航天器发射事故中钚-238热源辐射风险评估模型的建立及应用

彭 慧，唐 显，蔡定勘，罗志福

(1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)



航天器发射事故中钚-238热源辐射风险评估模型的建立及应用

彭 慧1,2，唐 显1，蔡定勘1，罗志福1

(1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)

辐射风险是航天器使用钚-238热源的关键问题。本文以“嫦娥三号”任务为例，提出钚-238热源在航天器应用过程中的辐射风险评估内容和方法，建立相应的风险评价模型。评估结果显示，使用钚-238热源的辐射风险较低。本文建立的分析方法可为使用核能源的航天任务辐射风险评估提供参考。

钚-238热源；发射事故；辐射风险

核能源是实现深空探测目标的关键技术之一。美国、俄罗斯的航天器都应用了核能源，其中，钚-238热源已成为美国“好奇号”火星探测器的唯一能源[1-3]。我国的“嫦娥三号”任务首次使用了钚-238热源[4]，在随后的航天任务中也将是主要能源之一。按照我国《放射源分类办法》，空间用钚-238热源属于Ⅰ类极高危险放射源，其使用、运输等都必须经过安全分析和行政审批。与地面应用的Ⅰ类放射源相比，钚-238热源的体积和质量严格受限，无法采用冗余防护设计。

我国尚未建立相应放射源空间应用的辐射风险分析程序。为了安全使用钚-238热源，必须对使用过程中影响热源安全性的事故景象和薄弱环节进行识别，对可能的事故后果进行分析，确定该活动的整体辐射风险及主要风险点，以指导钚-238热源安全性研究和相应的辐射事故应急。为此，本文首次提出通过对热源安全分析、发射任务分析、薄弱环节识别、辐射风险评估方法等方面的综合分析，拟建立风险评价模型，为空间用钚-238热源的安全使用提供参考。

1 辐射风险评估的数据准备

图1 风险评估的内容和分析步骤Fig.1 Content and steps of risk assessment

风险评估包括风险识别和风险评价，对可能引起风险的威胁和薄弱环节进行评估，根据风险评估的结果识别和选择安全措施，并将风险降低到可接受水平。风险评估的常用方法包括因素分析法、模糊综合评价法、定性风险评价法和概率风险评价法，其中概率风险评价法常用于核电站和核材料运输的安全分析。风险评估需进行大量的数据整理和分析，尤其是系统的安全数据、事故数据以及人员和环境数据。钚-238在航天器使用中风险评估的数据整理、分析过程示于图1。

从图1可知，数据来源主要可采用热源测试分析数据、国外发射历史数据、事故理论分析数据以及相关专家意见和统计数据等。钚-238热源在航天任务应用过程中的风险评估包括安全薄弱环节识别、威胁识别、事故后果分析及风险的表征等，具体包括以下内容：

(1) 钚-238热源安全性的结构分析；

(2) 发射轨道、发射事故景象等航天任务分析；

(3) 结合热源的安全性与发射事故景象完成安全事故薄弱环节识别；

(4) 对事故发生后的主要威胁进行识别，放射性物质主要考虑对人员和环境可能产生严重辐射影响的威胁；

(5) 事故后果分析，本文主要考虑辐射后果，包括环境的放射性污染面积、污染水平、污染持续时间和人员的受照剂量，以及健康影响等；

(6) 风险的表征与评价，是将个人辐射风险与辐射可接受水平进行比较。

2 辐射风险评估的过程及方法

钚-238热源形成辐射风险的途径包括作为Ⅰ类放射源的外照射和钚-238放射性物质泄漏后的扩散。其中，作为Ⅰ类放射源的辐射风险在正常工作和事故情况下均存在，主要考虑对地面人员(不包括载人航天器中的宇航员)的外照射剂量；钚-238放射性物质泄漏后的扩散，主要是发射过程的严重事故导致热源泄漏后形成的钚-238气溶胶扩散，造成人员和环境的污染。钚-238热源使用过程中辐射风险的研究方法示于图2。

