周繼時(shí),朱安文,耿言

(1.探月與航天工程中心,北京100037;2.中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京100094)

空間核能源應(yīng)用的安全性設(shè)計(jì)、分析和評(píng)價(jià)

周繼時(shí)1,朱安文2,耿言1

(1.探月與航天工程中心,北京100037;2.中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京100094)

針對(duì)核動(dòng)力航天器應(yīng)用中的安全性問(wèn)題,調(diào)研了國(guó)際上涉及空間核安全的規(guī)章制度,并結(jié)合美國(guó)和俄羅斯在空間核安全設(shè)計(jì)、分析、評(píng)價(jià)等方面的成功經(jīng)驗(yàn)和做法,提煉出了在空間核安全設(shè)計(jì)、管理等方面的有關(guān)要點(diǎn),可以用于指導(dǎo)國(guó)內(nèi)空間核動(dòng)力航天器的研發(fā)和應(yīng)用。

核動(dòng)力航天器;空間核安全;放射性同位素電源;空間核反應(yīng)堆

0 引 言

太空探索時(shí)代,航天器飛離太陽(yáng)的距離越來(lái)越遠(yuǎn),能源需求日益成為制約太空探索任務(wù)實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[1]指出,從任務(wù)時(shí)間、可行性及其性能潛力等方面看,核能推進(jìn)是最有希望實(shí)現(xiàn)快速和更遠(yuǎn)深空探測(cè)任務(wù)這一目標(biāo)的技術(shù)之一。

核動(dòng)力航天器泛指所有在空間使用核能的航天器。核能產(chǎn)生方式包括衰變、裂變和聚變。核能空間利用形式包括核熱源、核電源和核推進(jìn)。

過(guò)去幾十年間,美國(guó)和俄羅斯一直致力于空間核動(dòng)力的研發(fā)。截至2014年底,人類共發(fā)射73顆核動(dòng)力航天器。其中,美國(guó)32顆,蘇聯(lián)40顆,中國(guó)1顆,同位素航天器38顆,核裂變航天器35顆。雖然人類在應(yīng)用空間核動(dòng)力上取得成功,但是少數(shù)幾次空間核事故,尤其是1978年蘇聯(lián)的“宇宙-954號(hào)”(COSMOS-954)墜落在加拿大,引起了世界各國(guó)對(duì)空間核動(dòng)力應(yīng)用安全的高度關(guān)注[2]。

與地面核設(shè)施相比,空間核動(dòng)力裝置的運(yùn)行環(huán)境和任務(wù)剖面不同,體積和質(zhì)量受限,無(wú)法像地面核設(shè)施一樣采取多重冗余設(shè)計(jì)和保護(hù)。因此,為安全應(yīng)用空間核動(dòng)力裝置,必須對(duì)其獨(dú)特的安全性設(shè)計(jì)加以研究,制定合適的安全原則和策略,以指導(dǎo)空間核動(dòng)力裝置的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

1 主要空間核事故

1)美國(guó)

美國(guó)進(jìn)行的32次載有空間核動(dòng)力裝置的太空任務(wù),3次失敗,但沒(méi)有造成明顯的放射性危害[3-7]。

1964年4月發(fā)射的“Transit 5BN-3號(hào)”衛(wèi)星未能入軌。星上放射性同位素電源(radioisotope thermoelectric generator,RTG)采用了在發(fā)射失敗情況下高空燒毀并完全擴(kuò)散的策略。這次事故后,美國(guó)調(diào)整了安全策略,要求一旦發(fā)射失敗,RTG再入后必須保持完整。

1968年5月Nimbus B-1發(fā)射時(shí),運(yùn)載火箭在高空自毀。衛(wèi)星上搭載的RTG在再入和被海水淹沒(méi)過(guò)程中,其外殼依然保持完整。

“阿波羅13號(hào)”太空船的服務(wù)艙爆炸后,載有RTG的登月艙再入地球大氣。據(jù)推測(cè)認(rèn)為,RTG仍處2 000 m深處的湯加海溝,且外殼保持完好。

2)蘇聯(lián)/俄羅斯

蘇聯(lián)/俄羅斯在40次應(yīng)用空間核動(dòng)力的任務(wù)中,曾被報(bào)告過(guò)的有6次是失敗的[2,8-12]。

1968年和1973年,各有一顆載有空間核反應(yīng)堆電源的衛(wèi)星發(fā)射失敗。其中,1973年的發(fā)射任務(wù)失敗后,反應(yīng)堆掉入太平洋,仍保持在次臨界狀態(tài)。

1978年1月,在低軌道運(yùn)行的“宇宙954號(hào)”衛(wèi)星,攜帶反應(yīng)堆重返地球,在再入大氣層時(shí)發(fā)生解體,帶有放射性的殘骸散落在加拿大北部冰原地區(qū)。吸取教訓(xùn)后,俄羅斯進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),要求在再入時(shí)放射性物質(zhì)能夠在高空燒毀并完全擴(kuò)散;正常壽命結(jié)束后,反應(yīng)堆必須送至足夠高的安全軌道。

1982年,“宇宙1402號(hào)”衛(wèi)星沒(méi)能被送至足夠高的安全軌道,發(fā)生失控墜入地球大氣,反應(yīng)堆的堆芯被彈出,按照設(shè)計(jì)完全燒毀并墜入南大西洋。

1988年,搭載著核反應(yīng)堆電源的“宇宙1900號(hào)”衛(wèi)星與地面失去聯(lián)系,星上的軌道轉(zhuǎn)移系統(tǒng)將反應(yīng)堆推送至比安全軌道稍低、高度約為700 km的軌道上,該事故并沒(méi)有對(duì)地球環(huán)境造成影響。

1996年,搭載著同位素電池的“火星96號(hào)”飛船,發(fā)生地球大氣再入。再入過(guò)程中,同位素電池保持完好,至今仍沉在太平洋海底。

2 聯(lián)合國(guó)關(guān)于空間核動(dòng)力源應(yīng)用的安全規(guī)定

2.1 關(guān)于在外層空間使用核動(dòng)力源的原則

“宇宙954號(hào)”發(fā)生事故后,聯(lián)合國(guó)(United Nations,UN)針對(duì)外層空間利用核能源(nuclear power source,NPS)問(wèn)題,制定了《關(guān)于在外層空間使用核動(dòng)力源的原則》[13],在其第3部分,給出了“安全利用準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)”,主要內(nèi)容如下:

