小型堆斷電事故下放射性后果研究

歐陽可漢，陳文振

（海軍工程大學核科學技術學院，湖北 武漢430033）

小型堆斷電事故是指可靠電源喪失誘發的事故進程未得到有效緩解的嚴重核事故。因喪失電源，大部分核動力裝置不能正常工作，高溫的核反應堆堆型不能得到冷卻，甚至發生熔化，同時大量的放射性核素將釋放到環境中而帶來嚴重的放射性后果。2011年3月11日日本福島第一核電廠發生的嚴重核事故便是由于地震誘發海嘯使電廠內外電源喪失所導致的，據報道事故約釋放1.6×1017Bq的131I、1.5×1016Bq的137Cs，給周圍環境帶來巨大的放射性污染[1]。鑒于嚴重核事故帶來的放射性危害，世界各國相繼投入了大量的人力、物力進行放射性后果研究。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，分析了事故進程及放射性核素釋放源項，并采用MACCS程序計算了放射性劑量后果[2]。寧莎莎等用大氣擴散CALPUFF模型對福島核事故釋放的放射性核素大氣擴散進行分析，并根據核素在環境中的轉移機制建立了放射性后果的計算模型[3]。梅其良等用MACCS程序量化分析了AP1000發生各潛在的嚴重核事故下給周圍公眾帶來的健康風險[4]。張海霞等針對中國先進研究堆（CARR）開展了嚴重事故下輻射后果的研究，并提出了有效的輻射后果緩解措施[5]。從公開的文獻報道來看，目前關于小型堆斷電事故下放射性后果的研究較少，幾乎沒有。小型堆和電站堆得用途、運行環境存在差異，發生嚴重斷電核事故后源項釋放途徑也有差異。電站堆的相關研究結論不一定完全適用于小型堆，因此，有必要開展小型堆斷電事故下放射性后果的研究。

本文采用課題組前期得到的小型堆斷電事故進程及釋放源項數據，以國際上進行核事故后放射性后果評價的權威程序之一的MACCS為仿真工具，建立了放射性后果計算模型。考慮到器官的輻射敏感性及其遭受的放射性照射途徑，以有代表性的全身有效劑量當量和肺、甲狀腺、紅骨髓吸收劑量為例分析了斷電事故下放射性后果。

1 計算模型

本文采用的MACCS程序是Sandia國家實驗室為美國核管會開發的嚴重事故風險評估程序，主要用于計算放射性核素大氣釋放造成的放射性后果[6]。MACCS程序分布后幾經改進，目前被廣泛應用于核事故下放射性健康后果及經濟代價的評價，有學者用它研究放射性核素的大氣擴散、應急計劃區的劃分、放射性劑量后果的評估[7-9]。

1.1 大氣擴散模型

MACCS采用分段高斯煙羽模型計算放射性核素的大氣擴散，模型的基本公式為：

其中，C（x，y，z）為下風向（x，y，z）處空氣中放射性核素的時間積分濃度，Bq·s/m3；Q 為源強，Bq；uˉ為平均風速，m/s；σy與σz分別為水平方向和垂直方向的大氣擴散參數，m；H為煙羽中心高度，m；L為混合層高度，m.

1.2 劑量計算模型

在事故應急階段計算劑量后果時，主要考慮照射途徑：放射性煙云直接外照射、沉積到下墊面的放射性物質外照射、吸入放射性物質造成的內照射。本文只計算應急階段能造成人員死亡、損傷的急性照射劑量，不計算評價癌癥風險的終身劑量。

（1）煙羽外照射

采用“半無限煙云”的假定計算煙羽外照射，一個煙羽段通過空間精細網格后，器官受到的煙云外照射劑量計算公式：

其中，DCk為器官k受到的煙云外照射劑量，Sv；為煙羽中心線上空氣中核素i時間積分濃度，Bq·s/m3；DFC∞ik為核素i對器官k的半無限煙云劑量轉換因子，Sv·m3/（Bq·s）；C為網格中核素分布的空間校正因子（無量綱數）；F為煙羽通過網格時人員的受照時間份額；SFC為煙羽外照射屏蔽因子。

（2）沉積外照射

煙羽通過空間網格時，部分放射性核素將因干沉降而沉積到下墊面，如果有降雨，還將因雨水的沖洗而沉積。沉積在下墊面的核素將產生外照射。在煙羽段通過階段，在t0時刻沉積的核素對器官k的外照射劑量率計算公式：

其中，GDRk（t0）為t0時刻空間網格內煙羽軸線下沉積的核素對器官k的外照射劑量率，Sv/s；GCi（t0）為煙羽軸線下沉積的核素濃度，Bq/m2；DRFCik為核素i沉積劑量率到器官k外照射劑量的轉換因子（無量綱數）；J為核素濃度的空間校正因子（無量綱數）；SFG為沉積外照射屏蔽因子（無量綱數）。

