含钚材料恐怖事件的后果分析

袁 偉，羅永鋒，顏 澎，胡 健

（第二炮兵裝備研究二所，北京100085）

含钚材料恐怖事件的后果分析

袁 偉，羅永鋒，顏 澎，胡 健

（第二炮兵裝備研究二所，北京100085）

基于數(shù)值仿真計(jì)算手段，定量分析了含钚材料恐怖事件中炸藥爆炸條件下钚材料氣溶膠的轉(zhuǎn)化份額；針對不同可吸入氣溶膠比例，應(yīng)用HotSpot核事故后果評價(jià)模型計(jì)算了有關(guān)輻射特征量。結(jié)果表明，不同可吸入氣溶膠比例對于輻射危害防護(hù)及處置有著明顯的影響。

钚；恐怖事件；爆炸

在當(dāng)今世界范圍內(nèi)，涉及放射性核材料的犯罪率一直居高不下，幾乎每天都有放射源丟失的記錄。如果使用放射性強(qiáng)度很高的钚材料制造恐怖事件，在城市中心等重要地區(qū)引爆，除炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波會致人傷亡外，爆炸產(chǎn)生的放射性氣溶膠還會在大氣中大量釋放并向周圍擴(kuò)散，導(dǎo)致人體不慎吸入或食入而受到內(nèi)照射的危害，這樣勢必引起社會公眾強(qiáng)烈的心理恐慌，后果極其嚴(yán)重［1］。本文分析了炸藥爆炸條件下钚材料氣溶膠轉(zhuǎn)化份額，并針對不同的可吸入氣溶膠比例，應(yīng)用HotSpot核事故后果評價(jià)模型計(jì)算了有關(guān)輻射特征量，這對于核事故放射性氣溶膠的防護(hù)有著重要的意義。

1 钚氣溶膠轉(zhuǎn)化份額

假定恐怖分子在某城市起爆一個(gè)裝有钚材料的簡易爆炸裝置。由內(nèi)至外依次為钚和炸藥，钚材料為球體結(jié)構(gòu)，質(zhì)量為0.5 kg，外層包裹高能炸藥球，質(zhì)量為18 kg。炸藥爆炸后將對钚施加強(qiáng)大載荷，使其獲得很大的能量。資料表明，钚的汽化熱閾值為1.4 MJ/kg，只要它在爆炸中獲得的內(nèi)能大于其汽化熱閾值，就可以實(shí)現(xiàn)由固態(tài)金屬向氣溶膠的轉(zhuǎn)化［2］。

運(yùn)用有限元仿真軟件對爆炸過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算模型如圖1所示。圖中黃色材料為高能炸藥，黑色材料為钚。炸藥球外表面左側(cè)一點(diǎn)起爆，紅點(diǎn)為起爆點(diǎn)，在钚上選取大量的單元網(wǎng)格點(diǎn)，通過數(shù)值計(jì)算考察這些位置處單元的吸能情況。圖2所示為钚在爆轟波作用下的變形過程。

通過計(jì)算結(jié)果得到所有網(wǎng)格點(diǎn)的比內(nèi)能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于钚的汽化熱閾值（1.4 MJ/kg），因此可以判定爆炸后钚吸收大量能量，由固態(tài)金屬轉(zhuǎn)化為氣態(tài)蒸氣，即完全轉(zhuǎn)化為氣溶膠顆粒。計(jì)算分析結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)符合一致。

2 钚氣溶膠形成、危害途徑與健康效應(yīng)

2.1 钚氣溶膠的形成

爆炸過程中钚材料吸收大量能量變成氣態(tài)蒸氣，逐漸冷卻后懸浮在空氣中，從而形成放射性氣溶膠。一般用流體力學(xué)來描述氣溶膠在空氣中的運(yùn)動規(guī)律，其比較明顯的特征是沉降運(yùn)動、擴(kuò)散運(yùn)動和熱運(yùn)動。氣溶膠按照活度中值空氣動力學(xué)直徑（AMAD）大小分為粒徑＜0.1 μm的小粒子、粒徑為0.1～10 μm的中等粒子和粒徑＞10 μm的大粒子3類。小粒子氣溶膠在空氣中不停地做布朗運(yùn)動，它不會因?yàn)橹亓ψ饔枚两?；中粒子氣溶膠沉降速度較為緩慢，懸浮于空氣中時(shí)間很長，因此，對人員的吸入內(nèi)照射危害也就最大。大粒子氣溶膠由于重力作用較大，會很快沉降到地面。其中小—中等粒子氣溶膠統(tǒng)稱為可吸入放射性氣溶膠，其占總氣溶膠的百分比為可吸入氣溶膠比例。

