿真工具，建立了放射性后果计算模型。考虑到器官的辐射敏感性及其遭受的放射性照射途径，以有代表性的全身有效剂量当量和肺、甲状腺、红骨髓吸收剂量为例分析了断电事故下放射性后果。

1 计算模型

本文采用的MACCS程序是Sandia国家实验室为美国核管会开发的严重事故风险评估程序，主要用于计算放射性核素大气释放造成的放射性后果[6]。MACCS程序分布后几经改进，目前被广泛应用于核事故下放射性健康后果及经济代价的评价，有学者用它研究放射性核素的大气扩散、应急计划区的划分、放射性剂量后果的评估[7-9]。

1.1 大气扩散模型

MACCS采用分段高斯烟羽模型计算放射性核素的大气扩散，模型的基本公式为：

其中，C（x，y，z）为下风向（x，y，z）处空气中放射性核素的时间积分浓度，Bq·s/m3；Q 为源强，Bq；u¯为平均风速，m/s；σy与σz分别为水平方向和垂直方向的大气扩散参数，m；H为烟羽中心高度，m；L为混合层高度，m.

1.2 剂量计算模型

在事故应急阶段计算剂量后果时，主要考虑照射途径：放射性烟云直接外照射、沉积到下垫面的放射性物质外照射、吸入放射性物质造成的内照射。本文只计算应急阶段能造成人员死亡、损伤的急性照射剂量，不计算评价癌症风险的终身剂量。

（1）烟羽外照射

采用“半无限烟云”的假定计算烟羽外照射，一个烟羽段通过空间精细网格后，器官受到的烟云外照射剂量计算公式：

其中，DCk为器官k受到的烟云外照射剂量，Sv；为烟羽中心线上空气中核素i时间积分浓度，Bq·s/m3；DFC∞ik为核素i对器官k的半无限烟云剂量转换因子，Sv·m3/（Bq·s）；C为网格中核素分布的空间校正因子（无量纲数）；F为烟羽通过网格时人员的受照时间份额；SFC为烟羽外照射屏蔽因子。

（2）沉积外照射

烟羽通过空间网格时，部分放射性核素将因干沉降而沉积到下垫面，如果有降雨，还将因雨水的冲洗而沉积。沉积在下垫面的核素将产生外照射。在烟羽段通过阶段，在t0时刻沉积的核素对器官k的外照射剂量率计算公式：

其中，GDRk（t0）为t0时刻空间网格内烟羽轴线下沉积的核素对器官k的外照射剂量率，Sv/s；GCi（t0）为烟羽轴线下沉积的核素浓度，Bq/m2；DRFCik为核素i沉积剂量率到器官k外照射剂量的转换因子（无量纲数）；J为核素浓度的空间校正因子（无量纲数）；SFG为沉积外照射屏蔽因子（无量纲数）。

（3）吸入内照射

烟羽通过时核素将因人体的呼吸作用而进入体内，直接吸入核素而造成的内照射剂量的计算公式：

式中，DIk为烟羽通过网格而对器官k造成的内照射剂量，Sv；ACi为烟羽轴线下近地面空气中核素的时间积分浓度，（Bq·s）/m3；DFIik为核素 i对器官 k的吸入内照射剂量转换因子，Sv/Bq；BR为呼吸率，m/s；J为空间校正因子（无量纲数）；SFI为内照射屏蔽因子（无量纲数）。

2 计算条件

2.1 事故源项

采用课题组前期计算出的事故进程及源项数据，具体见文献[10]中所述。核素释放划分3阶段，第1阶段为t0~t0+884 s，释热率为110.1 W；第二阶段为 t0+884~t0+25584 s，释热率为23 637.8 W；第三阶段为t0+25584~t0+61584 s，释热率为7 513 W.每组核素在各阶段的释放份额如表1所示。

