民用核动力舰船辐射分区准则研究

李文博，何 莉，吴荣俊，陈 艳，李晓玲，贾靖轩

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引 言

随着建设海洋强国战略方针的稳步推进，我国启动了海洋核动力平台、核动力矿砂船等多型民用核动力舰船的设计和建造。由于搭载核动力装置，核动力舰船应保证在所有运行状态下舰船内的辐射照射或由于任何计划排放放射性物质引起的辐射照射保持低于规定限值并且合理可行尽量低[1-3]。基于ICRP 第103 号出版物《国际放射防护委员会2 0 0 7 年建议书》（ 下文简称ICRP103）、IAEA 安全标准《国际辐射防护和辐射源安全基本安全标准》（下文简称IAEA GSR Part3），以及国家标准《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》（下文简称GB18871），为了便于辐射防护管理和职业照射控制，核动力舰船应进行合理的辐射分区，指定控制区和监督区边界，辐射分区应为核动力舰船总体布置、屏蔽设计和通风净化系统设计提供依据。

虽然陆上核电厂辐射分区有法规标准可依，但是核动力舰船具有空间小、设备布置紧凑、辐射源项集中、工作人员需要长期生活和工作在舰船上等特点，陆上核电厂的辐射分区准则并不完全适用于核动力舰船。本文基于核动力舰船的特点，结合陆上核电厂辐射分区准则，借鉴国内外辐射防护最新研究成果，提出一个合理可行的民用核动力舰船辐射分区准则。

1 陆上核电厂辐射分区准则

世界各国的陆上核电厂辐射分区准则存在很大差异，且一般仅给出推荐的辐射分区示例，允许不同核电厂采用不同的辐射分区。我国目前已经运行的核电厂由于设计和管理理念不同，没有统一的辐射分区准则，辐射分区不尽相同。本节给出并对比了4 个陆上核电厂辐射分区示例，以供核动力舰船辐射分区准则设计借鉴。IAEA 安全标准《核电厂辐射防护设计》（下文简称IAEA NS-G-1.13）给出的辐射分区示例如表1 所示，与我国现行标准差异较大。国家核安全导则《核电厂辐射防护设计征求意见稿》（下文简称HAD102/12）给出的辐射分区示例如表2 所示，主要参考了核行业标准EJ/T270《核电厂运行辐射防护规定》和《压水堆核电厂厂内辐射防护分区设计准则》（下文简称EJ/T316）。能源行业标准《压水堆核动力厂厂内辐射分区设计准则》（下文简称NB/T20185）是我国压水堆核电厂辐射分区的现行标准，替代了核行业标准EJ/T316，其给出的辐射分区示例如表3 所示。大亚湾等核电厂实际采用的辐射分区主要基于法国标准法规对核电厂辐射分区设计的要求，如表4 所示（法国标准法规还给出了弥散在空气中的放射性核素的最大容许限值[4]）。

上述标准法规给出的陆上核电厂辐射分区示例的共同点主要包括：

1）都按照IAEA GSR Part3 的要求划出了监督区和控制区，并且将控制区划分为若干个子区。

表 1 IAEA NS-G-1.13 给出的辐射分区示例Tab.1 Example of Radiation Zoning of IAEA NS-G-1.13

表 2 HAD102/12 给出的辐射分区示例Tab.2 Example of Radiation Zoning of HAD102/12

表 3 NB/T20185 给出的辐射分区示例Tab.3 Example of Radiation Zoning of NB/T20185

表 4 大亚湾等核电厂实际采用的辐射分区Tab.4 Example of radiation zoning adopted by daya bay nuclear power plant

2）监督区的个人年有效剂量上限一般为5 mSv。

3）一般不考虑控制区和监督区以外的区域。

不同点主要包括：

1）使用的量不同，IAEA NS-G-1.13 给出的是运行实用量剂量当量率上限，其他则给出辐射防护量有效剂量率上限。

2）对内照射的考虑不同，NB/T20185 分别给出了场剂量率（外照射）上限和气载放射性活度浓度（内照射）上限，而其他分区准则给出的是有效剂量率（包括外照射和内照射）上限。

3）控制区的剂量约束不同，多采用职业照射年有效剂量限值20 mSv，而HAD102/12 则取用了15 mSv。

4）各辐射分区剂量率上限和居留特性不同，尤其是IAEA NS-G-1.13 与国内相关标准法规的差异很大。

5）控制区子区的数目不同，从4 个到6 个不等。

2 核动力舰船布置特点

陆上核电厂反应堆功率大，系统复杂，辅助设施多，设备尺寸大，占地面积广。核岛主要由反应堆厂房（即安全壳）、核辅助厂房等构成，在高度方向上被划分为多个平台，每个平台又划分为多个房间，安全壳内单个设备可占据多个房间。