由图2可知，事故的确定包括事故发生概率、爆炸与火灾等事故参数的计算。事故发生概率可直接作为风险计算的输入量，爆炸、火灾等事故直接影响钚-238热源的安全性及放射性物质的可控状态。钚-238放射性泄漏的情况下，气溶胶的扩散方式、扩散量与事故状态相关，需采用不同的计算模型。

3 实例分析

“嫦娥三号”任务是国内首次使用钚-238热源与大量使用放射性物质的太空任务，对后续任务具有重要的指导意义。本文以“嫦娥三号”任务使用钚-238热源为例进行辐射风险分析。

图2 钚-238热源使用过程中辐射风险的研究方法Fig.2 The research methods of the radiation risk

3.1 基础数据整理

3.1.1 热源安全分析数据

钚-238热源的结构决定了应用的安全性，是风险分析中薄弱环节识别的关键。钚-238热源结构包括源芯和包壳设计。

(1) 源芯设计。目前热源源芯均采用高温烧结二氧化钚陶瓷体，具有耐高温、高强度、粉尘少和核素浸出率低等优点，但陶瓷体的脆性及热导率低。通常，238PuO2陶瓷体熔点为2 400 ℃，常温下二氧化钚陶瓷微粒在海水与蒸馏水中的浸出率分别为1.0×10-3～1.23×10-3μg/d·mm3，1.4×10-3μg/d·mm3[5]。在热源包壳密封性损坏的情况下，陶瓷体结构有助于降低钚-238源芯形成放射性气溶胶的比例。

(2) 包壳设计。包括包壳材料选择、包壳尺寸及包壳结构设计。包壳材料选用高性能的铱合金和碳碳编织材料等；包壳尺寸不断进行优化调整，采用多层结构，包括密封层、高强度层和耐烧蚀层等。“嫦娥三号”任务用钚-238热源，结构示意图(图3a)及原型(图3b)示于图3。

为验证钚-238热源结构的安全性，结合可能的事故工况进行高温烧蚀分析、火灾模拟、高速撞击以及高速碎片撞击模拟等实验。由于航天器对质量、体积均有严格限制，无法对钚-238热源提供额外的冗余安全设计，安全性主要由热源源芯和热源包壳的性质决定。热源安全性数据要求列于表1。

图3 钚-238热源结构示意图(a)和热源实物照片(b)Fig.3 The heat source structure (a) and picture of 238Pu (b)表1 热源安全性相关数据Table 1 Heat source safety data

安全因素具体数据用途源芯钚-238等放射性核素的用量、源芯性能、源芯结构设计估算辐射源项包壳包壳材料、尺寸、结构设计安全薄弱环节分析安全性试验烧蚀、火灾、高速撞击、海水腐蚀等系列安全性试验数据安全薄弱环节分析及泄漏源项分析

3.1.2 威胁数据

威胁数据主要指运载火箭的相关参数、发射事故时航天器的轨道数据(高度、速度)以及爆炸、撞击等事故景象的相关数据。 “嫦娥三号”探测器采用的CZ-3BE Y23长三乙火箭(推进剂N2O4/UDMH)，进入LTO(地月转移轨道)，点火发射后朝东南方向爬升飞行[6]，其飞行时序列于表2。根据发射时间及可能发射失败的几率，发射阶段事故分析分为三个阶段：(1) 地面发射准备阶段，即0阶段；(2) 发射早期阶段，即1～2阶段；(3) 发射后期阶段，即3～8阶段。

表2 长征三号乙运载火箭典型的飞行时序[7]Table 2 The typical flight sequence of long March 3 B rocket

航空航天的发射事故包括控制系统故障、运载系统故障和通讯系统故障等多种类型。自20世纪50年代以来，世界各国在航天事业中发生过数以千计的不同类型的发射事故、数以万计的故障，其中以运载火箭的事故最为严重，占总事故的60%[8]。热源安全构成发射事故数据包括爆炸、冲击波、火灾以及撞击等参数列于表3。

