高化超，仲晨華，羅　鵬，牟金磊

(1.海軍工程大學 艦船工程系，武漢 430033；2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064)

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一種核事故下船舶核防護改裝裝置的研制

高化超1，仲晨華1，羅鵬2，牟金磊1

(1.海軍工程大學 艦船工程系，武漢 430033；2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064)

針對核應(yīng)急情形下普通船舶在沾染區(qū)域安全撤離人員和搶運設(shè)備的需求，設(shè)計一種可于核素彌散環(huán)境下對船舶提供一定輻射防護能力的改裝裝置。采用Pb板、鉛砂和不銹鋼材料進行組合屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合γ輻射屏蔽計算和放射性點源屏蔽實驗測量數(shù)據(jù)，校核核防護改裝裝置的點源屏蔽效果，計算和實驗結(jié)果表明，該核防護改裝裝置對于γ射線具有較好的屏蔽減弱效果。

船舶；撤離；核防護；改裝

隨著全球核動力船舶的逐漸增多，以及海岸和海島地區(qū)核電站的大量興建，一旦發(fā)生核事故，救援需求凸顯。俄羅斯正在建造的“羅蒙諾索夫院士”號核電站為海上浮動核電站，我國在福建寧德建立了國內(nèi)首座海島型核電站，且2號機組于2014年并網(wǎng)發(fā)電。在此類核電站發(fā)生核事故后，需迅速將困于離岸建筑和海島封閉環(huán)境中的大量人員和重要設(shè)備進行撤離，此時船舶輸運是一個較好的選擇。目前各國具有一定核防護能力的船舶較少，緊急狀態(tài)下對已有民用船舶進行快速改裝較為方便可行，從而使船舶具備在輻射影響較大區(qū)域大規(guī)模運輸人員和設(shè)備的能力。

對于專門的核保障和核救援船舶，本身具有一定的防核污染、核輻射的能力。在事故發(fā)生后趕到救援地點需要一定時間，且執(zhí)行救援任務(wù)的艦船在核救援時要面臨核污染、核輻射的威脅，在艦船的某些受輻射影響嚴重的艙室，也需要采取屏蔽措施。部分民用船舶加以改裝來輔助協(xié)助救援工作的進行是必要的，根據(jù)當?shù)卮疤攸c加裝一定核防護改裝設(shè)備后可提升救援過程中船上人員的安全性，亦可有效提升救援速度。

從船舶設(shè)備布置和防護性能考慮，核防護改裝結(jié)構(gòu)需滿足以下條件。

1)輻射屏蔽層應(yīng)能夠在船舶艙室表面進行快速敷設(shè)，而且船舶脫離危險區(qū)域后能夠較為方便迅速地拆除并清洗。

2)有害物質(zhì)(鉛等重元素)局限于一定區(qū)域內(nèi)，不會直接與人員相接觸，對人員造成傷害或者污染環(huán)境。

3)防護性能達到要求，受輻射影響嚴重的艙室進行重點屏蔽，整體屏蔽效果滿足指標。

基于以上條件，設(shè)計一種核防護改裝裝置，并利用點源輻射屏蔽試驗驗證設(shè)備的輻射屏蔽效果。

1　輻射影響區(qū)域船舶防護水平分析

1.1事故區(qū)域輻射源項分析

根據(jù)海上核素彌散環(huán)境及船體結(jié)構(gòu)特點，在輻射射線類型中γ輻射危害性較大；在海上，因多次散射，大部分彌散核素光子能量在1.0 MeV及以下[1]。

事故核素彌散區(qū)域放射性元素的種類基本為易揮發(fā)性核素，其核素類型見表1。

表1　事故區(qū)域放射性元素種類列表

1.2船舶不同部位輻射類型分析

船舶因不同部位艙室、走廊通道、設(shè)備設(shè)施等布置方式的不同，屏蔽輻射的效果也不同。從全船結(jié)構(gòu)考慮，將輻射屏蔽區(qū)域分為三類。

