乏燃料運輸船隔離防護設計分析

徐德濤,李曉輝,姜 偉

(1.上海船舶研究設計院,上海 201210;2.宜昌達門船舶有限公司,湖北 宜昌 443002)

0 引言

為滿足核能可持續發展目標,我國確定了核燃料閉式循環的技術路線,即核燃料在反應堆中進行鏈式反應后卸出成為乏燃料,經后處理并提取其中有用的成分,重新制成燃料供核反應堆使用。

乏燃料運輸船是一型具有完全自主知識產權的,適合我國沿海運輸載運INF 3級輻照乏燃料的特種用途船舶。該船型的設計和建造突破了乏燃料運輸船的關鍵設計、建造技術和管理技術,完善了乏燃料運輸的輻射防護和應急處置流程。本文以某乏燃料運輸船為研究對象,介紹《乏燃料運輸船舶法定檢驗規則》(2018)[1](下文簡稱《規則》)等對屏蔽層設計的技術要求;然后結合實船的建造研究實現輻射屏蔽的物理屏蔽手段,并從安全流程上對隔斷輻射進行探討。

1 乏燃料運輸船基本信息

乏燃料運輸船是一艘國內遠海航區,以載運INF 3級乏燃料為主要功能的多用途貨船。作為國內首制的核廢料運輸船,需要滿足中國船級社對本船專用的《規則》和《輻照核燃料運輸船檢驗指南》(2018)[2](下文簡稱《指南》)的相關要求。

乏燃料系指子反應堆堆芯內受過輻照并從堆芯永久卸出的核燃料[1]。核燃料在進行鏈式反應后成為乏燃料,提取其有用成分后可重新制成核反應堆可用的燃料。結合快堆技術,可將鈾資源的利用率提升約60倍,并大幅減少需處理的廢物量。在核燃料閉式循環中,將乏燃料從核電站安全、有效地運輸至后處理設施,是確保核電安全運行、保障后處理設施正常生產的關鍵一環。

乏燃料在自然冷卻后會存儲在特制的運輸容器中,這種存儲容器簡稱為“貨包”。貨包需符合《放射性物品安全運輸規程》(GB 11806—2019)的要求,具有耐高溫、高壓、防輻射、防水、防碰撞等特點。該項目貨艙按照運載NAC-STC型貨包設計。每個貨包可裝載20或26個乏燃料組件,運輸狀態下貨包的質量為121.4 t,貨包源項基于表面2 m處劑量率水平為0.1 mSv/h。

INF貨物:輻照核燃料(Irradiated Nuclear Fuel),指按《國際海運危險品法規》(IMDG 規則)中第7類貨物裝運要求的輻照核燃料、钚和高放射性廢物的包裝件。INF貨物等級按照總放射性活度區分如下[2]:

INF 1—適用于載運INF 貨物的總放射性活度小于4 000 TBq 的船舶;

INF 2—適用于載運總放射性活度小于2×106TBq 的輻照核燃料或高放射性廢物的船舶和載運總放射性活度小于2×105TBq 的钚的船舶;

INF3—`適用于載運不限制總放射性活度的輻照核燃料或高放射性廢物的船舶,以及載運不限制總放射性活度的钚的船舶。

該項目可運載INF 3級輻照乏燃料。

2 乏燃料運輸船防輻射要求及難點

乏燃料至少經過8 a時間冷卻,燃耗不大于48 000 MWd/tU方可允許轉運。貨包作為轉運容器,將全程參與船運。雖然貨包具有良好的防輻射效果,以及耐高溫、高壓、防水、防撞擊等特性,但是不排除在運輸途中出現意外的可能性。因此,本著高安全性、高冗余度的設計理念,乏燃料運輸船自身也必須具備防輻射能力,以應對各種突發情況。

2.1 乏燃料運輸船防輻射要求

根據《規則》第7章的要求:乏燃料運輸船舶應根據其預期具有最大輻射風險的單次運輸活動(至少應考慮乏燃料放射性活度、貨包類型、裝卸操作、航線、航行時間等影響)對船舶的輻射防護安全進行系統性設計,以確保個人劑量的大小、受照射人數和引起照射的可能性。在考慮經濟和社會因素后,輻射量應保持在合理可行盡量低的水平,且人員所受劑量應該低于國家規定的相應劑量限值。輻照防護措施應該在確保船舶理性運輸條件下,對于乏燃料的載運和裝卸,或船舶常規部分的操作和維修,都不受到限制[1]。