1)關(guān)于放射性防護(hù)和核安全的一般目標(biāo)

(1)發(fā)射載有核動(dòng)力源空間物體的國(guó)家,應(yīng)力求保護(hù)人類和生物圈免受輻射危害,確保放射性材料不會(huì)顯著地污染外層空間;

(2)在正常操作載有核動(dòng)力源的空間物體時(shí),應(yīng)對(duì)人員開(kāi)展輻射防護(hù),不得產(chǎn)生顯著輻照;

(3)為限制事故造成的輻照影響,核動(dòng)力源的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到國(guó)際上被普遍采用的有關(guān)輻照防護(hù)準(zhǔn)則。具有潛在嚴(yán)重放射性后果的事故,除非發(fā)生概率極低,否則在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)極有把握地將輻照限制在有限的范圍內(nèi),對(duì)于個(gè)人的年均輻照量不超過(guò)每年1 mSv的主劑量,或在整個(gè)生命周期內(nèi)年平均的有效劑量不超過(guò)1 mSv;

(4)應(yīng)按照深入防范的理念去設(shè)計(jì)、建造和操作?？深A(yù)見(jiàn)的安全故障,都必須有設(shè)定的程序或操作,以糾正或消除故障。

2)核反應(yīng)堆

(1)核反應(yīng)堆的應(yīng)用范圍包括:行星際航天任務(wù)、足夠高的任務(wù)軌道、低地球軌道。應(yīng)用的條件是:航天任務(wù)執(zhí)行完畢后,核反應(yīng)堆須存放在足夠高安全的軌道;

(2)足夠高安全軌道是指,航天器在軌壽命足夠長(zhǎng),足以使裂變產(chǎn)物衰變到大約為錒系元素;

(3)核反應(yīng)堆只能用高濃縮鈾235作為燃料;

(4)在到達(dá)任務(wù)軌道或行星際飛行軌道前,核反應(yīng)堆不得進(jìn)入臨界狀態(tài);

(5)在進(jìn)入任務(wù)軌道前,一旦發(fā)生意外,包括火箭爆炸、再入、撞擊地面或水面、沉入水下或水進(jìn)入堆芯,核反應(yīng)堆均不能進(jìn)入臨界狀態(tài);

(6)當(dāng)載有核反應(yīng)堆的衛(wèi)星在其壽命內(nèi),且在低于足夠高的軌道時(shí),如果需要進(jìn)行操作,為減少發(fā)生故障的可能,應(yīng)有一個(gè)極可靠的操作系統(tǒng),以確保有效地控制并處理反應(yīng)堆。

3)放射性同位素電池

(1)在行星際航天任務(wù)和其他脫離地球引力場(chǎng)的航天任務(wù)中,可使用放射性同位素電池。航天器壽命結(jié)束后,可將電池保存在高軌道上,也可保留于地球軌道,但在任何情況下,都須有最終處理措施;

(2)放射性同位素電池應(yīng)采用封閉系統(tǒng)加以保護(hù),保證在再入大氣時(shí)能夠承受相應(yīng)的環(huán)境,沒(méi)有放射性物質(zhì)散入大氣。

2.2 外層空間核動(dòng)力源應(yīng)用安全框架

2009年,聯(lián)合國(guó)和平利用外層空間委員會(huì)和國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布了《外層空間核動(dòng)力源應(yīng)用安全框架》。

在安全框架“安全目標(biāo)”部分中指出,安全的最終目標(biāo)是保護(hù)地球生物圈中的人與環(huán)境,使其免受空間核動(dòng)力源在發(fā)射、運(yùn)行和壽終階段可能帶來(lái)的危害?！凹夹g(shù)指南”部分提出,應(yīng)當(dāng)建立并保持核安全方面的技術(shù)能力,提供可達(dá)到合理的最高安全水平;進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并描述輻射對(duì)人與環(huán)境造成的危害;做出各種切實(shí)努力以減輕潛在的事故影響。

3 美國(guó)空間核安全實(shí)踐

3.1 安全程序方面[14-15]

美國(guó)聯(lián)邦法律規(guī)定了政府、管理和技術(shù)三大類別指南,與《外層空間核動(dòng)力源應(yīng)用安全框架》基本一致。同時(shí)美國(guó)結(jié)合自己需要,制定并實(shí)施了自己的安全框架。

美國(guó)政府指南包括聯(lián)邦法律、總統(tǒng)指令、各機(jī)構(gòu)要求和計(jì)劃。《國(guó)家環(huán)境政策法案》和《總統(tǒng)發(fā)射核安全批準(zhǔn)程序》分別是認(rèn)可和授權(quán)開(kāi)展空間核動(dòng)力源的應(yīng)用法定程序?！秶?guó)家環(huán)境政策法案》要求,在飛行任務(wù)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)階段早期,NASA要編寫(xiě)環(huán)境影響報(bào)告,評(píng)估飛行任務(wù)設(shè)計(jì)的潛在環(huán)境影響,選擇為完成飛行任務(wù)目標(biāo)的合理方案?！犊偨y(tǒng)發(fā)射核安全批準(zhǔn)程序》要求,對(duì)實(shí)際發(fā)射系統(tǒng)(包括動(dòng)力源、航天器、運(yùn)載火箭等)開(kāi)展詳細(xì)的安全分析。在《美國(guó)聯(lián)邦規(guī)則法典》和《美國(guó)航空航天局程序性要求》中,進(jìn)一步明確了更詳細(xì)的安全政策和要求,以及對(duì)政府官員、方案和項(xiàng)目的有關(guān)程序和要求。此外在《國(guó)家反應(yīng)框架》中,特別提出了涉及空間核動(dòng)力源的應(yīng)用安全事故。

美國(guó)的管理指南被編入機(jī)構(gòu)要求和空間核動(dòng)力源的開(kāi)發(fā)計(jì)劃中。NASA總部對(duì)每一次空間核動(dòng)力源的應(yīng)用安全負(fù)首要責(zé)任,每次飛行任務(wù)都安排一名方案主任,確保按照核準(zhǔn)的程序執(zhí)行飛行任務(wù)。實(shí)施過(guò)程中,方案主任負(fù)責(zé)按照有關(guān)法律法規(guī)要求組織開(kāi)展工作。

