反应堆卸料燃料组件吊运跌落事故辐射安全分析

2018-07-27毛常磊董传江

核安全 2018年3期

吴耀，李莉，毛常磊，董传江，左伟，金涛

(中国核动力研究设计院, 四川成都 610005)

在某压水型核动力反应堆卸料过程中，燃料组件吊运是关键操作之一。由于燃料组件辐射水平很高，吊运安全风险大，在吊运时发生跌落事故的后果极为严重，不但损坏了吊篮和燃料组件，还会增加工作人员及公众的受照剂量，并污染场地[1]。为此，需要对燃料组件吊运过程中可能发生跌落的事故进行预先分析[2]，评价事故发生后对工作人员及公众的影响，根据分析的结果提出预防措施和缓解措施，以降低事故发生的概率，当事故发生时能迅速采取有效的缓解措施，减轻事故后果，减少事故所带来的对人员、公众、环境及财产的危害，减小事故照射，并使之减少到尽可能小。

1 事故起因分析

反应堆卸料前，制订了总体技术方案及卸料程序，均经过相关部门组织的专家审查，方案及程序合理、可行。反应堆卸料工作人员都具有相关工作经验，在工程实施前均进行相应的培训、考核。操作过程中，在现场有安全监督人员，因此，由工作人员误操作造成事故的可能很小。吊车、吊具的额定承重量远高于燃料组件及吊篮的重量。在燃料组件吊运时，还设置了吊具保护吊索及吊具防脱钩装置。其中，吊具保护吊索的承载重量远大于燃料组件及吊篮的重量，当吊篮吊具失效或吊耳损坏时，保护吊索将承载燃料组件及吊篮。在燃料组件吊运前，对吊车进行全面检修和试验，并进行模拟吊运试验。

综上所述，在燃料组件吊运过程中，不存在人员误操作、吊具断裂或与吊篮脱离的情况，在事故分析时，主要考虑由于吊车发生溜钩而造成燃料组件及吊篮跌落事故。对于桥式吊车，发生溜钩通常是由于机械系统故障和电气系统故障引起[3]，具体见表1。

2 事故进程

当吊车发生溜钩而导致燃料组件跌落事故时，首先，燃料组件掉落至地面，吊篮结构受损，部分燃料元件破损，乏燃料碎片撒落至地面；同时，随着燃料元件包壳的破损，元件中的裂变气体逸出。燃料碎片撒落至地面，造成工作场所地面污染；而裂变气体逸出，迅速扩散至整个工作场所，工作场所空气中的放射性核素含量迅速增大，由于在燃料组件吊运时，工作场所的通风系统处于运行状态，逸出的裂变气体经排风系统排出，进入大气环境。

3 事故缓解措施

事故发生后，采取的缓解措施如下：

(1)工作人员立即停止吊运操作，无关人员迅速撤离现场；

(2)封闭操作大厅，防止放射性气体在大厅周围扩散，造成较大范围的污染；

(3)加强操作大厅的通风，监视排风塔排出流放射性活度浓度变化；

(4)启动全部固定辐射监测系统，对污染区域辐射水平进行测量，掌握事故现场的辐射水平；

(5)现场工作负责人员立即将情况报告给应急指挥部；

(6)医疗救护组接到命令后进入操作大厅外待命；

(7)剂量监测人员检查操作大厅门外剂量，根据实际水平，划出警戒隔离区域，放置放射性标志，禁止非应急人员进入规定的禁区；

(8)启动应急监测评价程序，派出应急监测车，对环境辐射状况进行监测评价。

表1 桥式吊车发生溜钩的原因

4 事故处理程序

事故发生后，事故处理人员穿戴好防护用具，迅速进入事故现场，对事故进行处理，具体的处理程序如下[6,7]：

(1)吊车操作人员在屏蔽操作室操作主钩电机，点动抬升主钩，使吊篮离开地面800 mm～1000 mm，再运行吊车大车移动吊篮，在移动过程中，如主钩继续溜钩，当吊篮接近地面(约300 mm)时，操作主钩电机，将吊篮提高，确保吊篮在移动过程中不再掉落至地面，如此缓慢将燃料组件及吊篮吊运至保存水池就位于吊篮支架上；

(2)对撒落至地面的燃料碎片，工作人员使用长杆工具对其进行清理，收集在专用容器中，吊车操作人员在屏蔽操作室操作吊车，将专用容器吊运至安全区域；

(3)工作人员对事故现场进行清洗、去污，去污后进行辐射水平及表面污染监测；

(4)提出事故处理后续方案，报上级有关部门审查后，进行后续处理。

5 事故后果分析

5.1 源项

5.1.1 燃料组件存留量

在反应堆卸料时，其乏燃料组件中放射性核素的含量[8,9]依据其运行史，利用ORIGEN2程序进行计算[10,11]，计算结果如下：

反应堆卸料时(停堆约5年)，按最深燃耗(约为20.1%)计算的每组燃料组件中放射性核素总活度为1.39×1013Bq，其中，85Kr的放射性总活度为2.82×1011Bq；按平均燃耗(约为16.9)%计算的每组燃料组件中放射性核素总活度为1.11×1013Bq，其中，85Kr的放射性总活度为2.37×1011Bq。

