小型堆大破口失水事故放射性后果研究?

廉海波 王 偉 王 坤

1 引言

冷管段雙端斷裂大破口失水事故不僅會(huì)破壞堆艙負(fù)壓，也嚴(yán)重威脅堆艙的完整性。目前針對大破口失水事故的研究，還沒有形成較為完善的核應(yīng)急分析理論。事故的源項(xiàng)研究多局限于堆艙內(nèi)，缺乏對其他艙室的放射性分析；或者僅以假設(shè)的源項(xiàng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行艙室放射性分析［1］。本文建立了船用堆艙室模型及全船通風(fēng)模型，對大破口失水事故下堆艙及堆艙鄰艙的源項(xiàng)進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步結(jié)合GB429-1988和GB1067.1標(biāo)準(zhǔn)給出的應(yīng)急情況下的劑量限值，具體分析了事故下投入全船通風(fēng)系統(tǒng)［2～3］對船員受到的輻射照射的緩解情況。通風(fēng)系統(tǒng)的投入，使得放射性核素排入大氣環(huán)境，在海上運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)直接影響到船外救援決策的實(shí)施和附近航行的其他船只人員的生命健康。通過本文的研究工作，能夠?yàn)榇枚寻l(fā)生大破口失水事故時(shí)的船內(nèi)外應(yīng)急預(yù)案的制定及應(yīng)急救援工作的實(shí)施提供指導(dǎo)和幫助。

2 艙室控制體建模

本文的研究對象是典型的雙環(huán)路壓水堆，艙室控制體及通風(fēng)系統(tǒng)建模如圖1所示。主管道雙端斷裂的位置位于冷管段，破口發(fā)生后冷卻劑泄漏至堆艙，堆艙前艙為Ⅰ艙，堆艙后艙為Ⅱ艙。Ⅰ艙和Ⅱ艙兩個(gè)艙室的容積比為0.5，兩個(gè)艙室通過共用的通風(fēng)管道與大氣連通。啟動(dòng)船內(nèi)風(fēng)機(jī)，即可將兩個(gè)艙室放射性核素排出船外。

圖1 艙室控制體節(jié)點(diǎn)劃分

3 初始條件及事故進(jìn)程

1）計(jì)算初始條件

嚴(yán)重事故初始事件為滿功率運(yùn)行的船用堆發(fā)生雙端斷裂大破口失水事故，冷卻劑大量泄漏至堆艙。高溫高壓環(huán)境中，堆艙噴淋和應(yīng)急排風(fēng)系統(tǒng)無法投入，高低壓安全注射系統(tǒng)能夠正常投入［4～6］。

2）事故進(jìn)程分析

0s時(shí)，主管道發(fā)生冷管端雙端斷裂大破口失水事故，冷卻劑大量噴放到堆艙，堆芯水位驟然降低，導(dǎo)致燃料元件和包殼的溫度迅速升高。4.0s時(shí)，包殼破損，開始?xì)庀夺尫烹A段；9.0s時(shí)，一回路低壓停堆信號(hào)觸發(fā)反應(yīng)堆停堆，主泵轉(zhuǎn)低速運(yùn)行，主機(jī)速關(guān)；19.0s時(shí)，一臺(tái)安全注射泵投入運(yùn)行，開始向系統(tǒng)補(bǔ)水，而安注系統(tǒng)的投入會(huì)導(dǎo)致包殼與水的劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生大量氫氣的同時(shí)，伴隨大量釋熱；50.0s時(shí)，堆芯最高溫度超過2308.0K（程序默認(rèn)值）［7-8］，堆芯開始熔化，早期壓力容器內(nèi)釋放階段開始；14053.0s時(shí)，安注系統(tǒng)水源耗盡，進(jìn)入再循環(huán)堆芯冷卻階段，而堆芯補(bǔ)水保證了下封頭和堆芯支撐結(jié)構(gòu)的完整性，使事故始終處于壓力容器內(nèi)釋放階段；120000.0s時(shí)，計(jì)算結(jié)束。主要事故進(jìn)程見表1。

4 艙室劑量分析

為了降低堆艙放射性核素泄漏至鄰艙帶來的危害，對比分析了通風(fēng)系統(tǒng)投入時(shí)刻分別為事故發(fā)生后1min和10min對降低堆艙劑量的影響，從而為通風(fēng)系統(tǒng)干預(yù)提供指導(dǎo)。