NASA總部負(fù)責(zé)落實(shí)核安全管理方面的人員及職責(zé)。核安全管理被納入飛行任務(wù)的整體管理之中,主要對(duì)所有涉及核動(dòng)力應(yīng)用方面的相關(guān)人員,開(kāi)展定期報(bào)告和責(zé)任審查。美國(guó)的技術(shù)指南與管理指南類似,也被正式載入機(jī)構(gòu)要求和空間核動(dòng)力源的開(kāi)發(fā)計(jì)劃。NASA和美國(guó)能源部(department of energy,DOE)合作,提出空間應(yīng)用核動(dòng)力源階段中安全綜合評(píng)估要求,開(kāi)展綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,以支持飛行任務(wù)設(shè)計(jì)、程序開(kāi)發(fā)、授權(quán)發(fā)射等工作。

3.2 具體實(shí)踐活動(dòng)[1625]

1)放射性同位素電池

美國(guó)在早年設(shè)計(jì)RTG時(shí),所采用的方法是:一旦發(fā)射失敗,同位素燃料必須在高海拔處完全燒毀并擴(kuò)散。1964年,Transit 5BN-3導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射失敗,星上所載的空間核輔助電源-9A(SNAP-9A)在大西洋上空的低海拔處燒毀并擴(kuò)散,在大氣中探測(cè)到了顯著的放射性。從此之后,美國(guó)所有RTG設(shè)計(jì)都采用難熔金屬材料和石墨對(duì)同位素燃料進(jìn)行封裝,以確保在任何高度發(fā)生事故時(shí),放射性同位素材料都可以完整再入并保持完整屏蔽。通過(guò)大量的演示與測(cè)試,以及此后歷經(jīng)2次發(fā)射事故的檢驗(yàn),證明了該設(shè)計(jì)方法的可靠性及其安全性。

2)SNAP-10A核反應(yīng)堆空間電源

1965年發(fā)射的SNAP-10A是人類第一座進(jìn)入太空的核反應(yīng)堆。搭載該反應(yīng)堆的飛行器,在軌時(shí)限為3 700年,遠(yuǎn)超過(guò)反應(yīng)堆內(nèi)放射性核素約300年的衰變期。反應(yīng)堆研制過(guò)程中,在地面進(jìn)行了一系列碰撞/擠壓、火災(zāi)、水淹等試驗(yàn),充分證明除非到達(dá)預(yù)定軌道并發(fā)出程序控制指令,否則反應(yīng)堆不會(huì)投入運(yùn)行;當(dāng)發(fā)生冷卻劑喪失、冷卻劑泵掉電、超功率等事故,以及再入時(shí),在地面遙控信號(hào)指令下,反應(yīng)堆可以及時(shí)停堆工作。

3)SP-100空間核反應(yīng)堆電源

在開(kāi)發(fā)SP-100空間核反應(yīng)堆電源的過(guò)程中,DOE提出了安全方面的設(shè)計(jì)要求:

(1)當(dāng)反應(yīng)堆沒(méi)入水中或其他流體時(shí),應(yīng)保持在次臨界狀態(tài);

(2)反應(yīng)堆應(yīng)有明顯起作用的負(fù)功率系數(shù);

(3)反應(yīng)堆在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)確保一旦發(fā)生發(fā)射場(chǎng)事故、上升中止、從太空再入與地面撞擊時(shí),不會(huì)產(chǎn)生臨界或超臨界;

(4)在到達(dá)任務(wù)軌道前,反應(yīng)堆不能啟動(dòng)運(yùn)行,當(dāng)反應(yīng)堆運(yùn)行于低軌道時(shí),衛(wèi)星必須有再次推進(jìn)的能力,確保將反應(yīng)堆送至高軌道;

(5)應(yīng)有2個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)用于維持次臨界狀態(tài)且無(wú)共因故障;

(6)反應(yīng)堆在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)確保有獨(dú)立的停堆熱量導(dǎo)出系統(tǒng)或在熱傳輸系統(tǒng)中集成有獨(dú)立的熱傳輸途徑,用于衰變熱的導(dǎo)出。

在設(shè)計(jì)時(shí),SP-100反應(yīng)堆考慮了運(yùn)行中可能發(fā)生的各種事故。為了防止臨界,主要通過(guò)2種方式實(shí)現(xiàn):

(1)到達(dá)使命軌道前,將安全棒與反射體控制單元在物理上置于自鎖狀態(tài)及停閉位置。兩組獨(dú)立信號(hào)分別控制著安全棒、反射體單元的解鎖和松開(kāi),而安全棒與反射體單元均能停閉反應(yīng)堆;

(2)設(shè)計(jì)時(shí)要求具有較大停堆反應(yīng)裕量,同時(shí)輔以具有吸收中子特性的錸襯。反應(yīng)堆還裝有緩沖器,以抵御微流星體或軌道碎片撞擊,萬(wàn)一碎片穿過(guò)緩沖器并導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻劑喪失,反應(yīng)堆可以實(shí)現(xiàn)安全自動(dòng)停堆,并將衰變熱輻射出去。當(dāng)控制系統(tǒng)失電,由彈簧驅(qū)動(dòng)的反射體元件可將安全棒移至停堆位置。

4)空間探測(cè)創(chuàng)新計(jì)劃

1990年,NASA、DOE與美國(guó)國(guó)防部(department of defense,DOD)聯(lián)合支持開(kāi)展“空間探測(cè)創(chuàng)新計(jì)劃”(space exploration initiative,SEI),以開(kāi)發(fā)空間核推進(jìn)系統(tǒng)。三部門(mén)成立了一個(gè)聯(lián)合工作組(nuclear safety policy working group,NSPWG),推薦并制定了一系列安全政策、安全要求以及安全導(dǎo)則等。

反應(yīng)堆啟動(dòng)。除可以在地面上開(kāi)展低功率試驗(yàn)外,系統(tǒng)在到達(dá)預(yù)定軌道前,反應(yīng)堆應(yīng)維持關(guān)停狀態(tài)。

意外臨界。在所有正常和可信的事故工況下,都應(yīng)排除發(fā)生意外臨界的可能性。

放射性釋放與輻射劑量。規(guī)定宇航員受飛行器上放射源的輻射劑量限定在5 rem/y(雷姆/年)。在地面上的潛在輻射,符合美國(guó)職業(yè)安全及健康管理署和美國(guó)核管會(huì)頒布的有關(guān)法規(guī)。

正常運(yùn)行。飛行器上的放射性釋放不得危及飛行器使用。在長(zhǎng)期運(yùn)行期間,不得顯著影響當(dāng)?shù)乜臻g和地面環(huán)境。