圖1 钚材料爆炸計(jì)算模型Fig.1 The calculation model of plutonium explosion

圖2 钚材料爆炸過程Fig.2 The process of plutonium explosion

2.2 钚氣溶膠危害途徑與健康效應(yīng)

钚氣溶膠進(jìn)入人體的途徑主要是吸入和食入，從而造成內(nèi)照射。它對人體的傷害是通過在體內(nèi)釋放α粒子，放出能量而形成內(nèi)照射，α粒子在人體器官組織內(nèi)的射程大約為50 μm左右，因而很難穿出人體。此外，钚的氣溶膠煙云和沉淀于地面的塵埃也會造成外照射，但因危害較小，一般可忽略不計(jì)。

钚的內(nèi)照射健康效應(yīng)主要分為兩類：低劑量致癌效應(yīng)（發(fā)生在照射后的幾年時(shí)間以后），高劑量致病和致死效應(yīng)（發(fā)生在照射后1 a內(nèi)的概率很高）。一般而言，遭受核事故危害的人員所受到高劑量的內(nèi)照射可能性不是很大，因此，一般只考慮低劑量致癌效應(yīng)［3］。

3 RF值對輻射分布的影響

針對钚爆炸后不同的輻射頻率（RF）值開展了輻射分布模擬計(jì)算。在計(jì)算過程中，設(shè)定钚的質(zhì)量依然為0.5 kg，外層包裹高能炸藥球殼，質(zhì)量為18 kg。根據(jù)前面钚氣溶膠轉(zhuǎn)化份額計(jì)算選定氣溶膠轉(zhuǎn)化份額為100%，RF取值依次為10%、20%、30%、40%和50%；另外，空氣中風(fēng)速取2 m/s，大氣穩(wěn)定度取B類，這時(shí)的氣象特征屬于典型大陸性穩(wěn)定氣象條件。

表1列出了不同RF取值下，在下風(fēng)熱線方向TEDE（總有效劑量當(dāng)量）隨距離的變化情況，可以看出，钚爆炸后的污染范圍與程度和RF有著緊密聯(lián)系。當(dāng)RF值變大時(shí)，相同距離的放射性核素濃度逐漸變大，下風(fēng)方向的TEDE值也就相應(yīng)增大。例如，在下風(fēng)熱線距離爆炸地點(diǎn)0.6 km的地方，RF＝10%條件下钚被炸藥分散時(shí)，放射性污染致人的TEDE值在0.092 Sv左右，而RF分別為20%、30%、40%和50%時(shí)，由于小粒子所占比例變大，放射性核素在下風(fēng)方向同樣距離上擴(kuò)散的更多，放射性污染致人體的 TEDE在 0.18、0.28、0.37和0.46 Sv左右，在其他距離上，也存在類似的規(guī)律［4］。

表1 不同RF條件下TEDE隨距離的變化Table 1 The change of TEDE with distance under different RF condition

此外，當(dāng)RF值固定時(shí)，距離事故點(diǎn)較近的地區(qū)放射性核素濃度大，相應(yīng)下風(fēng)方向的TEDE值也就大，隨著距離變遠(yuǎn)，TEDE值減小，從表中可以看出距離事故點(diǎn)0.030 km和20 km的TEDE值相差約4個(gè)數(shù)量級。