然而核动力舰船受总体空间限制，反应堆与蒸汽发生器、主泵等一回路系统设备一般紧凑布置于安全壳内，构成核动力舰船最主要的辐射源项。安全壳内一般不设置实体屏障用于隔离各系统设备，其内部空间可以视为一个整体。乏燃料水池、放射性废物存储箱等辐射源项一般与安全壳共同布置于反应堆舱，正常运行状态下核动力舰船所有放射性源项基本都包容在反应堆舱内部。海洋核动力舰船与陆上核电厂最大的区别就在于其反应堆功率小，设备尺寸小，设备布置紧凑且隔离程度低，放射性源项集中。另外，与陆上核电厂不同，核动力舰船上的工作人员需要长期工作生活在核动力舰船上。

3 民用核动力舰船辐射分区准则

本节参考陆上核电厂辐射分区示例，借鉴辐射防护最新研究成果，基于核动力舰船的特点，提出了一个合理可行的民用核动力舰船辐射分区准则，如表5所示。本节对其所采用的参数和假设，以及相关考虑进行探讨和说明。

表 5 民用核动力舰船辐射分区准则示例Tab.5 Example of radiation zoning principle of nuclear power ship

3.1 工作人员滞留时间

核动力舰船需要常年停留在海洋上作业，为确保工作人员的身心健康，假定工作人员每年滞留在核动力舰船上的时间小于4 000 h（约半年），且每年在监督区和控制区工作的时间小于2 000 h（即每天工作时间小于12 h）。

3.2 表面污染

辐射分区需要同时考虑贯穿辐射、空气污染水平和表面污染水平，其中表面污染的空间分布具有较大不确定性，且比较容易去除，一般在核电厂运行后再加以控制。核动力舰船辐射分区对表面污染水平的要求可参照NB/T20185 执行。

3.3 生活场所

陆上核电厂工作人员虽然工作于厂内，却生活于厂外，而核动力舰船常年停留在海洋上作业，工作人员需要长期、不间断的工作、生活于舰船上，核动力舰船从功能上可划分为生活场所（包括食堂、阅览室等）和工作场所。依据ICRP103 对工作人员的定义“任何专职、兼职或临时性受雇于雇主，并且清楚关于职业放射防护的权利和义务的人员”，包括厨师、阅览室管理员等在内的所有受雇于核动力舰船的人员都是工作人员（相对于公众），其所受照射类型都属于职业照射。虽然生活场所和工作场所更接近于功能分区，但是从辐射分区角度划出生活场所更有利于引导核动力舰船将生活场所布置在远离辐射源的区域，有利于引导厨师等普通工作人员尽可能远离辐射源，避免接受不必要的辐射照射，减小核动力舰船的集体有效剂量。

3.4 非限制区

GB18871 在 “辐射工作场所的分区” 章节中规定“应把辐射工作场所分为控制区和监督区，以便于辐射防护管理和职业照射控制”，NB/T20185 基于此要求将工作场所划分为非辐射工作场所和辐射工作场所，辐射工作场所又划分为控制区和监督区。然而，将控制区和监督区外的所有其他区域定义为非辐射工作场所不合适，因为该区域内来自核动力装置的辐射照射虽然比较小，但并不是可以忽略不计的，尤其是靠近监督区边界的区域。参照HAD102/12 和EJ/T316，核动力舰船沿用了与其设计要求相一致的命名，即非限制区。 另外， GB18871 主要参考了IAEA GSR Part3，而IAEA GSR Part3 的规定是应划出工作场所的控制区和监督区，并没有认为其他区域为非辐射工作场所，为了与国际标准保持一致，使用 “非限制区” 合理。

3.5 外照射与内照射

鉴于外照射和内照射的比例一般难以确定，而不论剂量限值还是剂量约束都需要同时考虑内照射和外照射，HAD102/12 给出了同时包括内照射和外照射的有效剂量率上限，而NB/T20185 则分别给出了场剂量率（外照射）上限和气载放射性活度浓度（内照射）上限。辐射分区的功能是为核动力舰船的屏蔽设计和通风净化系统设计提供依据，屏蔽设计的关注点是外照射，而通风系统设计的关注点则是内照射。为屏蔽和通风净化2 个独立系统设置独立的剂量率上限能够在一定程度上便于辐射屏蔽和通风净化系统的设计和考核。

3.6 场剂量率

场剂量率定义为由辐射源造成的外照射有效剂量率，通常可以用距离辐射源或辐射贯穿位置任意表面30 cm 处的剂量当量率代表。虽然辐射监测仪表显示的测量结果多为剂量当量率（IAEA NS-G-1.13 使用剂量当量率上限的原因），但考虑到不论是人相关的剂量限值还是源相关的剂量约束都是指有效剂量，而且辐射屏蔽计算的结果也多为有效剂量率，所以将场剂量率定义为外照射引起的有效剂量率更为合适。