事故。暫時(shí)和長(zhǎng)期影響機(jī)組人員健康的有關(guān)放射性釋放事故,發(fā)生概率應(yīng)極低。放射性釋放輻照應(yīng)當(dāng)不影響飛行器的使用。在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),可顯著影響當(dāng)?shù)乜臻g環(huán)境的事故,其發(fā)生放射性效應(yīng)的概率應(yīng)極低。來(lái)自空間的放射性釋放事故,對(duì)地面的影響后果應(yīng)當(dāng)不顯著。對(duì)地面影響的“不顯著”是指遠(yuǎn)低于地面相關(guān)法規(guī)要求的規(guī)定值?！皹O低概率事件”是指在SEI計(jì)劃執(zhí)行中不會(huì)發(fā)生?！帮@著”是指大于大多數(shù)規(guī)范的規(guī)定值。

用過(guò)核能源系統(tǒng)的處置。在所有正常和可能的事故工況下,必須為反應(yīng)堆提供足夠和可靠的冷卻、控制與保護(hù)措施,以防止出現(xiàn)反應(yīng)堆解體等無(wú)法進(jìn)行安全處置的事故。

進(jìn)入。不允許設(shè)計(jì)攜帶核反應(yīng)堆返回地球的任務(wù)。若意外進(jìn)入了大氣層,反應(yīng)堆應(yīng)保證其完整,或者全部放射性物質(zhì)在高軌道處完全擴(kuò)散掉。發(fā)生撞擊時(shí),放射性影響應(yīng)局限在有限區(qū)域。在整個(gè)進(jìn)入與撞擊過(guò)程中,反應(yīng)堆應(yīng)維持于次臨界狀態(tài)。

飛行軌道與任務(wù)終止。一旦核動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)生事故,應(yīng)有足夠的(核的或非核的)備用推進(jìn)能力,將宇航員安全送回地球,并將核反應(yīng)堆置于預(yù)定或備用安全軌道。

空間碎片與流星體。在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮圍繞地球軌道的碎片對(duì)核動(dòng)力系統(tǒng)撞擊的可能性,并將影響降至最低,包括研發(fā)預(yù)警和抵御碎片、流星體的傳感器與保護(hù)材料,加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的測(cè)量與建模分析。

地面安全試驗(yàn)推薦。表1是NSPWG推薦的用以支持安全評(píng)價(jià)與驗(yàn)證的試驗(yàn)列表。

表1 支持安全評(píng)價(jià)與驗(yàn)證的備選試驗(yàn)Table 1 Alternative experiment supported by safety estimate and test

4 俄羅斯/蘇聯(lián)空間核安全實(shí)踐

4.1 安全概念與規(guī)定

安全保障以對(duì)居民和周?chē)匀画h(huán)境輻射影響最小為原則。

空間核能應(yīng)用安全原則由以下文件確定:聯(lián)合國(guó)制訂的原則和國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)的建議原則。

國(guó)家級(jí)文件:放射性安全標(biāo)準(zhǔn)、基本衛(wèi)生條例、以及反應(yīng)堆—放射性同位素核能源臨時(shí)條例、在研制空間核動(dòng)力設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中形成的標(biāo)準(zhǔn)和條例。

空間核能源應(yīng)遵循以下安全規(guī)定:在考慮到火箭和航天器可靠性、核能源安全系統(tǒng)和安全相關(guān)的核能源結(jié)構(gòu)部件的可靠性時(shí),應(yīng)保證核動(dòng)力系統(tǒng)返回地球時(shí)對(duì)居民的影響極其風(fēng)險(xiǎn)最小。在核動(dòng)力事故情況下,居民輻照水平一年不應(yīng)超過(guò)1 mSv。

4.2 具體實(shí)踐活動(dòng)[912]

俄羅斯在1967～1988年間,共發(fā)射了超過(guò)30個(gè)載有核反應(yīng)堆的衛(wèi)星。這些衛(wèi)星基本都運(yùn)行于低軌道(軌道高度289.68 km,在軌時(shí)限只有幾個(gè)月),衛(wèi)星上都裝有固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),可以將衛(wèi)星推送至更高圓軌道(軌道高度約800 km),以滿足核燃料300年的放射性衰變要求。

但是,限于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平,一旦發(fā)生故障,需要地面遙控星上火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。1979年發(fā)生故障的“宇宙954號(hào)”衛(wèi)星,由于遙控信號(hào)失效,星上火箭發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法點(diǎn)火工作,反應(yīng)堆墜入地球大氣。

隨后設(shè)計(jì)人員改進(jìn)了方案,在再入階段早期,通過(guò)氣壓方式將燃料元件自堆芯彈出,并在足夠高海拔的大氣中完全燒毀并擴(kuò)散。改進(jìn)方案通過(guò)了一系列的試驗(yàn)驗(yàn)證。而衛(wèi)星探測(cè)器在軌任務(wù)發(fā)生軌道偏離,或核動(dòng)力系統(tǒng)輻射器過(guò)熱時(shí),星上火箭將自動(dòng)點(diǎn)火,將核反應(yīng)堆推送至高軌道處。

分析俄羅斯空間核安全實(shí)踐,可以得出以下結(jié)論:

1)俄羅斯制定了一套符合要求的安全使用空間核動(dòng)力源的制度;

2)關(guān)于空間核動(dòng)力源的安全設(shè)計(jì)要求,俄羅斯與美國(guó)基本一致;

3)采用火箭將核反應(yīng)堆助推至高軌道,或再入時(shí)在高層大氣完全銷毀并擴(kuò)散燃料的辦法,符合安全規(guī)定。

5 空間核安全分析

5.1 安全分析的主要內(nèi)容

空間應(yīng)用核動(dòng)力源的安全問(wèn)題,涉及空間與地面環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。與地面核能系統(tǒng)不同,空間核動(dòng)力源一旦發(fā)生事故,其高度變化范圍大,可能影響的范圍和空間也大。但是,對(duì)空間核動(dòng)力源與地面核能系統(tǒng)而言,都有最基本的一點(diǎn),就是防止放射性材料對(duì)公眾健康與環(huán)境造成危害。因此,開(kāi)展空間核動(dòng)力源的安全分析時(shí),有必要借鑒現(xiàn)有安全分析技術(shù)與方法,并考慮其在空間使用的情況。

