乏燃料运输船隔离防护设计分析

徐德涛,李晓辉,姜 伟

(1.上海船舶研究设计院,上海 201210;2.宜昌达门船舶有限公司,湖北 宜昌 443002)

0 引言

为满足核能可持续发展目标,我国确定了核燃料闭式循环的技术路线,即核燃料在反应堆中进行链式反应后卸出成为乏燃料,经后处理并提取其中有用的成分,重新制成燃料供核反应堆使用。

乏燃料运输船是一型具有完全自主知识产权的,适合我国沿海运输载运INF 3级辐照乏燃料的特种用途船舶。该船型的设计和建造突破了乏燃料运输船的关键设计、建造技术和管理技术,完善了乏燃料运输的辐射防护和应急处置流程。本文以某乏燃料运输船为研究对象,介绍《乏燃料运输船舶法定检验规则》(2018)[1](下文简称《规则》)等对屏蔽层设计的技术要求;然后结合实船的建造研究实现辐射屏蔽的物理屏蔽手段,并从安全流程上对隔断辐射进行探讨。

1 乏燃料运输船基本信息

乏燃料运输船是一艘国内远海航区,以载运INF 3级乏燃料为主要功能的多用途货船。作为国内首制的核废料运输船,需要满足中国船级社对本船专用的《规则》和《辐照核燃料运输船检验指南》(2018)[2](下文简称《指南》)的相关要求。

乏燃料系指子反应堆堆芯内受过辐照并从堆芯永久卸出的核燃料[1]。核燃料在进行链式反应后成为乏燃料,提取其有用成分后可重新制成核反应堆可用的燃料。结合快堆技术,可将铀资源的利用率提升约60倍,并大幅减少需处理的废物量。在核燃料闭式循环中,将乏燃料从核电站安全、有效地运输至后处理设施,是确保核电安全运行、保障后处理设施正常生产的关键一环。

乏燃料在自然冷却后会存储在特制的运输容器中,这种存储容器简称为“货包”。货包需符合《放射性物品安全运输规程》(GB 11806—2019)的要求,具有耐高温、高压、防辐射、防水、防碰撞等特点。该项目货舱按照运载NAC-STC型货包设计。每个货包可装载20或26个乏燃料组件,运输状态下货包的质量为121.4 t,货包源项基于表面2 m处剂量率水平为0.1 mSv/h。

INF货物:辐照核燃料(Irradiated Nuclear Fuel),指按《国际海运危险品法规》(IMDG 规则)中第7类货物装运要求的辐照核燃料、钚和高放射性废物的包装件。INF货物等级按照总放射性活度区分如下[2]:

INF 1—适用于载运INF 货物的总放射性活度小于4 000 TBq 的船舶;

INF 2—适用于载运总放射性活度小于2×106TBq 的辐照核燃料或高放射性废物的船舶和载运总放射性活度小于2×105TBq 的钚的船舶;

INF3—`适用于载运不限制总放射性活度的辐照核燃料或高放射性废物的船舶,以及载运不限制总放射性活度的钚的船舶。

该项目可运载INF 3级辐照乏燃料。

2 乏燃料运输船防辐射要求及难点

乏燃料至少经过8 a时间冷却,燃耗不大于48 000 MWd/tU方可允许转运。货包作为转运容器,将全程参与船运。虽然货包具有良好的防辐射效果,以及耐高温、高压、防水、防撞击等特性,但是不排除在运输途中出现意外的可能性。因此,本着高安全性、高冗余度的设计理念,乏燃料运输船自身也必须具备防辐射能力,以应对各种突发情况。

2.1 乏燃料运输船防辐射要求

根据《规则》第7章的要求:乏燃料运输船舶应根据其预期具有最大辐射风险的单次运输活动(至少应考虑乏燃料放射性活度、货包类型、装卸操作、航线、航行时间等影响)对船舶的辐射防护安全进行系统性设计,以确保个人剂量的大小、受照射人数和引起照射的可能性。在考虑经济和社会因素后,辐射量应保持在合理可行尽量低的水平,且人员所受剂量应该低于国家规定的相应剂量限值。辐照防护措施应该在确保船舶理性运输条件下,对于乏燃料的载运和装卸,或船舶常规部分的操作和维修,都不受到限制[1]。