為保證運輸人員的身體健康和人身安全,運輸人員全年的受輻射劑量是有嚴格要求的。

2.2 輻射的特性

由核燃料產生的輻射均為電離輻射。電離輻射分為2種:粒子輻射,如α、β、中子輻射等;波的輻射,如γ輻射和X射線等。不同的輻射有不同的穿透能力:α射線的穿透能力最弱;β射線可以穿透紙張但是無法穿透鋁板;γ射線和X射線穿透能力最強,需要適當厚度的混凝土或鋁板才能阻擋。因此在設計屏蔽層時,主要應對的是γ射線和X射線。

2.3 設計難點

(1)船舶活動區域有限。要保證航行狀態下船舶的正常操作和維修不受限制,那么核輻射的粒子及射線需要固化在貨艙區域內,不能滲透進生活區域及動力區域。

(2)船舶在海上航行,有較大幾率遭遇惡劣天氣或極端海況。在顛簸狀態下防輻射屏蔽層需能經受住劇烈搖晃、強烈震動帶來的不利影響,不能出現破損、開裂等狀況。

(3)船舶貨艙內部需要設置通風、消防等設備。這些設備需要在貨艙外區域有驅動裝置、能源供給等,而連接設備的管路必須要穿過屏蔽層,因此要保證貫穿件的防輻射效果。

3 防輻射設計

3.1 控制輻射源

貨包是乏燃料的運輸載體,也是隔絕輻射的第一道防線。ENUN 24P型貨包的示意圖見圖1。

1—外蓋;2—內蓋;3—運輸容器本體;4—上吊耳;5—下吊耳;6—外筒體;7—鰭片;8—中子屏蔽體;9—吊籃導向;10—吊籃外圍板;11—螺紋桿;12—墊圈;13—螺母;14—不銹鋼吊籃結構;15—吊籃中的MMC燃料管;16—燃料組件;17—吊耳螺栓。

貨包中主要的輻射屏蔽層是布置于罐體中間夾層的中子屏蔽層,其他構件例如外筒體等金屬構件也可以起到一定的屏蔽作用。在罐體的屏蔽作用下,內部乏燃料的輻射量可降低至表面2 m處,劑量率水平為0.1 mSv/h。按照公路運輸標準中沿線公眾的全年受輻射劑量小于0.1 mSv的要求,只要保證貨包不破損,那么船員在航次內的輻射劑量都是在規定范圍內的。

貨包在運輸途中出現破損只有以下幾種狀況:

(1)貨包在吊裝過程中從起吊設備上脫落。

(2)在航運過程中出現顛簸或大幅晃動,與周圍結構物發生碰撞。

(3)貨艙內發生火災。

(4)貨艙通風失效,貨包內部溫度急劇上升。

為防止(1)類情況發生,貨包外均設有減震裝置。所以,只要貨包墜落是在其設計的安全高度范圍內,基本不會發生罐體破損,引發泄漏事件。

為避免罐體在運輸過程中與其他物體碰撞,在貨艙底部設計專用的底座。貨包的轉運托架底座采用螺栓連接,保證貨包在航行過程中的穩定性。

雖然乏燃料退出堆芯后已停止反應,并且至少經過8 a冷卻才能放入貨包進行轉運,但是其本身的發熱量仍然很高。貨包本身具有耐高溫特性,并且可以通過燃料吊籃促進排除腔體內熱量。但是如果貨包長期處于一個密閉環境,還是會由于環境溫度過高導致散熱效果下降,進而造成貨包屏蔽層損壞。因此,在貨包基座下方設置了專門的通風口,依靠風機對貨包進行冷卻。