表1 主要事故進(jìn)程

由圖2和圖3可見，Ⅰ艙和Ⅱ艙內(nèi)的全身劑量值變化趨勢一致，且通風(fēng)系統(tǒng)投入越早，艙室內(nèi)最高全身劑量值越低。對于Ⅰ艙，事故發(fā)生后1min投入通風(fēng)系統(tǒng)，則艙室內(nèi)最高全身劑量始終未超過劑量限值；事故后10min投入通風(fēng)，187.5min時(shí)，全身劑量達(dá)到最大值，約等于全身劑量限值。對于Ⅱ艙，即使事故后10min投入通風(fēng)，最高全身劑量也僅為劑量限值的0.7。

圖2 Ⅰ艙全身劑量值

圖3 Ⅱ艙全身劑量值

由圖4和圖5可見，Ⅰ艙和Ⅱ艙內(nèi)的甲狀腺劑量值變化趨勢一致，且通風(fēng)系統(tǒng)投入越早，艙室內(nèi)最高全身劑量值越高。無論是事故后1min還是10min投入通風(fēng)，Ⅰ艙和Ⅱ艙內(nèi)的甲狀腺劑量都遠(yuǎn)未達(dá)到劑量限值，最大值分別約為劑量限值的0.2和0.13。

圖4 Ⅰ艙甲狀腺劑量值

圖5 Ⅱ艙甲狀腺劑量值

5 大氣擴(kuò)散研究

5.1 釋放份額及釋熱率

為了計(jì)算釋放入大氣的源項(xiàng)煙羽的抬升及擴(kuò)散，對煙羽的釋放階段、釋放份額及釋熱率進(jìn)行了劃分［9］。

1）釋放階段劃分

根據(jù)上述MELCOR對全船斷電事故計(jì)算的事故進(jìn)程，將放射性核素的大氣釋放劃分為3個(gè)階段，如表2所示。

表2 源項(xiàng)釋放階段劃分

2）釋放份額及釋熱率計(jì)算

選取了對放射性后果起主要影響的惰性氣體類、鹵素類和堿金屬類作為事故的源項(xiàng)進(jìn)行分析，三類核素的代表核素分別為Xe、I和Cs。針對上述4個(gè)釋放階段劃分的煙羽段，分別計(jì)算了各個(gè)煙羽段放射性核素的釋放份額；并通過對煙羽段釋放載熱率的計(jì)算，便于MACCS計(jì)算煙羽釋放后的抬升高度。見表3、表4。

表3 源項(xiàng)釋放份額（%）

表4 煙羽段釋熱率（W）

5.2 放射性計(jì)算分析

分析投入全船通風(fēng)系統(tǒng)后對事故海區(qū)污染的放射性后果，分別從不同的風(fēng)速條件及不同的大氣穩(wěn)定度條件兩個(gè)方面進(jìn)行敏感性分析。為了便于確定船用堆海上核事故的重點(diǎn)劑量輻射區(qū)域，保守的選取風(fēng)速為最小風(fēng)速0.5m/s、大氣穩(wěn)定度為F類、風(fēng)向不變。海上氣象條件復(fù)雜，海面的風(fēng)浪會(huì)將部分放射性物質(zhì)卷入海水，保守假設(shè)海面風(fēng)平浪靜。海水下墊面條件，需屏蔽地面外照射，僅考慮煙云外照射和煙云吸入內(nèi)照射［10］。海水下墊面的大氣擴(kuò)散參數(shù)高于陸地，本文仍然按照平坦地面的大氣擴(kuò)散參數(shù)進(jìn)行研究，具有一定的保守性。

1）不同風(fēng)速條件

分別選取風(fēng)速為0.5m/s、4.0m/s及8.0m/s三種情況進(jìn)行大氣擴(kuò)散分析。大氣穩(wěn)定度為F類、風(fēng)向不變。保守假設(shè)海面風(fēng)平浪靜，海水下墊面條件僅需考慮煙云外照射和煙云吸入內(nèi)照射。大氣擴(kuò)散參數(shù)按照平坦地面的大氣擴(kuò)散參數(shù)進(jìn)行研究，具有一定的保守性。

結(jié)合圖6、圖7可見，在距離釋放源50.0海里海域外，個(gè)人預(yù)期全身劑量及個(gè)人預(yù)期甲狀腺劑量均降低至約0.0Sv。在50.0海里海域內(nèi)，個(gè)人預(yù)期劑量隨距離的增大而遞減，且風(fēng)速越小，預(yù)期劑量越大。預(yù)期劑量的最大值均出現(xiàn)在釋放源［11～12］的位置。0.5m/s風(fēng)速條件下，個(gè)人預(yù)期全身劑量最大值為0.0153Sv，個(gè)人預(yù)期甲狀腺劑量最大值為0.0282Gy，分別為GB429-1988中規(guī)定的一次應(yīng)急事件中船員全身受照劑量限值的6.12%和甲狀腺劑量限值的5.64%，且事故海域的人員無需服用穩(wěn)定碘。