表3 发射事故数据Table 3 Launch accident data

注：1) 我国公开文献中未对长征系列火箭发射失败的类型进行系统分析，失败概率以同样携带钚-238热源的卡西尼号[9]为例。

3.1.3 保护对象

保护对象主要为事故点周围的人员和环境。人员保护主要是控制外照射剂量、降低钚-238气溶胶的吸入量，达到合理可行且尽量低的水平；对环境的影响主要是钚-238泄漏形成的放射性气溶胶对地面、建筑等的污染。保护对象的分析数据包括人员和环境的影响范围、途径以及可能产生的后果或危害。

对影响范围及途径的调查主要是人文与自然环境调查，调查数据列于表4。

航天器发射的事故地点与事故类型、事故发生时的高度、速度等多个因素相关。数据调查主要集中在发射场及发射路径中的关注点，对于大海与荒漠等环境可简化处理。

表4 人员及环境调查数据Table 4 Staff and environmental survey data

钚-238核素为极毒放射性核素，可诱发机体严重的辐射损伤效应，该核素对人体的放射性毒理学数据及健康危害是计算分析辐射事故后果的关键数据。数据来源[10]主要是美国早年注入钚的病人和曼哈顿计划钚工作者的长期调查数据，动物资料或其他有关人群资料的推算结果，参见1998 年IAEA safety report series No.2和2007年ICRP103号文件。

3.2 基础数据分析

3.2.1 安全薄弱环节识别

安全薄弱环节识别主要分析热源在事故状态下的安全响应，将发射事故的工况参数与钚-238热源已进行的安全性试验数据进行对比判断，识别可能导致放射性物质发生泄漏或人员超剂量照射的安全事故。发射事故工况与发射任务相关，热源安全性试验模拟了部分事故工况，试验结果可以反映事故工况下热源的状态。部分事故参数与安全性试验参数列于表5。

由安全试验与事故景象对比结果可知，有氧环境下的高温、高速撞击坚硬障碍物以及坚硬物体穿刺等事故工况导致热源发生放射性物质泄漏的概率较高，是热源安全的薄弱环节。

表5 部分事故工况与安全性试验对比示例Table 5 Accident condition compared with safety testing

3.2.2 辐射威胁分析

辐射威胁源项即钚-238热源的中子外照射和钚-238放射性物质泄漏污染。热源中子发射率主要与原料性能相关，人员的受照剂量通过实际监测，如“嫦娥三号”任务用钚-238热源1 m处的中子外照射有效剂量率为0.06 mSv/h，其γ辐射剂量率较低而可以忽略。

钚-238热源泄漏后的源项较为复杂，包括放射性物质泄漏量和放射性气溶胶扩散分析。在爆炸、火灾等事故条件下，钚-238的陶瓷源芯可能发生脆性断裂，少部分出现粉尘化；钚-238热源包壳出现裂口导致钚-238放射性物质泄漏，形成放射性气溶胶向大气扩散。

(1) 钚-238核素泄漏量的分析

“嫦娥三号”任务中，钚-238热源的安全性测试未对可能发生泄漏的事故工况进行实验，无法确定热源安全极限值以及发生泄漏后的源项情况。泄漏量数据参考美国钚-238热源模拟实验数据，实验结果列于表6。

由表6可知，除“卡西尼号”的再入事故外，其余事故条件下热源中二氧化钚的泄漏量小于总质量的1‰。“卡西尼号”地球再入加速事故时泄漏率达到8%，是泄漏量最大的事故。 “嫦娥三号”任务的泄漏率分析可参考“卡西尼号”相关数据。

表6 卡西尼号不同任务阶段的二氧化钚泄漏情况[9]Table 6 Plutonium dioxide leakage data of the Cassini mission in different phases