風冷系統可以保證及時帶走貨包散發的熱量,但是不排除突發事件造成貨包溫度急劇上升的情況。除了風冷系統外,該項目還在貨艙艙蓋設置了水噴淋系統,達到降溫和滅火目的。

由以上幾種措施共同組成的第一層核輻射屏蔽手段,可以大幅降低貨包破損風險,從源頭阻斷核輻射泄漏的風險。

3.2 貨艙防輻射屏蔽層

通過上述的貨包減震系統、貨艙綁扎系統、風冷系統、水冷系統,已基本可以保證貨物運輸的安全性。但是對于這種運輸高危險品的船舶,設計時一定要提高冗余度,確保貨品、人員的安全性。

根據《指南》第9章輻射防護的要求:船上應根據預期運輸INF貨物的實際或潛在輻射危害劃分指定的區域,一般分為控制區域、監督區域和非限制區域,其中控制區域就是裝載有貨包的貨艙區域。

3.2.1 屏蔽層設置原則

屏蔽層的設置是假設貨包已經發生泄漏,核燃料將會對船員造成輻射傷害的情況下,依靠屏蔽層實施物理隔絕。

貨艙作為貨包的裝載區域,應該是控制區域的最小單位,因此貨艙可作為一個整體進行屏蔽考慮。

由于貨艙的后端壁與機艙區域相鄰,機艙區域上方就是船員生活區,一旦發生泄漏事故,輻射射線將通過這一界面直達船員生活區域,所以這一限界面要視作防護最重要的區域。其次考慮到對他船或環境的影響,貨艙間的垂直界面及頂部界面也要予以重點保護。由于船底部直接面向海水,而水是天然的輻射屏蔽層,所以對于船體底部無需采取額外的屏蔽措施。

3.2.2 屏蔽層設計

鋼材、混凝土、鉛、聚乙烯、水等材料,都是可以用作屏蔽輻射的材料。

由于鉛的密度大,價格也比較昂貴,并且長期使用對船員健康可能會造成危害,所以該材料在船舶屏蔽層設計中并不予以考慮。

鋼板是船舶建造的基本材料,經濟性較高且鋼材的強度、韌性、耐高溫性、防水性等都很好,所以是較為理想的屏蔽材料。在船舶設計過程中,只要保證貨艙艙壁的連續性(防止輻射粒子或射線從缺口逃逸),就可以收獲較好的屏蔽效果。

屏蔽層需要達到一定厚度才能起到阻擋射線穿透的效果,而鋼板密度較大,不宜過厚,所以屏蔽層除了鋼材之外,還需要輔以其他材料。在貨艙兩舷艙壁及艏部艙壁上,采用聚乙烯板材作為屏蔽層的第2種材料。貨艙縱壁采用20 cm厚聚乙烯板,船首橫艙壁采用的是25 cm厚聚乙烯板。

聚乙烯屏蔽效果好、耐酸堿性強,是經濟性較高的屏蔽材料,但不耐高溫,在110 ℃就開始熔化變形。因此,考慮到高溫、失火等風險,在貨艙與機艙的限界面采用了74 cm厚的淡水隔艙作為屏蔽手段。該屏蔽層具有不可燃、耐高溫、不易損壞、易于補充等優勢。

艙蓋采用鋼制箱式結構,總板厚(兩層板疊加厚度)為20 cm。這個厚度不足以完全阻擋輻射射線穿透艙蓋進入空氣中。射線再經由空氣形成漫發射,進而會影響到船上的監督區域和非限制區域。因此,艙蓋的防護也同樣重要,采用箱式結構也是出于敷設防輻射屏蔽層因素考慮的。艙蓋屬于活動構件,需要進行開啟、關閉操作,如果采用單殼艙蓋結構,很難保證屏蔽層材料在操作中與艙蓋的牢固度,所以必須采用箱體結構,屏蔽層填充在箱體夾層內。艙蓋在制造時,首先將頂板與四周板進行焊接,輻射材料填充完畢后,再將底板焊接封死。艙蓋內部采用重混凝土進行填充。重混凝土具有便于敷設、填充性好、便于埋管操作、耐高溫等優點。但是混凝土也有一個明顯的缺陷,就是韌性較差,在艙蓋發生形變時容易開裂。因此,艙蓋內部的屏蔽層并不單純是重混凝土,在遠離封板焊接面的一側,還敷設了10 cm厚聚乙烯板,以保證艙蓋的防輻射效果。