2）不同穩(wěn)定度條件

選取大氣穩(wěn)定度分別為不穩(wěn)定、中性和穩(wěn)定三種情況進(jìn)行大氣擴(kuò)散分析，且風(fēng)速為0.5m/s、風(fēng)向不變。保守假設(shè)海面風(fēng)平浪靜，海水下墊面條件僅需考慮煙云外照射和煙云吸入內(nèi)照射。大氣擴(kuò)散參數(shù)按照平坦地面的大氣擴(kuò)散參數(shù)進(jìn)行研究，具有一定的保守性。

圖6 不同風(fēng)速條件下的預(yù)期全身劑量

圖7 不同風(fēng)速條件下的預(yù)期甲狀腺劑量

結(jié)合圖8、圖9可見，預(yù)期劑量的最大值均出現(xiàn)在釋放源的位置。在距離釋放源50.0海里海域外，個(gè)人預(yù)期全身劑量及個(gè)人預(yù)期甲狀腺劑量均降低至約0.0Sv。在50.0海里海域內(nèi)，中性氣象條件下，個(gè)人所受輻射照射的劑量較低，個(gè)人預(yù)期全身劑量和預(yù)期甲狀腺劑量的最大值分別為7.31e-4Sv和0.00102Gy。

圖8 不同穩(wěn)定條件下的預(yù)期全身劑量

由圖8可見，對于個(gè)人預(yù)期全身劑量，穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩種氣象條件，劑量值隨著距離的增大而減小，且穩(wěn)定氣象條件的劑量大于不穩(wěn)定氣象條件，所對應(yīng)的最高個(gè)人預(yù)期劑量分別為0.0153Sv和0.00515Sv，二者分別為GB429-1988中規(guī)定的一次應(yīng)急事件中船員全身受照劑量限值的6.12%和2.06%。

由圖9可見，對于個(gè)人預(yù)期甲狀腺劑量，穩(wěn)定氣象條件的劑量大于不穩(wěn)定氣象條件，所對應(yīng)的最高個(gè)人預(yù)期劑量分別為0.0282Gy和0.0221Gy，二者分別為GB429-1988中規(guī)定的一次應(yīng)急事件中船員甲狀腺受照劑量限值的5.04%和4.42%。

圖9 不同穩(wěn)定條件下的預(yù)期甲狀腺劑量

6 結(jié)語

分析研究了船用堆海上大破口失水事故通風(fēng)系統(tǒng)的投入對船內(nèi)外放射性后果影響，得出了以下結(jié)論：

1）前輔機(jī)艙劑量大于后輔機(jī)艙且變化趨勢一致。為了保證堆艙鄰艙的劑量輻射在劑量限值內(nèi)，應(yīng)于事故發(fā)生后10min內(nèi)投入全船通風(fēng)系統(tǒng)。若10min后投通風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)于全身劑量和甲狀腺劑量達(dá)到劑量限值前及時(shí)采取防護(hù)措施。

2）假設(shè)海面風(fēng)平浪靜、大氣擴(kuò)散按平坦地形的擴(kuò)散參數(shù)考慮，對放射性輻射后果的分析結(jié)果具有保守性。

3）預(yù)期劑量的最大值均出現(xiàn)在釋放源的位置，且劑量值隨距離的增大而遞減，在距離釋放源50.0海里海域外的人員不會(huì)受到任何劑量輻射危害。

4）風(fēng)速越小，受到的輻射危害越大。穩(wěn)定大氣條件的輻射危害大于不穩(wěn)定氣象條件，在中性氣象條件下，大破口失水事故幾乎不會(huì)造成任何劑量后果。

5）0.5m/s的風(fēng)速條件及穩(wěn)定的氣象條件造成的輻射危害最大，所造成的個(gè)人預(yù)期全身劑量和個(gè)人預(yù)期甲狀腺劑量的最大值分別為GB429-1988中規(guī)定的一次應(yīng)急事件中船員全身受照劑量限值的6.12%和甲狀腺劑量限值的5.64%。大破口失水事故下，事故海域的人員無需服用穩(wěn)定碘。

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