为保证运输人员的身体健康和人身安全,运输人员全年的受辐射剂量是有严格要求的。

2.2 辐射的特性

由核燃料产生的辐射均为电离辐射。电离辐射分为2种:粒子辐射,如α、β、中子辐射等;波的辐射,如γ辐射和X射线等。不同的辐射有不同的穿透能力:α射线的穿透能力最弱;β射线可以穿透纸张但是无法穿透铝板;γ射线和X射线穿透能力最强,需要适当厚度的混凝土或铝板才能阻挡。因此在设计屏蔽层时,主要应对的是γ射线和X射线。

2.3 设计难点

(1)船舶活动区域有限。要保证航行状态下船舶的正常操作和维修不受限制,那么核辐射的粒子及射线需要固化在货舱区域内,不能渗透进生活区域及动力区域。

(2)船舶在海上航行,有较大几率遭遇恶劣天气或极端海况。在颠簸状态下防辐射屏蔽层需能经受住剧烈摇晃、强烈震动带来的不利影响,不能出现破损、开裂等状况。

(3)船舶货舱内部需要设置通风、消防等设备。这些设备需要在货舱外区域有驱动装置、能源供给等,而连接设备的管路必须要穿过屏蔽层,因此要保证贯穿件的防辐射效果。

3 防辐射设计

3.1 控制辐射源

货包是乏燃料的运输载体,也是隔绝辐射的第一道防线。ENUN 24P型货包的示意图见图1。

1—外盖;2—内盖;3—运输容器本体;4—上吊耳;5—下吊耳;6—外筒体;7—鳍片;8—中子屏蔽体;9—吊篮导向;10—吊篮外围板;11—螺纹杆;12—垫圈;13—螺母;14—不锈钢吊篮结构;15—吊篮中的MMC燃料管;16—燃料组件;17—吊耳螺栓。

货包中主要的辐射屏蔽层是布置于罐体中间夹层的中子屏蔽层,其他构件例如外筒体等金属构件也可以起到一定的屏蔽作用。在罐体的屏蔽作用下,内部乏燃料的辐射量可降低至表面2 m处,剂量率水平为0.1 mSv/h。按照公路运输标准中沿线公众的全年受辐射剂量小于0.1 mSv的要求,只要保证货包不破损,那么船员在航次内的辐射剂量都是在规定范围内的。

货包在运输途中出现破损只有以下几种状况:

(1)货包在吊装过程中从起吊设备上脱落。

(2)在航运过程中出现颠簸或大幅晃动,与周围结构物发生碰撞。

(3)货舱内发生火灾。

(4)货舱通风失效,货包内部温度急剧上升。

为防止(1)类情况发生,货包外均设有减震装置。所以,只要货包坠落是在其设计的安全高度范围内,基本不会发生罐体破损,引发泄漏事件。

为避免罐体在运输过程中与其他物体碰撞,在货舱底部设计专用的底座。货包的转运托架底座采用螺栓连接,保证货包在航行过程中的稳定性。

虽然乏燃料退出堆芯后已停止反应,并且至少经过8 a冷却才能放入货包进行转运,但是其本身的发热量仍然很高。货包本身具有耐高温特性,并且可以通过燃料吊篮促进排除腔体内热量。但是如果货包长期处于一个密闭环境,还是会由于环境温度过高导致散热效果下降,进而造成货包屏蔽层损坏。因此,在货包基座下方设置了专门的通风口,依靠风机对货包进行冷却。