（3）吸入內照射

煙羽通過時核素將因人體的呼吸作用而進入體內，直接吸入核素而造成的內照射劑量的計算公式：

式中，DIk為煙羽通過網格而對器官k造成的內照射劑量，Sv；ACi為煙羽軸線下近地面空氣中核素的時間積分濃度，（Bq·s）/m3；DFIik為核素 i對器官 k的吸入內照射劑量轉換因子，Sv/Bq；BR為呼吸率，m/s；J為空間校正因子（無量綱數）；SFI為內照射屏蔽因子（無量綱數）。

2 計算條件

2.1 事故源項

采用課題組前期計算出的事故進程及源項數據，具體見文獻[10]中所述。核素釋放劃分3階段，第1階段為t0~t0+884 s，釋熱率為110.1 W；第二階段為 t0+884~t0+25584 s，釋熱率為23 637.8 W；第三階段為t0+25584~t0+61584 s，釋熱率為7 513 W.每組核素在各階段的釋放份額如表1所示。

表1 全船斷電事故后核素釋放份額

2.2 計算條件

根據MACCS程序的計算網格劃分規則，以事故后源項釋放位置為原點，在極坐標下確定網格，在徑向上由35個圓劃分出35個單元，各同心圓的半徑大小分別為 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（單位為km）。在圓盤角度上進行16等分，劃分出16個方位，徑向劃分出的單元再分成16個扇區，如圖1所示為計算網格示意圖。大氣穩定度為F，風速為1 m/s，無降雨。干沉積速度取值為：惰性氣體無沉積現象；其它核素主要以氣溶膠的形式存在，MACCS程序認為核素的粒徑大小服從正態分布，干沉降速度統一取0.01 m/s[11].劑量計算時不考慮采取撤離、隱蔽、碘防護等防護行動。

圖1 研究域網格劃分示意圖

3 結果及分析

圖2為小型堆斷電事故下下風軸線上甲狀腺、肺、紅骨髓的吸收劑量，由圖可知，在源附近全身、甲狀腺、肺、紅骨髓的吸收劑量最高，在下風軸線上離源75 m處，肺的吸收劑量為200 Sv、甲狀腺的吸收劑量達到1420 Sv、紅骨髓的吸收劑量為160 Sv、全身有效劑量當量達到426 Sv，人員如果未采取有效的防護措施會遭受十分嚴重的放射性急性損傷，將直接死亡；隨著距離的增加，全身有效劑量當量和甲狀腺、肺、紅骨髓的吸收劑量迅速下降，在下風軸線上離源1 km處，肺、甲狀腺、紅骨髓的吸收劑量分別約下降至 3.51 Sv、24 Sv、2.83 Sv，全身有效劑量當量下降至10.3 Sv.在下風向距離源約0.81 km、1.63 km、2 km處肺、紅骨髓、甲狀腺的吸收劑量分別為6 Sv、1 Sv、5 Sv.參考GB18871-2002推薦的急性照射的劑量行動水平，可知在下風軸線上離源1.63 km內，將出現死亡效應，而在2 km內會出現甲狀腺機能衰退。

圖2 斷電事故下甲狀腺、肺、紅骨髓吸收劑量

圖3 為小型堆斷電事故下下風軸線上全身有效劑量當量，參考GB18871-2002推薦的應急照射下的通用優化干預水平，可知：在下風軸線上距離源約6.7 km內全身有效劑量當量大于100 mSv，需要采取服碘防護措施；在下風軸線上距離源約8.5 km內全身有效劑量當量大于50 mSv，需要采取緊急撤離防護行動；在下風軸線上距離源15.6 km內全身有效劑量當量大于10 mSv，需要采取緊急隱蔽防護行動。在下風向距離源34 km范圍外全身有效劑量當量小于1 mSv，且肺、紅骨髓、甲狀腺的吸收劑量也很小，人員幾乎不受放射性的影響。

圖3 斷電事故下全身有效劑量當量

4 結論

針對關于小型堆斷電事故下放射性后果的研究是尚屬空白的現狀，本章開展相關的研究以期解決此問題。采用課題組前期得到的嚴重事故進程及釋放源項數據為輸入，以國際上進行核事故后放射性后果評價的權威程序之一的MACCS為仿真工具，建立了小型堆斷電事故下放射性后果的計算模型?？紤]到器官的輻射敏感性及其遭受的放射性照射途徑，以有代表性的全身有效劑量當量和肺、甲狀腺、紅骨髓吸收劑量為例分析了事故下放射性劑量后果。

結果表明：小型堆發生斷電嚴重核事故后在下風向源附近處遭受的放射性后果最為嚴重，將出現死亡效應；在下風軸線上離源1.63 km內，將出現死亡效應，而在2 km內會出現甲狀腺機能衰退；在下風軸線上距離源約6.7 km內，人員需要采取服碘防護措施；在下風軸線上距離源約8.5 km內，人員需要緊急撤離；在下風軸線上距離源15.6 km內，人員需要緊急隱蔽；在下風向距離源34 km范圍外，人員幾乎不受放射性的影響。