(2) 钚-238气溶胶的形成

在事故条件下，泄漏的二氧化钚不会全部形成气溶胶，气溶胶中的可吸入份额与二氧化钚物理化学性质及事故条件有关。钚-238气溶胶的源项，参考美国Plumbob计划和Roller Coaster计划[11-12]，计划中采用炸药进行爆炸模拟试验，得到核武器在普通化学爆炸事故时的事故源项和放射性污染物扩散情况。 “嫦娥三号”任务中使用的二氧化钚源芯采用高温烧结陶瓷体，较核武器钚发生泄漏时的粉尘少、可吸入颗粒物的份额低，采用模拟试验的数据作为参考量可行。

3.2.3 保护对象的辐射影响分析

事故情况下，热源未发生泄漏时，对保护对象的辐射影响主要是Ⅰ类源的外照射。根据“嫦娥三号”任务的测量结果，事故处理人员的外照射剂量D可按照公式(1)计算：

(1)

式中，D为人员的外照射剂量， mSv；T为事故处理时间，h；R为人员与热源的平均距离， m；0.06为实际监测的有效剂量率(辐射权重因子取20)，mSv/h。

钚-238放射性物质泄漏形成气溶胶后，事故点周围公众、应急处置人员可能会吸入放射性核素形成内照射，并对环境造成污染。事故中热源泄漏的二氧化钚大部分是可回收颗粒，对人员和环境产生污染的主要是气溶胶的扩散行为。空气中气溶胶浓度、地面放射性物质的沉积浓度以及人员内照射50年累计剂量等事故后果的计算都与气溶胶的扩散行为相关。本文中钚-238气溶胶的扩散模型采用高斯扩散模型，根据事故类型分为火灾高斯扩散模型和爆炸高斯扩散模型。

火灾高斯扩散模型：

(2)

爆炸高斯扩散模型：

(3)

式中，C(x,y,z,t)为t时刻(x,y,z)点的浓度；Q为辐射源项(形成气溶胶的量)；σx、σy、σz为三个方向的扩散系数；u为风速；H为气溶胶释放处的高度。

将“嫦娥三号”任务中的相关数据代入公式，得到钚-238放射性物质的空气扩散浓度、地面沉积分布，并计算地面人员受照剂量，结果示于表7。结果表明，在“嫦娥三号”任务发射失败的假想事故条件下，人员受到的内外照射剂量不会产生辐射健康影响。事故工况下应重点关注环境污染，尤其是下风向相关设施和建筑的污染。

表7 计算结果Table 7 Conclusion of the calculation

4 小结

“嫦娥三号”任务辐射风险评估结果显示，使用钚-238热源的辐射风险较低，现有安全措施和辐射防护可保障人员辐射安全。事故情况下人员受照剂量及环境污染分布的计算结果，可作为钚-238空间应用的安全依据及严重事故下应急救援的依据。本文提出的辐射风险应用综合了热源安全分析、航天任务分析以及环境、人员等实际情况，在类似航天器(非载人航天器)发射事故中采用评估模型合理可行，可为携热源航天器任务的环境影响评价、安全分析和综合风险评估提供参考。

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The Radiation Risk Assessment Model of Plutonium-238 Heat Source in Spacecraft Launch Accident

PENG Hui1,2, TANG Xian1, CAI Ding-kan1, LUO Zhi-fu1

(1.ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China； 2.NuclearandRadiationSafetyCenter,Beijing100082,China)

The radiation risk is the key problem to the spacecraft which used the plutonium- 238 heat source. Radiation risk assessment includes large amounts of data analysis and evaluation methods establishment, involving heat source safety design, launch analysis and radiation dose estimation. Taking the Chang’e 3 for example, this paper puts forward the radiation risk assessment methods , processes and calculation result of this mission. At the same time, it can be used to guide the radiation risk assessment of domestic space missions which carry nuclear energy.

plutonium-238 heat source; launch accident; radiation risk

2016-05-30;

2016-09-18 作者简介：彭 慧(1983—)，女，湖南常德人，高级工程师，主要从事核技术应用中辐射防护研究

TL733

A

1000-7512(2016)04-0223-07

10.7538/tws.2016.29.04.0223