风冷系统可以保证及时带走货包散发的热量,但是不排除突发事件造成货包温度急剧上升的情况。除了风冷系统外,该项目还在货舱舱盖设置了水喷淋系统,达到降温和灭火目的。

由以上几种措施共同组成的第一层核辐射屏蔽手段,可以大幅降低货包破损风险,从源头阻断核辐射泄漏的风险。

3.2 货舱防辐射屏蔽层

通过上述的货包减震系统、货舱绑扎系统、风冷系统、水冷系统,已基本可以保证货物运输的安全性。但是对于这种运输高危险品的船舶,设计时一定要提高冗余度,确保货品、人员的安全性。

根据《指南》第9章辐射防护的要求:船上应根据预期运输INF货物的实际或潜在辐射危害划分指定的区域,一般分为控制区域、监督区域和非限制区域,其中控制区域就是装载有货包的货舱区域。

3.2.1 屏蔽层设置原则

屏蔽层的设置是假设货包已经发生泄漏,核燃料将会对船员造成辐射伤害的情况下,依靠屏蔽层实施物理隔绝。

货舱作为货包的装载区域,应该是控制区域的最小单位,因此货舱可作为一个整体进行屏蔽考虑。

由于货舱的后端壁与机舱区域相邻,机舱区域上方就是船员生活区,一旦发生泄漏事故,辐射射线将通过这一界面直达船员生活区域,所以这一限界面要视作防护最重要的区域。其次考虑到对他船或环境的影响,货舱间的垂直界面及顶部界面也要予以重点保护。由于船底部直接面向海水,而水是天然的辐射屏蔽层,所以对于船体底部无需采取额外的屏蔽措施。

3.2.2 屏蔽层设计

钢材、混凝土、铅、聚乙烯、水等材料,都是可以用作屏蔽辐射的材料。

由于铅的密度大,价格也比较昂贵,并且长期使用对船员健康可能会造成危害,所以该材料在船舶屏蔽层设计中并不予以考虑。

钢板是船舶建造的基本材料,经济性较高且钢材的强度、韧性、耐高温性、防水性等都很好,所以是较为理想的屏蔽材料。在船舶设计过程中,只要保证货舱舱壁的连续性(防止辐射粒子或射线从缺口逃逸),就可以收获较好的屏蔽效果。

屏蔽层需要达到一定厚度才能起到阻挡射线穿透的效果,而钢板密度较大,不宜过厚,所以屏蔽层除了钢材之外,还需要辅以其他材料。在货舱两舷舱壁及艏部舱壁上,采用聚乙烯板材作为屏蔽层的第2种材料。货舱纵壁采用20 cm厚聚乙烯板,船首横舱壁采用的是25 cm厚聚乙烯板。

聚乙烯屏蔽效果好、耐酸碱性强,是经济性较高的屏蔽材料,但不耐高温,在110 ℃就开始熔化变形。因此,考虑到高温、失火等风险,在货舱与机舱的限界面采用了74 cm厚的淡水隔舱作为屏蔽手段。该屏蔽层具有不可燃、耐高温、不易损坏、易于补充等优势。

舱盖采用钢制箱式结构,总板厚(两层板叠加厚度)为20 cm。这个厚度不足以完全阻挡辐射射线穿透舱盖进入空气中。射线再经由空气形成漫发射,进而会影响到船上的监督区域和非限制区域。因此,舱盖的防护也同样重要,采用箱式结构也是出于敷设防辐射屏蔽层因素考虑的。舱盖属于活动构件,需要进行开启、关闭操作,如果采用单壳舱盖结构,很难保证屏蔽层材料在操作中与舱盖的牢固度,所以必须采用箱体结构,屏蔽层填充在箱体夹层内。舱盖在制造时,首先将顶板与四周板进行焊接,辐射材料填充完毕后,再将底板焊接封死。舱盖内部采用重混凝土进行填充。重混凝土具有便于敷设、填充性好、便于埋管操作、耐高温等优点。但是混凝土也有一个明显的缺陷,就是韧性较差,在舱盖发生形变时容易开裂。因此,舱盖内部的屏蔽层并不单纯是重混凝土,在远离封板焊接面的一侧,还敷设了10 cm厚聚乙烯板,以保证舱盖的防辐射效果。