當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)新的地面核能系統(tǒng),特別是引入了新的安全特性,以期在事故發(fā)生時(shí)減少人為干預(yù)的反應(yīng)堆(如AP1000等),就需要對(duì)那些未經(jīng)試驗(yàn)或未知的特性進(jìn)行研究與評(píng)價(jià)。空間核動(dòng)力系統(tǒng)也類似,由于其運(yùn)行數(shù)據(jù)(特別是有關(guān)系統(tǒng)效應(yīng)數(shù)據(jù))非常有限,因此,對(duì)空間核動(dòng)力源來(lái)說(shuō),分別進(jìn)行分離效應(yīng)(separate effect)、整體效應(yīng)(integral effect)試驗(yàn)將有助于提高系統(tǒng)的安全性。

目前,地面核能系統(tǒng)的設(shè)計(jì),都建立在“縱深防御”(defense in depth)概念的基礎(chǔ)上、設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮多道屏障以期屏蔽放射性的潛在釋放。在核能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,關(guān)于“縱深防御”的設(shè)計(jì)理念并不是新的,但相對(duì)于早期的反應(yīng)堆安全性設(shè)計(jì),現(xiàn)在“縱深防御”應(yīng)用的包絡(luò)概念與方法發(fā)生了很大改變。在早期的安全分析方法中,主要針對(duì)那些最大的事故開(kāi)展分析。比如地面輕水堆,大破口事故(large of coolant accident,LOCA)就是一個(gè)極限的包絡(luò)事故。然而,概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(probabilistic risk assessment,PRA)表明,考慮到發(fā)生概率,最惡劣的始發(fā)事件并不一定導(dǎo)致最高的風(fēng)險(xiǎn)。因此,現(xiàn)在的核能系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)中,需要綜合考慮事故的發(fā)生概率和產(chǎn)生的后果。

現(xiàn)今的核安全分析中,對(duì)“縱深防御”概念的使用并不僅限于核系統(tǒng)設(shè)計(jì),而是擴(kuò)展至了核設(shè)施的運(yùn)行、應(yīng)急等相關(guān)活動(dòng)。安全與風(fēng)險(xiǎn)管理體現(xiàn)在3個(gè)有機(jī)的組成部分,即可靠性管理、事故管理以及應(yīng)急管理?？煽啃怨芾砩婕昂嗽O(shè)施的設(shè)計(jì)與運(yùn)行,注重將安全設(shè)計(jì)特征與運(yùn)行規(guī)程相結(jié)合,利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn),以維持核設(shè)施的高性能和高可靠。事故管理是指:設(shè)施運(yùn)行及管理所進(jìn)行的一系列活動(dòng),這些活動(dòng)力圖使異常事件產(chǎn)生的后果能得到盡早控制,并且使其不利后果最小化。應(yīng)急管理是指,保護(hù)公眾與環(huán)境免受潛在或發(fā)生放射性材料事故釋放的決策與措施。

這些理念也可移植到空間核動(dòng)力源的安全分析中。顯然,任何空間進(jìn)行的核能源活動(dòng)都要有一個(gè)很好的可靠性計(jì)劃,也要有適當(dāng)?shù)膽?yīng)急計(jì)劃?？臻g核動(dòng)力源的事故處理,應(yīng)針對(duì)有人操作或無(wú)人駕駛區(qū)別對(duì)待。對(duì)于無(wú)人的飛行任務(wù),事故處理方法是遠(yuǎn)程控制,而且很可能是非常遙遠(yuǎn)的距離,涉及信號(hào)傳輸與響應(yīng)的延時(shí)。而對(duì)于有人的飛行任務(wù),事故處理方法是依靠機(jī)組乘員操縱,要特別注意乘員安全,并保證飛行器不會(huì)在事故中發(fā)生損壞。

與其它核能系統(tǒng)相類似,影響空間核動(dòng)力源安全的主要因素有:有害材料、貯存、運(yùn)輸、環(huán)境影響等?？臻g核動(dòng)力源的安全分析,重點(diǎn)針對(duì)以上這些問(wèn)題,進(jìn)行安全與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),主要包括各個(gè)階段假想事故序列(發(fā)射失敗、撞擊、反應(yīng)堆屏障破裂、水淹沒(méi)、土壤掩埋等)下的臨界安全、再入安全、軌道運(yùn)行安全、放射性劑量與環(huán)境影響評(píng)估等。

5.2 美國(guó)對(duì)“Topaz II”空間核動(dòng)力系統(tǒng)的安全性分析

1991年12月,美國(guó)“戰(zhàn)略防御計(jì)劃局”(strategic defense initiative organization,SDIO),針對(duì)在美國(guó)發(fā)射俄羅斯托帕斯2(Topaz II)空間核動(dòng)力系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了分析[2627]。

在初步安全分析評(píng)價(jià)過(guò)程中,首先就是要建立安全評(píng)價(jià)方法、安全政策以及頂層的安全功能要求。

主要的安全功能要求包括:

1)在到達(dá)足夠高的軌道之前,反應(yīng)堆不允許啟動(dòng)。但發(fā)射前的零功率試驗(yàn)不受此要求限制;

2)對(duì)所有可信的事故工況,應(yīng)排除意外臨界的可能性;

3)向空間環(huán)境的放射性釋放應(yīng)當(dāng)對(duì)其它空間設(shè)施不顯著;

4)放射性部件的在軌處置應(yīng)限于足夠高軌道;

5)對(duì)核能源系統(tǒng)意外再入的要求是:要么堆芯完整再入,要么使堆芯完全擴(kuò)散;

以核安全政策與安全功能要求為指導(dǎo),安全分析考慮以下因素:

1)反應(yīng)堆在水淹沒(méi)、浸泡,與地面撞擊及以后被土壤覆蓋時(shí),系統(tǒng)的臨界度/次臨界度的相關(guān)特性;

2)高速撞擊、火災(zāi)以及推進(jìn)劑爆炸時(shí),對(duì)堆芯結(jié)構(gòu)變形的影響;

3)意外再入事故時(shí)的氣動(dòng)加熱影響;

4)反應(yīng)堆錯(cuò)誤啟動(dòng)后,反應(yīng)堆的行為及反應(yīng)性溫度系數(shù)的評(píng)價(jià);

5)俄羅斯的核安全分析及試驗(yàn)程序。

主要安全分析結(jié)論如下:

1)采用蒙特卡洛分析方法,對(duì)中子的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析。結(jié)論表明:Topaz II的原始設(shè)計(jì)方法,在假想的水淹沒(méi)事故序列中,反應(yīng)可能達(dá)到超臨界。為此,在設(shè)計(jì)上必須進(jìn)行改進(jìn)。

