反應堆卸料燃料組件吊運跌落事故輻射安全分析

吳 耀，李 莉，毛常磊，董傳江，左 偉，金 濤

(中國核動力研究設計院, 四川成都 610005)

在某壓水型核動力反應堆卸料過程中，燃料組件吊運是關鍵操作之一。由于燃料組件輻射水平很高，吊運安全風險大，在吊運時發生跌落事故的后果極為嚴重，不但損壞了吊籃和燃料組件，還會增加工作人員及公眾的受照劑量，并污染場地[1]。為此，需要對燃料組件吊運過程中可能發生跌落的事故進行預先分析[2]，評價事故發生后對工作人員及公眾的影響，根據分析的結果提出預防措施和緩解措施，以降低事故發生的概率，當事故發生時能迅速采取有效的緩解措施，減輕事故后果，減少事故所帶來的對人員、公眾、環境及財產的危害，減小事故照射，并使之減少到盡可能小。

1 事故起因分析

反應堆卸料前，制訂了總體技術方案及卸料程序，均經過相關部門組織的專家審查，方案及程序合理、可行。反應堆卸料工作人員都具有相關工作經驗，在工程實施前均進行相應的培訓、考核。操作過程中，在現場有安全監督人員，因此，由工作人員誤操作造成事故的可能很小。吊車、吊具的額定承重量遠高于燃料組件及吊籃的重量。在燃料組件吊運時，還設置了吊具保護吊索及吊具防脫鉤裝置。其中，吊具保護吊索的承載重量遠大于燃料組件及吊籃的重量，當吊籃吊具失效或吊耳損壞時，保護吊索將承載燃料組件及吊籃。在燃料組件吊運前，對吊車進行全面檢修和試驗，并進行模擬吊運試驗。

綜上所述，在燃料組件吊運過程中，不存在人員誤操作、吊具斷裂或與吊籃脫離的情況，在事故分析時，主要考慮由于吊車發生溜鉤而造成燃料組件及吊籃跌落事故。對于橋式吊車，發生溜鉤通常是由于機械系統故障和電氣系統故障引起[3]，具體見表1。

2 事故進程

當吊車發生溜鉤而導致燃料組件跌落事故時，首先，燃料組件掉落至地面，吊籃結構受損，部分燃料元件破損，乏燃料碎片撒落至地面；同時，隨著燃料元件包殼的破損，元件中的裂變氣體逸出。燃料碎片撒落至地面，造成工作場所地面污染；而裂變氣體逸出，迅速擴散至整個工作場所，工作場所空氣中的放射性核素含量迅速增大，由于在燃料組件吊運時，工作場所的通風系統處于運行狀態，逸出的裂變氣體經排風系統排出，進入大氣環境。

3 事故緩解措施

事故發生后，采取的緩解措施如下：

(1)工作人員立即停止吊運操作，無關人員迅速撤離現場；

(2)封閉操作大廳，防止放射性氣體在大廳周圍擴散，造成較大范圍的污染；

(3)加強操作大廳的通風，監視排風塔排出流放射性活度濃度變化；

(4)啟動全部固定輻射監測系統，對污染區域輻射水平進行測量，掌握事故現場的輻射水平；

(5)現場工作負責人員立即將情況報告給應急指揮部；

(6)醫療救護組接到命令后進入操作大廳外待命；

(7)劑量監測人員檢查操作大廳門外劑量，根據實際水平，劃出警戒隔離區域，放置放射性標志，禁止非應急人員進入規定的禁區；

(8)啟動應急監測評價程序，派出應急監測車，對環境輻射狀況進行監測評價。

表1 橋式吊車發生溜鉤的原因

4 事故處理程序

事故發生后，事故處理人員穿戴好防護用具，迅速進入事故現場，對事故進行處理，具體的處理程序如下[6,7]：

(1)吊車操作人員在屏蔽操作室操作主鉤電機，點動抬升主鉤，使吊籃離開地面800 mm～1000 mm，再運行吊車大車移動吊籃，在移動過程中，如主鉤繼續溜鉤，當吊籃接近地面(約300 mm)時，操作主鉤電機，將吊籃提高，確保吊籃在移動過程中不再掉落至地面，如此緩慢將燃料組件及吊籃吊運至保存水池就位于吊籃支架上；

(2)對撒落至地面的燃料碎片，工作人員使用長桿工具對其進行清理，收集在專用容器中，吊車操作人員在屏蔽操作室操作吊車，將專用容器吊運至安全區域；

(3)工作人員對事故現場進行清洗、去污，去污后進行輻射水平及表面污染監測；

(4)提出事故處理后續方案，報上級有關部門審查后，進行后續處理。

5 事故后果分析

5.1 源項

5.1.1 燃料組件存留量

在反應堆卸料時，其乏燃料組件中放射性核素的含量[8,9]依據其運行史，利用ORIGEN2程序進行計算[10,11]，計算結果如下：

反應堆卸料時(停堆約5年)，按最深燃耗(約為20.1%)計算的每組燃料組件中放射性核素總活度為1.39×1013Bq，其中，85Kr的放射性總活度為2.82×1011Bq；按平均燃耗(約為16.9)%計算的每組燃料組件中放射性核素總活度為1.11×1013Bq，其中，85Kr的放射性總活度為2.37×1011Bq。

5.1.2 事故源項分析

在進行事故分析時，首先需假設或估算確定破損元件數量、放射性氣體釋放量、燃料碎片撒落量及輻射水平。

(1)破損元件的數量

在燃料組件吊運過程中，由于吊車溜鉤，致使燃料組件及吊籃整體跌落至地面，導致吊籃結構受損，所有燃料組件中的多個燃料元件破損。在進行事故分析時，根據跌落高度、地面條件及燃料組件的結構等情況，保守估計所有破損燃料元件的數量不超過10組燃料組件中總的元件數量。