5.1.2 事故源项分析

在进行事故分析时，首先需假设或估算确定破损元件数量、放射性气体释放量、燃料碎片撒落量及辐射水平。

(1)破损元件的数量

在燃料组件吊运过程中，由于吊车溜钩，致使燃料组件及吊篮整体跌落至地面，导致吊篮结构受损，所有燃料组件中的多个燃料元件破损。在进行事故分析时，根据跌落高度、地面条件及燃料组件的结构等情况，保守估计所有破损燃料元件的数量不超过10组燃料组件中总的元件数量。

(2)放射性气体释放量

事故发生后，破损的燃料元件中的85Kr迅速释放，进入工作场所空气中，成为气体中主要的放射性核素，总活度约为2.82×1012Bq。

(3)燃料碎片撒落量

事故发生后，所有燃料组件及吊篮跌落至地面，导致吊篮结构受损，各燃料组件中的多个燃料元件破损，部分燃料碎片撒落到地面上。在进行事故分析时，根据跌落高度、地面条件及燃料组件的结构等情况，保守估计撒落到地面上的燃料碎片不超过1组燃料组件中总的燃料量。

(4)辐射水平

利用MCNP程序对燃料组件的辐射水平进行计算[12]。其中，所有燃料组件的整体的辐射水平见表2，空吊篮的辐射水平见表3；单组燃料组件的辐射水平见表4。

表2 所有燃料组件整体的γ辐射水平

表3 空吊篮γ辐射水平

表4 单组燃料组件γ辐射水平

5.2 受照剂量分析

5.2.1 浸没外照射

事故发生后，85Kr迅速释放并弥散整个操作大厅，假如工作人员不能及时撤离，将会造成浸没外照射。

浸没外照射受照剂量按下式计算：

H浸=X·g·Δt

式中：H浸—没外照射个人有效剂量，Sv；

X—空气中放射性气体的活度浓度，Bq/m3；

g—单位累积空气浓度的有效剂量率，(Sv·d-1)·(Bq·m-3)-1；

Δt—工作人员停留时间，h。

操作大厅的容积为2.02×104m3，在最保守情况下，即不考虑大厅排风的影响，则空气中85Kr的活度浓度为1.40×108Bq·m-3；对于85Kr，单位累积空气浓度的有效剂量率为2.2×10-11(Sv·d-1)·(Bq·m-3)-1；假设工作人员在现场停留时间最长为1小时，则接受85Kr浸没外照射剂量为1.28×10-1mSv。

5.2.2 事故处理人员受照剂量

事故处理的第一步，即将吊篮重新起吊、移动至保存水池并就位于吊篮支架上时，工作人员操作位置在屏蔽操作室内，其受照剂量极小。

对撒落至地面的燃料碎片进行清理、收集时，工作人员利用长杆工具，其操作位置距燃料碎片约3米，撒落至地面的燃料碎片最保守估计相当于1组燃料组件中总的燃料量，而距单组燃料组件中部表面3 m处的辐射水平为30mSv·h-1。由于事故处理人员穿戴有防护用具，在采取一定的局部屏蔽措施后，可确保工作人员操作位置辐射水平不超过30 mSv/h。此过程需要事故处理人员2名，约需要30分钟，则工作人员受照射剂量不超过15 mSv。

在工作人员对撒落至地面的燃料碎片进行清理、收集后，残留下来的碎片估计不足1%，工作场所的辐射水平将降低至1 mSv·h-1以下，工作人员对事故现场进行清洗、去污，并对辐射水平及表面污染进行监测，整个过程需要工作人员4名，约需要1小时，则工作人员受照射剂量不超过1 mSv。

综上，事故处理工作人员个人有效剂量最大为15 mSv，整个事故处理工作人员的集体剂量为34人·mSv。

5.2.3 事故对环境的影响

根据放射性气体的释放源项，对厂址10 km范围内不同距离的公众的受照剂量进行估算[13,14]，其个人有效剂量和集体有效剂量列于表5，事故对厂址周围主要居民点的辐射影响见表6。由表5和表6可以看出，事故致使厂址N方向距离厂址边界约1.5 km处村庄公众接受的个人有效剂量最大，为2.56×10-6mSv，事故造成10 km范围内公众集体有效剂量为3.75×10-2人·mSv。

表5 燃料组件吊运跌落事故所致公众最大个人有效剂量及集体剂量

表6 事故对周围主要居民点的辐射影响

5.3 受照剂量评价

当燃料组件吊运时发生吊车溜钩，导致相当于10组燃料组件中的燃料元件完全破损的事故时，对工作人员、事故处理人员及公众造成的辐射影响见表7。由表7可知，事故对工作人员及事故处理人员造成的个人有效剂量最大分别为3.19×10-1mSv和15 mSv，低于GB 18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》所规定的个人年有效剂量50 mSv的限值[15]。从环境影响评价可知，事故致使厂址边界N方向约1.5 km处村庄公众接受的个人有效剂量最大，为2.56×10-6mSv，远小于GB 18871-2002所规定的公众个人年有效剂量1 mSv的限值[15]。