3.7 导出空气剂量率

目前国内外辐射分区准则主要采用导出空气浓度的概念来限制空气污染程度。ICRP 1990 年建议书定义了放射性核素j 的年摄入量限值ALIj和导出空气浓度DACj，其中ALIj是工作人员受放射性核素j 照射所产生的有效剂量等于剂量限值时放射性核素j 的活度摄入量，DACj是导致一个ALIj时核素j 在空气中的活度浓度，其定义如下所示[5-6]：

其中e（50）j是核素j 所对应的参考待积有效剂量系数[2, 6, 7]， Elimit,w的推荐值是工作人员年有效剂量限值20 mSv。DACj的定义假定了一年的工作时间为2 000 h，按性别平均的呼吸率为1.1 m3h-1。

DADR 与人员的工作时间无关，且考虑了所有放射性核素产生的内照射剂量，与场剂量率相对应，更适合于辐射分区准则使用。

3.8 剂量约束与剂量限值

ICRP103 给出的年有效剂量限值是人相关的，而辐射分区设计应采用源相关的剂量约束[6,8]。ICRP103建议计划照射情况下职业照射的剂量约束值应大于1 mSv/a 且小于20 mSv/a[6]。考虑到同一海域可能有多艘核动力舰船共同作业，核动力舰船的剂量约束使用了HAD102/12 辐射分区示例推荐的15 mSv/a。

控制区的辐射水平最高，对人员有效剂量的贡献最大，其剂量约束采用核动力舰船的剂量约束15 mSv/a。监督区的剂量约束是辐射防护最优化原则的应用，其数值应介于非限制区和控制区的剂量约束，国内外相关标准一般都采用5 mSv/a 作为监督区的剂量上限，核动力舰船监督区的剂量约束沿用了5 mSv/a。考虑到公众的个人年有效剂量限值为1 mSv，且1 mSv/a 已小于天然辐射剂量世界平均值2.4 mSv/a[9]（我国平均值为2.3 mSv/a[10]），非限制区的合理目标是保证该区域内工作人员得到与公众同样水平的防护，采用1 mSv/a 作为非限制区剂量约束合理。

剂量约束是进行防护最优化设计时预期剂量的上限，核动力舰船最优化设计过程中应在可合理达到的范围内尽量减小各辐射分区的辐射水平，降低核动力舰船的集体有效剂量。

3.9 剂量率上限

核动力舰船辐射分区的场剂量率上限由剂量约束除以限定工作时间得到，而导出空气剂量率上限由相应剂量约束的十分之一除以限定工作时间得到。

虽然无法完全规避外照射，但是通过设置负压系统及完善的通风净化设施，核动力舰船存在空气污染的风险较小。依据辐射防护最优化原则，核动力舰船运行状态下应尽量避免空气污染在一定区域内长期存在，存在污染时应尽快采取措施予以去除。岭澳等国内核电厂设计阶段要求必须尽一切努力来确保包括常规工作区在内的大部分区域的空气污染可以忽略不计。参照NB/T20185 对气载放射性活度浓度的要求，核动力舰船控制区的内照射年有效剂量上限取为剂量约束的1/10（1.5 mSv），并且要求其他区域的空气污染可以忽略不计。

值得注意的是，对于控制区，当场剂量率和导出空气剂量率都接近其限值时，工作人员所受到的个人年有效剂量最大可达到16.5 mSv/a，虽然概率极小。虽然大于核动力舰船的剂量约束15 mSv/a，但仍小于工作人员年有效剂量限值20 mSv，所以合理。

对于非限制区和生活场所，基于1 mSv/a 剂量约束以及4 000 h 年限定工作时间的场剂量率上限是0.25 μSv/h，与世界平均天然辐射有效剂量率0.27 μSv/h[9]相当。该区域空间范围大，要求其内部所有位置（尤其是邻近监督区位置）的场剂量率都处于如此低的水平不合适，所以核动力舰船辐射分区准则仅要求非限制区和生活场所的个人年有效剂量小于1 mSv。

3.10 控制区子区数目

陆上核电厂系统复杂，设备尺寸大，辐射源分散且源强跨度大，控制区内各房间辐射水平和污染水平差别很大，控制区划分更细致。而核动力舰船主要放射性源项都紧凑布置于安全壳和反应堆舱内，辐射源集中且各辐射源之间基本没有实体屏障隔离，进行辐射分区时安全壳和反应堆舱都可视为一个整体，核动力舰船控制区划分为3 个子区即可。

4 结 语

本文基于核动力舰船的特点，借鉴陆上核电厂辐射分区要求，提出了一个适合民用核动力舰船的辐射分区准则。辐射分区准则设计中提出了生活场所、导出空气剂量率等概念，辐射分区准则合理可行，可以作为民用核动力舰船总体布置、屏蔽设计、通风净化系统设计的依据。