2)再入分析表明:如果希望核反應(yīng)堆完整再入,需要再設(shè)計(jì)一個(gè)防護(hù)罩。如果沒(méi)有再入保護(hù),在假想的意外再入事故中,堆芯有可能部分散布出來(lái)。

3)通過(guò)對(duì)地面試驗(yàn)的反應(yīng)性始發(fā)事故(reactivity insertion accident,RIA)進(jìn)行計(jì)算表明:Topaz II的反應(yīng)性溫度系數(shù),有利于反應(yīng)堆的可控運(yùn)行,這是一個(gè)重要的安全特性。Topaz II的瞬發(fā)負(fù)溫度系數(shù)有助于緩解假想的RIA,也有助于對(duì)偶發(fā)事件的穩(wěn)定控制。而Topaz II的緩發(fā)正溫度系數(shù),能夠保證反應(yīng)堆在完全升溫之前有足夠的干預(yù)時(shí)間,從而排除了在進(jìn)入軌道前發(fā)生解體。

4)初步撞擊、火災(zāi)以及爆炸分析表明,堆芯發(fā)生結(jié)構(gòu)變形是極不可能的。

6 空間核安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

對(duì)假想的、可能發(fā)生的釋放性材料的事故序列進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)(包括不確定性)評(píng)價(jià),是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程,涉及大量的模型、分析與試驗(yàn)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)由概率論方法、更傳統(tǒng)的工程分析與數(shù)據(jù)分析獲得。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的難點(diǎn)是,物理過(guò)程與現(xiàn)象的復(fù)雜性,以及需要對(duì)物理過(guò)程的自然多變性(偶然不確定性)和對(duì)該過(guò)程現(xiàn)象了解的不確定性(認(rèn)知不確定性)進(jìn)行建模。

6.1 空間堆的核安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

以美國(guó)SP-100空間反應(yīng)堆為例[2829],來(lái)探討空間核反應(yīng)堆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的主要方法與結(jié)論。

確定適當(dāng)?shù)陌踩蟛?shí)施其設(shè)計(jì)特征,確保反應(yīng)堆動(dòng)力系統(tǒng)安全并使其通過(guò)驗(yàn)收,是SP-100地面工程系統(tǒng)(ground engineer system,GES)計(jì)劃的主要活動(dòng)之一。該活動(dòng)以任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析(mission risk analysis,MRA)為指導(dǎo),目的是確認(rèn)沒(méi)有未解決的公共安全問(wèn)題。

6.1.1 任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析的方法

MRA的一般方法如圖1所示。

1)確定參考任務(wù)(reference mission),包括從任務(wù)發(fā)射至結(jié)束為止,給出整個(gè)過(guò)程中的典型操作。參考任務(wù)和反應(yīng)堆動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特征,為確定事故源提供了輸入。

2)考慮運(yùn)載火箭可能發(fā)生的事故和空間堆運(yùn)行過(guò)程中的故障,通過(guò)開(kāi)展系統(tǒng)的安全分析,給出飛行任務(wù)過(guò)程中可能發(fā)生并會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p毀的事故。

3)按照事故所能產(chǎn)生的后果特征進(jìn)行分類。事故類中,每一事件發(fā)生的概率為其子事件概率之和。

4)對(duì)所有產(chǎn)生放射性釋放源項(xiàng)進(jìn)行估計(jì),確定釋放的物質(zhì)數(shù)量、形式(氣體或氣溶膠)及其位置,用于計(jì)算集體劑量水平。

6.1.2 風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果

表2給出了各階段事故產(chǎn)生的放射性后果,風(fēng)險(xiǎn)值以集體劑量(人·雷姆/人·rem)的期望值(所有考慮事件中的劑量乘以概率的總和)給出。估計(jì)結(jié)果:由航天飛機(jī)發(fā)射,SP-100在地球軌道上飛行的總放射性后果風(fēng)險(xiǎn)為0.05人·rem;幾乎所有風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生在飛行任務(wù)末期。

圖1 MRA方法Fig.1 The method of MRA

表2 各階段任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)Table 2 The risks of every phase

在運(yùn)行階段,風(fēng)險(xiǎn)的主要來(lái)源是在軌衰變后與地面撞擊,是由于最終停堆失敗(即安全棒無(wú)法插入)造成。若考慮安全棒無(wú)法插入,則與地面撞擊將使反應(yīng)堆達(dá)到臨界的概率大大增加,可以認(rèn)為撞擊時(shí)會(huì)達(dá)到臨界,并且剩余的裂變產(chǎn)物將完全釋放。

任何一個(gè)有放射性后果的事故序列,均可歸于6類放射性釋放類型,見(jiàn)表3。同時(shí),考慮以下4個(gè)重要因素,包括采用1m.rem/y(毫雷姆/年)劑量水平對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響、反應(yīng)堆輔助冷卻回路(auxiliary cooling loop,ACL)對(duì)降低風(fēng)險(xiǎn)的影響、臨界安全設(shè)計(jì)對(duì)降低風(fēng)險(xiǎn)的影響、再入熱防護(hù)對(duì)降低風(fēng)險(xiǎn)的影響,可以進(jìn)一步分析事故影響的敏感性。

考慮各主要影響因素與事件,運(yùn)用蒙特卡羅抽樣方法,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性進(jìn)行分析,表明:整個(gè)飛行任務(wù)的劑量期望值為0.05人·rem,并以95%的置信度分布于(0.000 003,0.3)區(qū)間內(nèi)。

綜上,空間核動(dòng)力系統(tǒng)的輻射風(fēng)險(xiǎn)是非常小的。SP-100任務(wù)的分析表明,給人類帶來(lái)的累積劑量為0.05人·rem,與人類所受到的天然本底累積劑量(1.5×1010人·rem/y)相比,微乎其微;而個(gè)體受到超過(guò)100 m·rem/y劑量的概率幾乎為零。對(duì)輻射風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)最大的事故序列是,飛行器不能被送至任務(wù)軌道而導(dǎo)致過(guò)早再入大氣層。顯然,盡量在高軌道運(yùn)行是降低風(fēng)險(xiǎn)的有效措施之一。

表3 放射性釋放事件帶來(lái)的任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)Table 3_The risks caused by isotope release

6.2 放射性同位素動(dòng)力系統(tǒng)的核安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

在放射性同位素動(dòng)力系統(tǒng)中,大量采用钚238(238Pu),因此需要通過(guò)多部門(mén)組成的核安全評(píng)審委員會(huì)(interdepartmental nuclear safety reviewed party,INSRP)進(jìn)行評(píng)審。