表1 全船断电事故后核素释放份额

2.2 计算条件

根据MACCS程序的计算网格划分规则，以事故后源项释放位置为原点，在极坐标下确定网格，在径向上由35个圆划分出35个单元，各同心圆的半径大小分别为 0.15、0.5、1.2、1.6、2.2、3.2、4.0、4.8、5.6、6.0、7.5、8.5、9.5、10.8、12.5、15.1、17.5、19.5、21.5、24.5、27.5、29.0、32.5、35、36.0、37、38、40、45、50、55、60、65、70、75（单位为km）。在圆盘角度上进行16等分，划分出16个方位，径向划分出的单元再分成16个扇区，如图1所示为计算网格示意图。大气稳定度为F，风速为1 m/s，无降雨。干沉积速度取值为：惰性气体无沉积现象；其它核素主要以气溶胶的形式存在，MACCS程序认为核素的粒径大小服从正态分布，干沉降速度统一取0.01 m/s[11].剂量计算时不考虑采取撤离、隐蔽、碘防护等防护行动。

图1 研究域网格划分示意图

3 结果及分析

图2为小型堆断电事故下下风轴线上甲状腺、肺、红骨髓的吸收剂量，由图可知，在源附近全身、甲状腺、肺、红骨髓的吸收剂量最高，在下风轴线上离源75 m处，肺的吸收剂量为200 Sv、甲状腺的吸收剂量达到1420 Sv、红骨髓的吸收剂量为160 Sv、全身有效剂量当量达到426 Sv，人员如果未采取有效的防护措施会遭受十分严重的放射性急性损伤，将直接死亡；随着距离的增加，全身有效剂量当量和甲状腺、肺、红骨髓的吸收剂量迅速下降，在下风轴线上离源1 km处，肺、甲状腺、红骨髓的吸收剂量分别约下降至 3.51 Sv、24 Sv、2.83 Sv，全身有效剂量当量下降至10.3 Sv.在下风向距离源约0.81 km、1.63 km、2 km处肺、红骨髓、甲状腺的吸收剂量分别为6 Sv、1 Sv、5 Sv.参考GB18871-2002推荐的急性照射的剂量行动水平，可知在下风轴线上离源1.63 km内，将出现死亡效应，而在2 km内会出现甲状腺机能衰退。

图2 断电事故下甲状腺、肺、红骨髓吸收剂量

图3 为小型堆断电事故下下风轴线上全身有效剂量当量，参考GB18871-2002推荐的应急照射下的通用优化干预水平，可知：在下风轴线上距离源约6.7 km内全身有效剂量当量大于100 mSv，需要采取服碘防护措施；在下风轴线上距离源约8.5 km内全身有效剂量当量大于50 mSv，需要采取紧急撤离防护行动；在下风轴线上距离源15.6 km内全身有效剂量当量大于10 mSv，需要采取紧急隐蔽防护行动。在下风向距离源34 km范围外全身有效剂量当量小于1 mSv，且肺、红骨髓、甲状腺的吸收剂量也很小，人员几乎不受放射性的影响。

图3 断电事故下全身有效剂量当量

4 结论

针对关于小型堆断电事故下放射性后果的研究是尚属空白的现状，本章开展相关的研究以期解决此问题。采用课题组前期得到的严重事故进程及释放源项数据为输入，以国际上进行核事故后放射性后果评价的权威程序之一的MACCS为仿真工具，建立了小型堆断电事故下放射性后果的计算模型。考虑到器官的辐射敏感性及其遭受的放射性照射途径，以有代表性的全身有效剂量当量和肺、甲状腺、红骨髓吸收剂量为例分析了事故下放射性剂量后果。

结果表明：小型堆发生断电严重核事故后在下风向源附近处遭受的放射性后果最为严重，将出现死亡效应；在下风轴线上离源1.63 km内，将出现死亡效应，而在2 km内会出现甲状腺机能衰退；在下风轴线上距离源约6.7 km内，人员需要采取服碘防护措施；在下风轴线上距离源约8.5 km内，人员需要紧急撤离；在下风轴线上距离源15.6 km内，人员需要紧急隐蔽；在下风向距离源34 km范围外，人员几乎不受放射性的影响。