1)船舶上層建筑通過外板、艙壁等結(jié)構(gòu)的屏蔽減弱輻射效果。

2)船舶水線以上甲板以下結(jié)構(gòu)通過各層甲板及船外板進行輻射防護。

3)船舶水線以下結(jié)構(gòu)通過船外板進行防護。

圖1所示為航行狀態(tài)下艦船受輻射影響情況。

圖1　航行狀態(tài)下艦船受輻射影響情況

對于船舶甲板以上的上層建筑，因其主要結(jié)構(gòu)為艙壁板和各類分隔支撐結(jié)構(gòu)，在航行時特點主要有：①艙室布置的密集度較高，因上層建筑一般作為人員操作、休息等集工作、休息為一體的建筑，因此各類功能的常駐人員房間較多，相隔較近；②艙壁及外板的鋼材厚度與船外板厚度相比存在一定差距，艙壁的材料也不全是鋼材，因此其輻射屏蔽效果相對其它區(qū)域較弱；③上層建筑的空氣流動屏蔽效果較差，艙壁所開的舷窗、出入通道結(jié)構(gòu)較多，在輻射區(qū)域航行時放射性沾染的氣體可能會從各類縫隙中進入艙室內(nèi)部，形成少量的放射性照射效果；④上層建筑除與船舶甲板相接的一面外，其余各面均受核素彌散區(qū)域放射性核素影響，其需要考慮屏蔽的區(qū)域較多。

上層建筑中某些艙室為有人艙室，此時在輻射影響區(qū)域航行時應(yīng)盡力減少上層建筑中的人數(shù)；上層建筑的門窗較多，為防止彌散核素從縫隙侵入，應(yīng)關(guān)緊艙室內(nèi)外的門窗，盡量減少內(nèi)外的空氣交換；上層建筑的外板較薄，因而人員應(yīng)盡量撤離上層建筑中靠邊緣位置，留出一定的屏蔽距離；為防止沾染氣體通過縫隙侵入艙室，可在艙室中設(shè)置正壓。

對于船舶甲板以下水線以上部分的結(jié)構(gòu)，因其主要結(jié)構(gòu)為船外板、各層甲板和各類支撐結(jié)構(gòu)，具有以下特點：①各類艙室和通道較多，與外界核素彌散區(qū)域相隔較遠；②船外板和各層甲板具有一定厚度，內(nèi)部艙壁厚度也可起到一定的屏蔽作用，整體輻射屏蔽減弱效果較好；③在各通道關(guān)閉的情形下，整體密閉性能較好，因此在計算防護效果時主要考慮通過船舶外板輻射減弱后的照射影響。船舶甲板以下水線以上區(qū)域的艙室中，整體輻射水平與上層建筑中的情形相比已大大減小，而且此區(qū)域中部艙室位置適合在事故輻射影響區(qū)域航行時作為船員從上層建筑撤離后的輻射遮蔽場所。

對于船舶水線以下部分，艙室類型主要為底艙、油艙等非住人艙室，允許人員長時間停留的艙室不多，但此處艙室具有以下特點：①靠近船舶外板的艙室主要是非住人艙室，因此輻射不僅要穿透外板，同時也要經(jīng)過相關(guān)艙室的屏蔽后方可對人體產(chǎn)生影響，整體屏蔽效果較好；②海水是非常好的屏蔽體，并且輻射源經(jīng)海水稀釋后其核素濃度水平已經(jīng)變得很低，需要屏蔽的輻射源放射性活度值較低；③船舶底部艙室一般布置機艙等動力艙室，此處區(qū)域的噪聲水平和環(huán)境溫度較高，不適宜人員長久停留。

綜合以上原因，可以得出普通船舶在輻射影響區(qū)域進行應(yīng)急救援工作時，除駕駛操縱人員以外，其他人員應(yīng)盡量處于船舶甲板以下中部的中心位置艙室或距離邊艙有一定距離的艙室中，同時應(yīng)盡量關(guān)閉船舶與外界的各處舷窗和通道，減少與船體外部的空氣流通。在不做防護的情形下，只有船體中部和下部的艙室適合被救人員停留，但底部艙室因密閉原因空氣流通性較差，艙內(nèi)環(huán)境較差。

因此，本應(yīng)急核防護改裝設(shè)備設(shè)計用于船體上層建筑表面及船體中與船外板相鄰邊緣艙室中，加裝此設(shè)備后可減弱船體內(nèi)部的輻射強度，并增大可用于被救人員停留的艙室數(shù)量和內(nèi)部體積。

