反應(yīng)堆卸料燃料組件吊運(yùn)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(shè)計(jì)院, 四川成都 610005)

在某壓水型核動力反應(yīng)堆卸料過程中，燃料組件吊運(yùn)是關(guān)鍵操作之一。由于燃料組件輻射水平很高，吊運(yùn)安全風(fēng)險大，在吊運(yùn)時發(fā)生跌落事故的后果極為嚴(yán)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(yùn)過程中可能發(fā)生跌落的事故進(jìn)行預(yù)先分析[2]，評價事故發(fā)生后對工作人員及公眾的影響，根據(jù)分析的結(jié)果提出預(yù)防措施和緩解措施，以降低事故發(fā)生的概率，當(dāng)事故發(fā)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(huán)境及財產(chǎn)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(yīng)堆卸料前，制訂了總體技術(shù)方案及卸料程序，均經(jīng)過相關(guān)部門組織的專家審查，方案及程序合理、可行。反應(yīng)堆卸料工作人員都具有相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，在工程實(shí)施前均進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)、考核。操作過程中，在現(xiàn)場有安全監(jiān)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(yuǎn)高于燃料組件及吊籃的重量。在燃料組件吊運(yùn)時，還設(shè)置了吊具保護(hù)吊索及吊具防脫鉤裝置。其中，吊具保護(hù)吊索的承載重量遠(yuǎn)大于燃料組件及吊籃的重量，當(dāng)?shù)趸@吊具失效或吊耳損壞時，保護(hù)吊索將承載燃料組件及吊籃。在燃料組件吊運(yùn)前，對吊車進(jìn)行全面檢修和試驗(yàn)，并進(jìn)行模擬吊運(yùn)試驗(yàn)。

綜上所述，在燃料組件吊運(yùn)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(fā)生溜鉤而造成燃料組件及吊籃跌落事故。對于橋式吊車，發(fā)生溜鉤通常是由于機(jī)械系統(tǒng)故障和電氣系統(tǒng)故障引起[3]，具體見表1。

2 事故進(jìn)程

當(dāng)?shù)踯嚢l(fā)生溜鉤而導(dǎo)致燃料組件跌落事故時，首先，燃料組件掉落至地面，吊籃結(jié)構(gòu)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(kuò)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(yùn)時，工作場所的通風(fēng)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，逸出的裂變氣體經(jīng)排風(fēng)系統(tǒng)排出，進(jìn)入大氣環(huán)境。

3 事故緩解措施

事故發(fā)生后，采取的緩解措施如下：

(1)工作人員立即停止吊運(yùn)操作，無關(guān)人員迅速撤離現(xiàn)場；

(2)封閉操作大廳，防止放射性氣體在大廳周圍擴(kuò)散，造成較大范圍的污染；

(3)加強(qiáng)操作大廳的通風(fēng)，監(jiān)視排風(fēng)塔排出流放射性活度濃度變化；

(4)啟動全部固定輻射監(jiān)測系統(tǒng)，對污染區(qū)域輻射水平進(jìn)行測量，掌握事故現(xiàn)場的輻射水平；

(5)現(xiàn)場工作負(fù)責(zé)人員立即將情況報告給應(yīng)急指揮部；

(6)醫(yī)療救護(hù)組接到命令后進(jìn)入操作大廳外待命；

(7)劑量監(jiān)測人員檢查操作大廳門外劑量，根據(jù)實(shí)際水平，劃出警戒隔離區(qū)域，放置放射性標(biāo)志，禁止非應(yīng)急人員進(jìn)入規(guī)定的禁區(qū)；