圖3 RF＝10%時(shí)爆炸污染區(qū)域Fig.3 Explosive pollution area when RF＝10%

圖5 RF＝30%時(shí)爆炸污染區(qū)域Fig.5 Explosive pollution area when RF＝30%

圖3～7分別繪出了 RF為10%、20%、30%、40%、50%，發(fā)生爆炸后，钚材料可致的總有效劑量當(dāng)量等值線分布情況，同時(shí)在表2中列出了需要采取撤離、隱蔽措施，以及超過公眾劑量限值區(qū)域的分布情況?？梢钥闯?，隨著RF值的變大，需要采取相應(yīng)干預(yù)措施（如撤離、隱蔽等）的區(qū)域，以及超過公眾限值的區(qū)域均逐漸增大。

圖4 RF＝20%時(shí)爆炸污染區(qū)域Fig.4 Explosive pollution area when RF＝20%

圖6 RF＝40%時(shí)爆炸污染區(qū)域Fig.6 Explosive pollution area when RF＝40%

圖7 RF＝50%時(shí)爆炸污染區(qū)域Fig.7 Explosive pollution area when RF＝50%

表2 不同RF條件下钚爆炸后污染范圍Table 2 The pollution area after plutonium explosion under different RF condition

爆炸后钚可以引起廣大地區(qū)的放射性污染，進(jìn)而引起受污染地區(qū)的人員恐慌和去污時(shí)產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)損失。通過分析，當(dāng)RF＝10%時(shí)，小粒子份額最小，基本上是AMAD＞10 μm的氣溶膠，由于重力作用，大粒子很快沉降到地面，造成離事故點(diǎn)較近區(qū)域的放射性污染；當(dāng)RF逐漸增大，小粒子份額也逐漸增大，爆炸后沉降速度緩慢，懸浮于空氣中較久，隨著氣流運(yùn)動飄散區(qū)域較遠(yuǎn)，從而造成放射性污染區(qū)域明顯擴(kuò)大。

4 結(jié) 論

本文針對恐怖事件中含钚材料爆炸裝置進(jìn)行了氣溶膠轉(zhuǎn)化份額和有關(guān)輻射特征量計(jì)算。計(jì)算表明，大炸藥量爆炸產(chǎn)生的能量促使钚完全轉(zhuǎn)化為氣溶膠顆粒，引起大面積放射性污染；同時(shí)爆炸后的放射性污染與氣溶膠粒子大小比例RF密切相關(guān)，RF越大，污染區(qū)域越大，爆炸產(chǎn)生的事故后果更加嚴(yán)重。

［1］張文仲，毛用澤，郝志勇，等.放射性布散裝置（RDD）襲擊后果評估［C］//全國第1屆核技術(shù)與公共安全學(xué)術(shù)研討會論文集.北京：中國核學(xué)會，2007：163-167.

［2］ Zia Mian， Ramana M V， Rajaraman R.Risks and consequences of nuclear weapons accidents in South Asia ［C］//PU/CEES ReportNo.326.Princeton:Princeton University，2000.

［3］ Liolios T E.Broken Arrows： Radiological hazards from nuclear warhead accidents（the Minot USAF base nuclear weapons incident） ［R］.Athena：Hellenic Arms Control Center，2008.

［4］ Homann S G， HotSpot health physics codes for the PC UCRL-MA-106315 ［R］.Livermore： Lawrence Livermore National Laboratory，CA.1994.

Consequence analysis of plutonium explosion in terror event

YUAN Wei， LUO Yong-feng，YAN Peng， HU Jian
（The Institute of the Secondary Artillery Equipment Academy， Beijing 100085， China）

Based on the numerical simulation technique，the translation rate of plutonium aerosol is quantitatively analyzed in case of detonator explosion under terror event.According to the different respirable fraction，the HotSpot nuclear accident aftereffect evaluation model was used to calculate radiation characters.The calculated result suggests that different respirable fraction has significant affects on the radiation damage defense and disposal of nuclear accident.

plutonium； terror event； explosion

X508

A

1672-0636（2011）02-0120-05

10.3969/1672-0636.2011.02.011

2010-08-05

袁 偉（1983—），男，江蘇南京人，工程師，碩士，主要從事輻射防護(hù)研究。E-mail:Yuanwei128@sohu.com