2　改裝設(shè)備結(jié)構(gòu)及布置

因船體表面形狀限制，改裝設(shè)備主要鋪設(shè)于船體上層建筑和船體主甲板表面，從而減弱鋪設(shè)區(qū)域的輻射照射量水平。改裝設(shè)備主要分主體部分和弧度過渡部分，主體部分適用于平面區(qū)域的鋪設(shè)，鉛板之間的空隙以T型材補充屏蔽厚度；弧度過渡部分適用于上層建筑表面彎折部位的連接，鉛板之間的空隙以相應(yīng)厚度的鉛砂補充。

2.1改裝設(shè)備結(jié)構(gòu)

主要由不銹鋼支撐結(jié)構(gòu)、鉛輻射屏蔽板、鉛砂、編織網(wǎng)等材料組成。整體設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　核防護應(yīng)急改裝設(shè)備截面視圖

整體防輻射屏蔽結(jié)構(gòu)由主體結(jié)構(gòu)、不銹鋼包殼、鉛屏蔽板、鉛砂、過渡連接結(jié)構(gòu)五部分組成。在快速組裝過程中，首先將鉛板插入不銹鋼包殼，封口后再將包殼插入主體屏蔽結(jié)構(gòu)，然后螺栓固定并通過注砂孔向過渡結(jié)構(gòu)注入鉛砂，最后封閉表面即可吊裝至船體上進行覆蓋。

不銹鋼包殼主要功能：①包裹鉛板并提供一定的屏蔽效果；②封閉鉛板，防止鉛在破損狀態(tài)或因其他原因而與人體發(fā)生接觸造成鉛中毒；③作為固定結(jié)構(gòu)的支撐，開有螺栓口。

鉛屏蔽層由10 mm厚度的鉛板組成(在輻射屏蔽實驗中采用10 mm尺寸，若有實際需要也可改成其他厚度)，起主要的輻射屏蔽效果。在設(shè)計中因鉛砂填充可彎折機構(gòu)的連接空隙，T型材補充鉛板之間的屏蔽厚度，因而整體屏蔽無死角，且整體結(jié)構(gòu)可貼附于艙室的外表面上，形成一層有效的防輻射屏蔽層，從而保護重要艙室中人員的生命健康安全。

鉸鏈連接結(jié)構(gòu)可根據(jù)艙室的外部形狀而在相應(yīng)位置處進行一定的折彎，保證與艙室外板的走向保持一致(在外板表面凹凸變化并不劇烈的區(qū)域)。在舷窗區(qū)域可進行開孔，舷窗區(qū)域因視野需要可采用一定厚度的鉛玻璃進行輻射防護。

2.2改裝設(shè)備布置方式分析

改裝設(shè)備布置的區(qū)域主要有三處，分別為上層建筑的外表面、船體甲板和船體內(nèi)靠近船外板的艙室內(nèi)壁。對于臨時應(yīng)急的核防護改裝而言，上層建筑中的一些重要艙室如駕駛室、通訊設(shè)備間等位置需要進行防護改裝，以保證船舶正常駕駛的安全；其他上層建筑艙室在需要運送人員時也需要做防護改裝以保證輻射安全。對于艙室內(nèi)靠近船體外板的區(qū)域最好也做一定防護處理，主要因為在船體外板產(chǎn)生一定輻射屏蔽效果的同時，臨時改裝的核防護屏蔽層會將射線進一步削弱，從而使得船體內(nèi)部安全的停留區(qū)域面積變得更大，也就可以輸運更多人員撤離。上層建筑外部輻射防護改裝的效果見圖3。

圖3　駕駛室輻射改裝效果示意

在本防護層的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用6 mm不銹鋼+10 mm鉛的屏蔽形式，同時在兩塊板之間的縫隙區(qū)域填充等屏蔽效果的鉛砂，做到不影響兩塊板之間結(jié)構(gòu)的屏蔽效果的同時還可相對轉(zhuǎn)動。

3　改裝設(shè)備輻射屏蔽計算

在不計材料自吸收和散射情形下，通過無限大體積源下的照射量率計算公式，可以得到粒子中低能量情形下γ射線通過屏蔽材料后的減弱情況[6-7]，其減弱規(guī)律為

(1)