貨艙艙口間的甲板條區域空間狹小,不便鋪設聚乙烯板材,所以也采用了重混凝土作為屏蔽層。

全船貨艙區域的4個立面、1個頂面已經由屏蔽層全方位包圍,再加上底部海水的防輻射效果,貨艙區域已經與全船其他區域隔離開。

3.2.3 防輻射屏蔽門

貨艙區域除了裝卸貨包時需要人員并進入進行裝卸操作外,在航運過程中安保人員也要定期進行巡檢。因此,貨艙區域與全船其他區域限界面間的門也需要采取屏蔽措施,并且其屏蔽效果要與限界面的屏蔽效果一致。

根據運輸貨品的特性,貨艙要具有一定的防火效果,限界面要保證水密并具有一定的氣密性,所以該位置采用的是防輻射水密門。

根據防輻射要求,屏蔽門需要由15 cm厚聚乙烯及4 cm厚鋼板組成。由于安保人員在巡檢過程中需要穿著防輻射服,考慮到其進出通道的便利性,門通孔寬度為80 cm。初步估算,屏蔽門的質量約1 t,依靠手動開閉非常困難。因此,增加了電液驅動裝置,通過油缸伸縮控制屏蔽門啟閉,并且鎖緊裝置也采用電液驅動,以保證屏蔽門的密封性。

3.3 防泄漏措施

為保證船舶安全運輸,除了貨艙內部設有視頻監控、伽瑪探測器、中子探測器、火災警報等遙控設備外,安保人員還要定期巡檢,檢測貨包狀態。

不論貨包是否有泄漏,都會有微量的輻射粒子溢出。安保人員在巡查貨艙時,防護服上會粘附這些帶有輻射的粒子。如果貨包發生泄漏,那么安保人員在巡視后會攜帶更多輻射粒子,這些有害物質在進入生活區前必須進行嚴格清理。在人員進出貨艙區開啟屏蔽門時,輻射粒子或射線,也可能趁機逃逸至生活區,所以必須在通道設置上隔絕以上情況的發生。

該項目在居住區與貨艙區的左右兩舷通道上,各設置了1個氣鎖間和1個清潔間。氣鎖間的兩扇門與清潔室門是相互錯開的,并且均帶有自閉裝置,目的就是通過交錯的鋼圍壁防止輻射射線直接穿透開啟的門洞到達生活區。自閉器可以保證門及時關閉,隔絕粒子從貨艙區逃逸。這種布置方案已經申請了實用新型專利[3]。

在清潔室內,設有專門放置防輻射服的儲藏柜、用于安保人員進行清潔的淋浴間及檢測輻射粒子殘留量的檢測儀。在清潔間入口處還設有人臉識別系統,只有取得訪問權的人員才能夠進入貨艙區域。安保人員的巡視路徑從左舷進入,經過氣鎖間抵達左舷清潔室,在該房間內穿著防輻射服后方可進入貨艙區域。清潔間靠近貨艙區域一側的門為屏蔽門,由電液控制。所有的屏蔽門在開閉過程中均會發出警報,提示相關人員注意安全。安全人員在清潔室屏蔽門完全關閉后,方可打開貨艙縱艙壁上的屏蔽門進入貨艙區域。3個貨艙巡視完畢后,安保人員通過右舷清潔室離開貨艙區域。在該清潔室內首先進行硼酸淋浴,然后到手腳表面污染檢測器進行檢測,達標后方可通過氣鎖間返回居住區域。

4 結語

乏燃料運輸船是國內首次建造,填補了國內放射性材料運輸領域的空白。由于其運載貨物的特殊性,防輻射的能力是其成功與否的重要衡量標準。本著高冗余度的設計理念,必須從各個方面考慮可能發生的狀況,以保證船舶的生存能力及船員的生命安全。在設計過程中,本文詳細咨詢了核電站、公路運輸等與乏燃料相關行業的信息,結合水上運輸的特殊性,考慮可能發生的危險,從主動防護、被動防護、安全操作等各個方面對輻射進行隔離。

隨著核電的大力推廣,核燃料、乏燃料的運輸處理業務也會越來越多。在未來的項目中,輻射屏蔽設計也會越來越完善,也期待更多的新型屏蔽材料能夠應用到乏燃料運輸船上。