總而言之,RTG的核安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)步驟,類似于地面核設(shè)施的III級(jí)概率風(fēng)險(xiǎn)分析(Level III PRA)。整個(gè)分析工作包括6個(gè)部分[3031]:

1)確定發(fā)射事故序列,并計(jì)算這些事故序列的發(fā)生概率;

2)確定地球再入事故序列,并計(jì)算這些事故序列的發(fā)生概率;

3)確定在發(fā)射事故序列與再入事故序列中,對(duì)RTG造成影響的不利環(huán)境與參數(shù);

4)評(píng)價(jià)對(duì)RTG的損壞程度;

5)評(píng)估放射性材料擴(kuò)散與輻照的統(tǒng)計(jì)值;

6)評(píng)價(jià)個(gè)人吸收(吸入或攝取)量和對(duì)人的健康影響,分析對(duì)地面的污染程度。

需要指出,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)報(bào)告必須包括:評(píng)價(jià)所需的相關(guān)影響因素包絡(luò)、限值以及完整的量化值。例如,在“尤利西斯”(Ulysses)任務(wù)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)報(bào)告(safety evaluation report,SER)中[29],明確了對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的全部量化評(píng)估,以及偶然和認(rèn)知的各種不確定性因素。在這些不確定性中,最大的影響因素有:燃料釋放概率、影響RTG的事故環(huán)境、燃料釋放量、釋放燃料中的可吸入份額、在人群密集區(qū)域的擴(kuò)散與遷移等。

國(guó)際上相關(guān)的核安全分析與評(píng)審經(jīng)驗(yàn)表明:現(xiàn)有的RTG設(shè)計(jì)方法,對(duì)于發(fā)射與再入過(guò)程中可能發(fā)生的事故,其風(fēng)險(xiǎn)是非常低的。例如,Ulysses任務(wù)對(duì)個(gè)人潛在患致命癌癥的平均概率低于1(人)/(10萬(wàn)次任務(wù)),即10-5。

7 空間核安全評(píng)審

以美國(guó)為例[31-33],其空間核安全評(píng)審,會(huì)由多部門(mén)組成核安全評(píng)審委員會(huì)。按照聯(lián)合國(guó)的決議與第25號(hào)總統(tǒng)令要求:美國(guó)發(fā)射載有大量放射性核素的空間任務(wù)時(shí),需經(jīng)美國(guó)總統(tǒng)批準(zhǔn)。一般總統(tǒng)授權(quán)科學(xué)顧問(wèn),在科學(xué)與技術(shù)政策辦公室(office of science and technology policy,OSTP)組織下進(jìn)行工作。

第25號(hào)總統(tǒng)令要求,開(kāi)發(fā)空間任務(wù)的計(jì)劃需進(jìn)行安全分析,并呈遞最終安全分析報(bào)告(final safety analysis report,FSAR)。INSRP以該計(jì)劃的FSAR為輸入條件,向OSTP提交一份獨(dú)立的安全評(píng)價(jià)報(bào)告,為總統(tǒng)決策實(shí)施空間任務(wù)提供參考。

安全評(píng)審委員會(huì)結(jié)合對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中所列事故模型進(jìn)行計(jì)算,給出對(duì)計(jì)劃的安全評(píng)價(jià)意見(jiàn),相關(guān)結(jié)論在SER中給出。評(píng)審過(guò)程中,重點(diǎn)評(píng)審計(jì)劃所采取的方法,確定核動(dòng)力風(fēng)險(xiǎn)及其不確定性。主要是發(fā)射安全與合理處置方面,在軌的運(yùn)行安全不是主要的安全評(píng)審目標(biāo)。在SER中,INSRP給出最顯著風(fēng)險(xiǎn)事故序列(從發(fā)射一直到被生物攝入全過(guò)程)的獨(dú)立評(píng)價(jià)、引起風(fēng)險(xiǎn)的主要事故序列及導(dǎo)致放射性核釋放的主要現(xiàn)象(如撞擊地面、爆炸環(huán)境等)、以互補(bǔ)累積分布函數(shù)(complementary cumulative distribution function,CCDF)的形式給出放射性釋放沿飛行路徑對(duì)附近群體帶來(lái)的總風(fēng)險(xiǎn)值、通過(guò)比較導(dǎo)致癌癥發(fā)生的致命性因素進(jìn)一步預(yù)測(cè)任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)。

按照第25號(hào)美國(guó)總統(tǒng)令,每一次涉及利用核材料的空間任務(wù)都要求進(jìn)行分析,評(píng)估其對(duì)生物圈帶來(lái)的潛在放射性風(fēng)險(xiǎn)。美國(guó)的空間核安全評(píng)審過(guò)程如圖2所示。

圖2 美國(guó)的空間核安全評(píng)審過(guò)程Fig.2 The judge process of space nuclear safety in America

它開(kāi)始于空間任務(wù)的確定與NPS的設(shè)計(jì)構(gòu)思時(shí)候,隨后涵蓋整個(gè)NPS的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)周期,每一階段的實(shí)施由INSRP負(fù)責(zé)。在NPS的整個(gè)開(kāi)發(fā)周期內(nèi),飛行安全的分析需要進(jìn)行3輪迭代,包括初步安全分析報(bào)告(preliminary safety analysis report,PSAR)、修訂安全分析報(bào)告(updated safety analysis report,USAR)以及最終安全分析報(bào)告。

初步安全分析報(bào)告應(yīng)當(dāng)在開(kāi)展方案的概念設(shè)計(jì)后120 d內(nèi)提交。主要內(nèi)容包括:設(shè)計(jì)方案描述、采用NPS飛行任務(wù)的初步描述(包括運(yùn)載火箭及發(fā)射場(chǎng))、故障失效模式與影響分析(failure mode and effects analysis,FMEA)、對(duì)飛行任務(wù)進(jìn)行的初步風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等。由于在此階段還沒(méi)有飛行任務(wù)的數(shù)據(jù),并且NPS設(shè)計(jì)方案也可能進(jìn)行變更,因此可以利用此前發(fā)射的有關(guān)數(shù)據(jù)開(kāi)展安全分析。

USAR應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)方案完全確定下來(lái)后90 d內(nèi)提交。其格式與PSAR相似,但是要求進(jìn)一步包括:

1)完整的飛行任務(wù)描述;