多層屏蔽體的總積累因子B具有如下特性：兩層厚度適中的重輕材料組成的屏蔽體，當輕材料靠近源，重材料靠后時，積累因子近似為相應(yīng)總厚度(以計)的重材料積累因子；反之，則近于兩層材料積累因子的乘積[8]。

照射量率積累因子可由泰勒經(jīng)驗公式得到[7]

(2)

改裝裝置中材料所能達到的輻射屏蔽減弱倍數(shù)計算公式如下[8]：

(3)

式中：AS——沾染區(qū)域的放射性比活度，Bq·m-3；

?！丈淞柯食?shù)，C·kg-1·m2·Bq-1·s-1；

μ——介質(zhì)質(zhì)量線衰減系數(shù)；

d——介質(zhì)厚度，cm；輻射源與計算點間最短距離為r，m；

B——屏蔽照射量率積累因子；

f——照射量率與吸收量率的轉(zhuǎn)換因子；

A1,α1,α2——γ射線的能量函數(shù)，通過查表得到。

圖4　Fe和Pb質(zhì)量線衰減系數(shù)擬合效果

可以看出，對于低能量的光子Pb具有更好的輻射屏蔽效果，因此采用Pb作為主要的屏蔽材料是合適的。

裝置整體所涉及的屏蔽要求有兩個影響因素，一為改裝船舶中人員所受照射劑量率與法規(guī)中劑量率限值之間的屏蔽倍數(shù)要求；另一為改裝裝置本身所能達到的屏蔽減弱倍數(shù)。依據(jù)ICRP26號建議的事故區(qū)域人員的劑量標準限值，救援及被救人員全身均勻照射下的劑量當量限值取為50 mSv，以福建寧德核電站距市區(qū)32 km為例，普通船舶救援時間加上沾染區(qū)域往返航行時間約耗費2 h(以航速20 kn計)，改裝裝置需要達到的輻射屏蔽減弱倍數(shù)為

式中；t——船舶在沾染區(qū)域停留時間，h；

S——人員劑量當量限值，mSv；

Si——人員在未上船前沾染輻射劑量當量，mSv。

對于本設(shè)計中的輻射屏蔽結(jié)構(gòu)(見圖5)而言，由于海上大氣彌散環(huán)境下主要的放射性核素有131 I、137 CS、131 Xe等放射性元素，因空氣中散射的緣故其光子能量較低，在計算中偏安全考慮，以137Cs的發(fā)射光子(0.667 MeV)屏蔽效果進行參數(shù)選取和計算。

圖5　屏蔽層結(jié)構(gòu)示意

由圖5可見，主要的輻射屏蔽層厚度為6 mm不銹鋼板+10 mm鉛板，兩鉛板之間的屏蔽縫隙由一定高度的T型材腹板彌補，由式(3)計算得到改裝設(shè)備屏蔽層結(jié)構(gòu)的屏蔽減弱倍數(shù)：N2=3.42。兩個屏蔽倍數(shù)中，需滿足N2≥N1，若不滿足，需增加改裝設(shè)備的屏蔽減弱倍數(shù)，即增大屏蔽層厚度。

在大氣彌散中，因光子能量多次散射，其經(jīng)反散射后光子能量E計算公式為[8]

(5)

式中：E0——光子初始能量；

θ——入射射線與反射射線間夾角。

由式(5)并結(jié)合圖4可見，粒子經(jīng)多次反散射后，其能量水平不斷降低，采用Pb等高原子序數(shù)的材料是較為合適的。

4　改裝設(shè)備輻射屏蔽試驗驗證

4.1試驗前準備及步驟

試驗所需設(shè)備：137Cs放射源一個，活度為4.144×108Bq；便攜式BH3103B χ-γ劑量率儀1臺；聯(lián)合工作服3套，個人劑量計3套；細長木桿1根(1.6 m)，卷尺1把，直尺1把，三角尺1把，記號筆1支，膠布1卷，粉筆若干，鑷子1把；6 mm鋼板+10 mm鉛的改裝設(shè)備主體屏蔽板2塊，尺寸見圖6。