(8)啟動應(yīng)急監(jiān)測評價程序，派出應(yīng)急監(jiān)測車，對環(huán)境輻射狀況進(jìn)行監(jiān)測評價。

表1 橋式吊車發(fā)生溜鉤的原因

4 事故處理程序

事故發(fā)生后，事故處理人員穿戴好防護(hù)用具，迅速進(jìn)入事故現(xiàn)場，對事故進(jìn)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(jī)，點(diǎn)動抬升主鉤，使吊籃離開地面800 mm～1000 mm，再運(yùn)行吊車大車移動吊籃，在移動過程中，如主鉤繼續(xù)溜鉤，當(dāng)?shù)趸@接近地面(約300 mm)時，操作主鉤電機(jī)，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(yùn)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(jìn)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(yùn)至安全區(qū)域；

(3)工作人員對事故現(xiàn)場進(jìn)行清洗、去污，去污后進(jìn)行輻射水平及表面污染監(jiān)測；

(4)提出事故處理后續(xù)方案，報上級有關(guān)部門審查后，進(jìn)行后續(xù)處理。

5 事故后果分析

5.1 源項(xiàng)

5.1.1 燃料組件存留量

在反應(yīng)堆卸料時，其乏燃料組件中放射性核素的含量[8,9]依據(jù)其運(yùn)行史，利用ORIGEN2程序進(jìn)行計(jì)算[10,11]，計(jì)算結(jié)果如下：

反應(yīng)堆卸料時(停堆約5年)，按最深燃耗(約為20.1%)計(jì)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(jì)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(xiàng)分析

在進(jìn)行事故分析時，首先需假設(shè)或估算確定破損元件數(shù)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(shù)量

在燃料組件吊運(yùn)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(dǎo)致吊籃結(jié)構(gòu)受損，所有燃料組件中的多個燃料元件破損。在進(jìn)行事故分析時，根據(jù)跌落高度、地面條件及燃料組件的結(jié)構(gòu)等情況，保守估計(jì)所有破損燃料元件的數(shù)量不超過10組燃料組件中總的元件數(shù)量。

(2)放射性氣體釋放量

事故發(fā)生后，破損的燃料元件中的85Kr迅速釋放，進(jìn)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(fā)生后，所有燃料組件及吊籃跌落至地面，導(dǎo)致吊籃結(jié)構(gòu)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(jìn)行事故分析時，根據(jù)跌落高度、地面條件及燃料組件的結(jié)構(gòu)等情況，保守估計(jì)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?qū)θ剂辖M件的輻射水平進(jìn)行計(jì)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(fā)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(jì)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(fēng)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(shè)工作人員在現(xiàn)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(nèi)，其受照劑量極小。

對撒落至地面的燃料碎片進(jìn)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(jì)相當(dāng)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(hù)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(jìn)行清理、收集后，殘留下來的碎片估計(jì)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(xiàn)場進(jìn)行清洗、去污，并對輻射水平及表面污染進(jìn)行監(jiān)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(huán)境的影響

根據(jù)放射性氣體的釋放源項(xiàng)，對廠址10 km范圍內(nèi)不同距離的公眾的受照劑量進(jìn)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(diǎn)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(nèi)公眾集體有效劑量為3.75×10-2人·mSv。

表5 燃料組件吊運(yùn)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(diǎn)的輻射影響

5.3 受照劑量評價

當(dāng)燃料組件吊運(yùn)時發(fā)生吊車溜鉤，導(dǎo)致相當(dāng)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(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》所規(guī)定的個人年有效劑量50 mSv的限值[15]。從環(huán)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(yuǎn)小于GB 18871-2002所規(guī)定的公眾個人年有效劑量1 mSv的限值[15]。

6 結(jié)論

綜上所述，當(dāng)發(fā)生燃料組件整體吊運(yùn)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(yùn)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(yīng)在事故分析的基礎(chǔ)上制定合理的事故預(yù)防措施及事故緩解措施，認(rèn)真執(zhí)行安全、質(zhì)量保證措施，杜絕該事故的發(fā)生或?qū)⑵浒l(fā)生的可能性減到盡可能小的程度，使燃料組件整體吊運(yùn)操作建立在安全可靠的基礎(chǔ)上。

表7 燃料組件吊運(yùn)跌落事故的輻射影響