货舱舱口间的甲板条区域空间狭小,不便铺设聚乙烯板材,所以也采用了重混凝土作为屏蔽层。

全船货舱区域的4个立面、1个顶面已经由屏蔽层全方位包围,再加上底部海水的防辐射效果,货舱区域已经与全船其他区域隔离开。

3.2.3 防辐射屏蔽门

货舱区域除了装卸货包时需要人员并进入进行装卸操作外,在航运过程中安保人员也要定期进行巡检。因此,货舱区域与全船其他区域限界面间的门也需要采取屏蔽措施,并且其屏蔽效果要与限界面的屏蔽效果一致。

根据运输货品的特性,货舱要具有一定的防火效果,限界面要保证水密并具有一定的气密性,所以该位置采用的是防辐射水密门。

根据防辐射要求,屏蔽门需要由15 cm厚聚乙烯及4 cm厚钢板组成。由于安保人员在巡检过程中需要穿着防辐射服,考虑到其进出通道的便利性,门通孔宽度为80 cm。初步估算,屏蔽门的质量约1 t,依靠手动开闭非常困难。因此,增加了电液驱动装置,通过油缸伸缩控制屏蔽门启闭,并且锁紧装置也采用电液驱动,以保证屏蔽门的密封性。

3.3 防泄漏措施

为保证船舶安全运输,除了货舱内部设有视频监控、伽玛探测器、中子探测器、火灾警报等遥控设备外,安保人员还要定期巡检,检测货包状态。

不论货包是否有泄漏,都会有微量的辐射粒子溢出。安保人员在巡查货舱时,防护服上会粘附这些带有辐射的粒子。如果货包发生泄漏,那么安保人员在巡视后会携带更多辐射粒子,这些有害物质在进入生活区前必须进行严格清理。在人员进出货舱区开启屏蔽门时,辐射粒子或射线,也可能趁机逃逸至生活区,所以必须在通道设置上隔绝以上情况的发生。

该项目在居住区与货舱区的左右两舷通道上,各设置了1个气锁间和1个清洁间。气锁间的两扇门与清洁室门是相互错开的,并且均带有自闭装置,目的就是通过交错的钢围壁防止辐射射线直接穿透开启的门洞到达生活区。自闭器可以保证门及时关闭,隔绝粒子从货舱区逃逸。这种布置方案已经申请了实用新型专利[3]。

在清洁室内,设有专门放置防辐射服的储藏柜、用于安保人员进行清洁的淋浴间及检测辐射粒子残留量的检测仪。在清洁间入口处还设有人脸识别系统,只有取得访问权的人员才能够进入货舱区域。安保人员的巡视路径从左舷进入,经过气锁间抵达左舷清洁室,在该房间内穿着防辐射服后方可进入货舱区域。清洁间靠近货舱区域一侧的门为屏蔽门,由电液控制。所有的屏蔽门在开闭过程中均会发出警报,提示相关人员注意安全。安全人员在清洁室屏蔽门完全关闭后,方可打开货舱纵舱壁上的屏蔽门进入货舱区域。3个货舱巡视完毕后,安保人员通过右舷清洁室离开货舱区域。在该清洁室内首先进行硼酸淋浴,然后到手脚表面污染检测器进行检测,达标后方可通过气锁间返回居住区域。

4 结语

乏燃料运输船是国内首次建造,填补了国内放射性材料运输领域的空白。由于其运载货物的特殊性,防辐射的能力是其成功与否的重要衡量标准。本着高冗余度的设计理念,必须从各个方面考虑可能发生的状况,以保证船舶的生存能力及船员的生命安全。在设计过程中,本文详细咨询了核电站、公路运输等与乏燃料相关行业的信息,结合水上运输的特殊性,考虑可能发生的危险,从主动防护、被动防护、安全操作等各个方面对辐射进行隔离。

随着核电的大力推广,核燃料、乏燃料的运输处理业务也会越来越多。在未来的项目中,辐射屏蔽设计也会越来越完善,也期待更多的新型屏蔽材料能够应用到乏燃料运输船上。