測量步驟參考船用放射性儲存罐輻射安全檢測流程，具體如下[5]：①主體屏蔽區(qū)域尺寸丈量；②環(huán)境本底測量；③無屏蔽參考值測量，此時測量方式為將放射源固定到木桿上，與板中心測量點重合且距頂端50 cm，再將BH3103B便攜式劑量儀的探測器前端面放置到離木桿前端面16 mm位置(此厚度為被測屏蔽結(jié)構(gòu)壁厚)，測量出無屏蔽時探測器端面距放射源為51.6 cm時的劑量率值并記錄；④屏蔽效果檢驗測量，加主體屏蔽板后，測量方式與步驟3一致，且6個測量數(shù)據(jù)為一組。

4.2試驗數(shù)據(jù)及分析

經(jīng)過以上測量過程，重點針對鉛板中心處、斜面的劑量值，得到一系列防護改裝設(shè)備的屏蔽測量數(shù)據(jù)見表2。

圖6　兩種屏蔽主體板外形尺寸示意

圖7　主體防護區(qū)域點源放射性屏蔽試驗(中部有開孔)

表2　放射性屏蔽測量數(shù)據(jù)結(jié)果

分析測量數(shù)據(jù)可以看出以下特征。

1)試驗所得到的屏蔽主體結(jié)構(gòu)在137Cs點源0.662 MeV能量下的整體屏蔽減弱倍數(shù)為3.5至5倍之間，考慮到以點源進行屏蔽試驗的情形，與計算值較為吻合。

2)實際斜面處因射線斜入射效應(yīng)其屏蔽減弱倍數(shù)應(yīng)比非斜面情形更高一些，但因采用點源近距離屏蔽實驗，粒子散射影響較為嚴重，造成斜面處屏蔽減弱倍數(shù)較低。

3)在船舶表面鋪設(shè)的改裝設(shè)備形狀對屏蔽效果影響不大，試驗中采用的梯形面適用于上層建筑表面鋪設(shè)，方形面適合在甲板等平坦區(qū)域鋪設(shè)，扣除測試環(huán)境散射影響后分析可知屏蔽主體結(jié)構(gòu)形狀對屏蔽效果影響不大。

4)對于舷窗開孔區(qū)域，可采用等屏蔽效果的鉛玻璃，以滿足屏蔽與觀察的雙重需求。

5　結(jié)論

1)沿用輻射安全檢測方法[5]，對比數(shù)值計算結(jié)果和試驗測量結(jié)果，驗證了應(yīng)急核防護改裝裝置在點源輻射屏蔽方面的減弱效果，對于船舶需要在嚴重輻射影響水域停泊時可適當增加Pb屏蔽層厚度來提升屏蔽減弱效果，但不同輻射環(huán)境下的對應(yīng)屏蔽結(jié)構(gòu)厚度尚需進一步研究。

2)該核防護改裝裝置可實現(xiàn)核應(yīng)急等突發(fā)狀態(tài)下，對民用船舶進行一定核防護能力改裝并使其具備在核素沾染區(qū)域進行大規(guī)模人員撤離的能力。改裝后可降低船舶撤離時相關(guān)人員照射劑量超標的危險，同時增加船上可安全利用的艙室空間。為達到短時間內(nèi)對船舶快速改裝的要求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計方案仍待進一步優(yōu)化。

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Design of Ship Equipment Refit to Nuclear Protection Under the Nuclear Accident Emergency

GAO Hua-chao1, ZHONG Chen-hua1, LUO Peng2, MOU Jin-lei1

(1 Dept. of Ship Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2 Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

During the process of nuclear emergency, there exist some requirements such as evacuation and rush transportation of equipment by using the method of shipping, to design a kind of modification device which could serve basic nuclear shielding effect in nuclide dispersion conditions. Though the combination of lead plate, stainless steel and lead ore shielding structure design, and during the designing and experimenting, the main parameters are thoroughly demonstrated through calculation and point source experimental measurement data. The experiment and simulation data conformable indicates that the modified ship equipment has good shielding effect for γ radiation.

ship; evacuation; nuclear protection; retrofit ship

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.020

2015-08-11

2015-10-15

國家自然科學基金青年項目(51309231)

高化超(1990-)，男，碩士生

U661.74；X591

A

1671-7953(2016)01-0103-06

研究方向:艦船核防護

E-mail:1005033520@qq.com