2)評(píng)估所提出的任務(wù)環(huán)境與此次特定飛行任務(wù)環(huán)境之間的差異;

3)采用確定的方案設(shè)計(jì)及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)修訂更新PRA。

FSAR大約在預(yù)定發(fā)射前約1年提交,其格式仍與前面的報(bào)告類似。FSAR將給出最終的系統(tǒng)、飛行任務(wù),以及影響驗(yàn)證及鑒定試驗(yàn)結(jié)果的安全評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)等。這樣,最終的評(píng)價(jià)建立在實(shí)際預(yù)期的任務(wù)環(huán)境基礎(chǔ)上。

8 啟 示

分析美國(guó)、蘇聯(lián)/俄羅斯在空間核動(dòng)力方面的實(shí)踐可以看出:

1)在發(fā)射實(shí)施階段,發(fā)生核事故的概率最大。但是通過(guò)合適設(shè)計(jì),以及發(fā)射前開(kāi)展一系列安全分析、評(píng)價(jià)等活動(dòng),做好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案,可以使發(fā)生空間核動(dòng)力的事故概率降到極低,對(duì)地球生物圈的影響不顯著。

2)反應(yīng)堆和放射性同位素電池,被用于高軌道和行星際軌道任務(wù)中是最安全的設(shè)計(jì)。在低軌道應(yīng)用核動(dòng)力航天器,必須有可靠的廢棄處置措施。

3)對(duì)于核反應(yīng)堆,在達(dá)到任務(wù)軌道或進(jìn)入行星際飛行前,不得使其進(jìn)入臨界狀態(tài)。在一切可預(yù)見(jiàn)的事故下,保持次臨界及其在事故下有效可控停堆,是值得推薦的安全設(shè)計(jì)目標(biāo)。核反應(yīng)堆一旦發(fā)生再入大氣層事件,將其燒毀并完全擴(kuò)散是減輕放射性危害的一種選擇。

4)對(duì)于放射性同位素電源,在任何事故條件下,保持對(duì)放射性燃料的密封,并確保沒(méi)有放射性物質(zhì)散入環(huán)境的思想值得提倡。該思想從根本上消除了使用放射性同位素電源對(duì)地球環(huán)境造成危害的可能性,是最安全的做法,而且實(shí)踐表明,RTG在再進(jìn)入時(shí)能經(jīng)受住各種惡劣環(huán)境考驗(yàn),以保持對(duì)放射性材料的包容而不發(fā)生泄漏。

9 建 議

1)“關(guān)于在外層空間使用核動(dòng)力源的原則”中,規(guī)定了空間核動(dòng)力源的安全使用準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn),具體到了各型空間核電源的設(shè)計(jì)安全要求、處置手段、事故處置與輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)我國(guó)制定空間核動(dòng)力源的安全目標(biāo)、防護(hù)原則具有借鑒價(jià)值。

“外層空間核動(dòng)力源應(yīng)用安全框架”作為高級(jí)指導(dǎo),明確了應(yīng)用空間核動(dòng)力源的安全目標(biāo),提出了政府職責(zé)和相關(guān)組織的職責(zé),對(duì)技術(shù)能力、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)方面提出了具體要求,提出了進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。該安全框架對(duì)于制定我國(guó)的空間應(yīng)用核動(dòng)力源的安全框架具有重要指導(dǎo)意義。但是安全框架屬于綱領(lǐng)性文件,只是在大的原則方面做出了規(guī)定,對(duì)于實(shí)施細(xì)節(jié)沒(méi)有描述,因此我國(guó)應(yīng)根據(jù)該安全框架制定適合我國(guó)國(guó)情的空間核應(yīng)用動(dòng)力源安全框架,并進(jìn)一步制定相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn),明確實(shí)施細(xì)節(jié)。

2)空間核能源系統(tǒng)的安全問(wèn)題,涉及空間與地面的風(fēng)險(xiǎn)管理。借鑒國(guó)外成功的經(jīng)驗(yàn),結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況,在安全與風(fēng)險(xiǎn)管理方面,建議對(duì)可靠性、事故與應(yīng)急分3個(gè)層次進(jìn)行管理;在安全分析方面,進(jìn)行“確定論+概率論”的安全分析方法;在試驗(yàn)方面,利用“分離效應(yīng)”和“整體效應(yīng)”相結(jié)合方法進(jìn)行驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)、建造、發(fā)射和運(yùn)行中,貫穿“縱深防御”理念,建立防御潛在放射性釋放的多道屏障。

3)在空間核安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及評(píng)審方面,要嚴(yán)肅認(rèn)真地開(kāi)展評(píng)審與認(rèn)證?；诟怕曙L(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)方法被證明是切實(shí)有效的,可用于空間核安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及其安全評(píng)審。建議參考國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn),采取PRA的方法,對(duì)空間核安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。對(duì)于核安全評(píng)審,建議結(jié)合我國(guó)國(guó)情與技術(shù)力量狀況,建立一套自下向上的安全分析與評(píng)審體系:空間核動(dòng)力系統(tǒng)在完成初步方案、詳細(xì)方案、以及轉(zhuǎn)入發(fā)射實(shí)施階段之前的一定時(shí)間內(nèi),必須完成安全性分析報(bào)告,并通過(guò)第三方機(jī)構(gòu)的評(píng)審把關(guān)。

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通信地址:北京車(chē)公莊大街12號(hào)10層(100037)

電話:(010)88306190

E-mail:zhoujis@163.com

Safety Design,Analysis and Estimation for the Use of Nuclear Power Source in Outer Space

ZHOU Jishi1,ZHU Anwen2,GENG Yan1
(1.Lunar Exploration and Space Engineering Center,Beijing 100037,China;2.China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

Considering the safety in using nuclear power spacecraft,the major rules and regulations about space nuclear safety are analyzed in this paper.Combining with the successful experience in design and analysis and estimation of space nuclear safety that America and Russia have acquired,we abstract the main points in the design and management for space nuclear safety.All of these will be applied in the research and development of nuclear power spacecraft.

nuclear power spacecraft;space nuclear safety;radioisotope thermo-electric generator;space nuclear reactor

V57;TL364

A

2095-7777(2015)04-0302-11

10.15982/j.issn.2095-7777.2015.04.002

周繼時(shí)(1981—),男,高級(jí)工程師,主要研究方向:航天器總體設(shè)計(jì)。

[責(zé)任編輯:宋宏]

2015-09-01

2015-10-15

國(guó)防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)科研資助項(xiàng)目(B4220130001)