(2)放射性氣體釋放量

事故發生后，破損的燃料元件中的85Kr迅速釋放，進入工作場所空氣中，成為氣體中主要的放射性核素，總活度約為2.82×1012Bq。

(3)燃料碎片撒落量

事故發生后，所有燃料組件及吊籃跌落至地面，導致吊籃結構受損，各燃料組件中的多個燃料元件破損，部分燃料碎片撒落到地面上。在進行事故分析時，根據跌落高度、地面條件及燃料組件的結構等情況，保守估計撒落到地面上的燃料碎片不超過1組燃料組件中總的燃料量。

(4)輻射水平

利用MCNP程序對燃料組件的輻射水平進行計算[12]。其中，所有燃料組件的整體的輻射水平見表2，空吊籃的輻射水平見表3；單組燃料組件的輻射水平見表4。

表2 所有燃料組件整體的γ輻射水平

表3 空吊籃γ輻射水平

表4 單組燃料組件γ輻射水平

5.2 受照劑量分析

5.2.1 浸沒外照射

事故發生后，85Kr迅速釋放并彌散整個操作大廳，假如工作人員不能及時撤離，將會造成浸沒外照射。

浸沒外照射受照劑量按下式計算：

H浸=X·g·Δt

式中：H浸—沒外照射個人有效劑量，Sv；

X—空氣中放射性氣體的活度濃度，Bq/m3；

g—單位累積空氣濃度的有效劑量率，(Sv·d-1)·(Bq·m-3)-1；

Δt—工作人員停留時間，h。

操作大廳的容積為2.02×104m3，在最保守情況下，即不考慮大廳排風的影響，則空氣中85Kr的活度濃度為1.40×108Bq·m-3；對于85Kr，單位累積空氣濃度的有效劑量率為2.2×10-11(Sv·d-1)·(Bq·m-3)-1；假設工作人員在現場停留時間最長為1小時，則接受85Kr浸沒外照射劑量為1.28×10-1mSv。

5.2.2 事故處理人員受照劑量

事故處理的第一步，即將吊籃重新起吊、移動至保存水池并就位于吊籃支架上時，工作人員操作位置在屏蔽操作室內，其受照劑量極小。

對撒落至地面的燃料碎片進行清理、收集時，工作人員利用長桿工具，其操作位置距燃料碎片約3米，撒落至地面的燃料碎片最保守估計相當于1組燃料組件中總的燃料量，而距單組燃料組件中部表面3 m處的輻射水平為30mSv·h-1。由于事故處理人員穿戴有防護用具，在采取一定的局部屏蔽措施后，可確保工作人員操作位置輻射水平不超過30 mSv/h。此過程需要事故處理人員2名，約需要30分鐘，則工作人員受照射劑量不超過15 mSv。

在工作人員對撒落至地面的燃料碎片進行清理、收集后，殘留下來的碎片估計不足1%，工作場所的輻射水平將降低至1 mSv·h-1以下，工作人員對事故現場進行清洗、去污，并對輻射水平及表面污染進行監測，整個過程需要工作人員4名，約需要1小時，則工作人員受照射劑量不超過1 mSv。

綜上，事故處理工作人員個人有效劑量最大為15 mSv，整個事故處理工作人員的集體劑量為34人·mSv。

5.2.3 事故對環境的影響

根據放射性氣體的釋放源項，對廠址10 km范圍內不同距離的公眾的受照劑量進行估算[13,14]，其個人有效劑量和集體有效劑量列于表5，事故對廠址周圍主要居民點的輻射影響見表6。由表5和表6可以看出，事故致使廠址N方向距離廠址邊界約1.5 km處村莊公眾接受的個人有效劑量最大，為2.56×10-6mSv，事故造成10 km范圍內公眾集體有效劑量為3.75×10-2人·mSv。

表5 燃料組件吊運跌落事故所致公眾最大個人有效劑量及集體劑量

表6 事故對周圍主要居民點的輻射影響

5.3 受照劑量評價

當燃料組件吊運時發生吊車溜鉤，導致相當于10組燃料組件中的燃料元件完全破損的事故時，對工作人員、事故處理人員及公眾造成的輻射影響見表7。由表7可知，事故對工作人員及事故處理人員造成的個人有效劑量最大分別為3.19×10-1mSv和15 mSv，低于GB 18871-2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》所規定的個人年有效劑量50 mSv的限值[15]。從環境影響評價可知，事故致使廠址邊界N方向約1.5 km處村莊公眾接受的個人有效劑量最大，為2.56×10-6mSv，遠小于GB 18871-2002所規定的公眾個人年有效劑量1 mSv的限值[15]。

6 結論

綜上所述，當發生燃料組件整體吊運跌落事故時，對工作人員和事故處理人員所造成的輻射照射是可以接受的，對周圍公眾造成的輻射影響很小，不會對公眾健康造成危害。

盡管燃料組件吊運跌落事故對工作人員及公眾造成的影響是可以接受的。這絲毫不意味著可以放松管理的要求，應在事故分析的基礎上制定合理的事故預防措施及事故緩解措施，認真執行安全、質量保證措施，杜絕該事故的發生或將其發生的可能性減到盡可能小的程度，使燃料組件整體吊運操作建立在安全可靠的基礎上。

表7 燃料組件吊運跌落事故的輻射影響