岳 峰，喬清黨，郭 猜，祝 賀，郭瑞萍，郜建偉，王瑞英，李雯婷

(1.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082；2.遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116001)

1985年8月10日，前蘇聯(lián)E-2級(jí)核潛艇K-431號(hào)在換料過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)堆臨界爆炸燃燒事故。事故地點(diǎn)位于海參崴東南方60 km恰日瑪灣(Chazhma Bay，見(jiàn)圖1)(東經(jīng)132.408 600°，北緯42.935 595°)，海參崴是俄羅斯太平洋艦隊(duì)重要基地，也是該艦隊(duì)核潛艇維護(hù)和換料的母港。該艇最終于1986年退役。

圖1 事故發(fā)生時(shí)氣象條件下的遷移軌跡圖(1985-08-10 00:00至1985-08-13 12:00)

雖然事故已經(jīng)過(guò)去30余年，但是由于種種原因，外界對(duì)該事故，尤其是釋放的放射性物質(zhì)對(duì)我國(guó)造成的輻射影響了解并不多。本文通過(guò)對(duì)事故過(guò)程、源項(xiàng)、氣象等資料的查閱，采用美國(guó)HYSPLIT程序，就該事故對(duì)我國(guó)的潛在輻射影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，為我周邊國(guó)家及地區(qū)的涉核軍事活動(dòng)所造成的潛在輻射影響研判提供參考。

1 事故過(guò)程及放射性源項(xiàng)

1.1 事故過(guò)程

事故核潛艇為675型巡航導(dǎo)彈核潛艇(北約代號(hào)Echo II)，1965年完工，擁有2臺(tái)V/BM-A壓水反應(yīng)堆，功率2×70 MW，2回路設(shè)計(jì)，核燃料U-235富集度20%，每座反應(yīng)堆U-235重量為50 kg[1]。

1985年8月10日，該潛艇在位于恰日馬灣的海軍設(shè)施內(nèi)進(jìn)行換料操作。俄羅斯核潛艇換料操作通常包括如下步驟：

(1)在頂蓋用于定位緊急制動(dòng)棒的孔中插入一根特殊的抽水管。

(2)所有的水從主回路排出，確認(rèn)無(wú)水。

(3)利用換料服務(wù)船拆除頂蓋。

(4)將裝有燃料轉(zhuǎn)運(yùn)容器的換料機(jī)置于堆芯上方。

(5)乏燃料組件由換料機(jī)從堆芯中取出，并儲(chǔ)存在燃料轉(zhuǎn)運(yùn)容器中。

(6)裝滿乏燃料組件后，燃料轉(zhuǎn)運(yùn)容器被吊回?fù)Q料服務(wù)船。

(7)將乏燃料組件卸載到換料服務(wù)船后，將新燃料組件裝入燃料轉(zhuǎn)移集裝箱。

(8)新燃料組件裝入堆芯內(nèi)。然后，從步驟(5)開(kāi)始重復(fù)上述過(guò)程，直到新燃料組件完全裝入堆芯。

(9)取下?lián)Q料機(jī)后，安裝帶有控制棒的上蓋，關(guān)閉堆芯。

(10)冷卻劑水被注入主回路。驗(yàn)證上蓋密封的密封性。

事故發(fā)生在當(dāng)?shù)貢r(shí)間10:55，換料操作進(jìn)行到步驟(10)，工作人員發(fā)現(xiàn)上蓋密封不完整，決定將上蓋升起來(lái)解決問(wèn)題，但是他們沒(méi)有把主回路的水抽干，也沒(méi)有把用來(lái)固定控制棒的格子拆開(kāi)。該決定未經(jīng)監(jiān)管人員同意，并且違反規(guī)程。當(dāng)上蓋升起幾厘米時(shí)，一艘海軍魚(yú)雷艇掃過(guò)，形成了巨大的尾流。尾流導(dǎo)致?lián)Q料服務(wù)船和起重機(jī)吊臂晃動(dòng)，控制棒提起過(guò)快。反應(yīng)性的快速上升引起巨大的功率脈沖，導(dǎo)致5×1018次裂變[2]，并發(fā)生爆炸及火災(zāi)。爆炸彈出了新裝載的燃料，破壞了潛艇的壓力殼和船尾艙壁?；馂?zāi)于4 h后被撲滅。大部分帶有放射性的碎片落在距離潛艇50～100 m的范圍內(nèi)，但仍有少量放射性煙羽吹向北方。事故導(dǎo)致10名工作人員死亡[3]。事故時(shí)，一艘大型船只位于事故地點(diǎn)東北方向，一定程度上阻擋了污染物隨海水向北部擴(kuò)散，并降低了海水循環(huán)的強(qiáng)度[4]。對(duì)當(dāng)?shù)睾Ｋ偷撞砍练e物采樣監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，事故通過(guò)海水造成的放射性污染僅限于恰日瑪灣內(nèi)，未對(duì)海參崴地區(qū)海水和海灘造成放射性影響[5]，事故遠(yuǎn)距離的放射性影響主要來(lái)自大氣輸運(yùn)。

1.2 事故源項(xiàng)

根據(jù)相關(guān)研究[1]，事故最初釋放量為7.4×1016Bq的惰性氣體和1.85×1017Bq的其他裂變產(chǎn)物，但是這些大部分為短壽命核素，事故后1小時(shí)仍然存在的非惰性氣體裂變產(chǎn)物估計(jì)為3.7×1013Bq。對(duì)于遠(yuǎn)距離大氣輸運(yùn)，需要考慮的核素需要達(dá)到一定的數(shù)量和足夠長(zhǎng)(通常要幾天以上)的半衰期。由于堆芯中裝載的是新燃料，Cs-137，Cs-134，Sr-90等核素的量可忽略。因此，放射性碘是需要重點(diǎn)關(guān)注的。5×1018次裂變產(chǎn)生I-131、I-133、I-135數(shù)量分別為145 GBq、3 100 GBq、9 200 GBq，以20%作為放射性碘釋放到大氣中的釋放份額。事故釋放可能造成長(zhǎng)距離影響的核素及其數(shù)量列于表1。裂變發(fā)生在瞬時(shí)，考慮到裂變產(chǎn)物隨爆炸、燃燒釋放的過(guò)程，源項(xiàng)釋放的持續(xù)時(shí)間假定為0.5 h。釋放高度為爆炸燃燒高度，選取海平面及以上50 m之間。

表1 可能造成長(zhǎng)距離影響的源項(xiàng)

2 輻射后果評(píng)價(jià)

2.1 氣象資料

針對(duì)此次事故釋放源項(xiàng)，本文采用當(dāng)時(shí)實(shí)際氣象條件(1985年8月10日，UTC時(shí)間)和對(duì)我國(guó)較為不利的氣象條件進(jìn)行評(píng)價(jià)，以研究類似事故對(duì)我國(guó)可能造成的輻射環(huán)境影響。不利氣象條件方面，根據(jù)相對(duì)地理位置，當(dāng)事故地點(diǎn)偏東南風(fēng)且風(fēng)速較大時(shí)，對(duì)我國(guó)尤其是東北地區(qū)較為不利，通過(guò)對(duì)2013—2015年氣象資料的分析篩選，以2014年6月18日(UTC時(shí)間)及之后幾天時(shí)段數(shù)據(jù)作為對(duì)我國(guó)影響較大的氣象條件。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源自美國(guó)NCEP[6](National Centers for Environmental Prediction，美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心)再分析氣象資料。

2.2 評(píng)價(jià)方法

評(píng)價(jià)包括核素遷移擴(kuò)散及劑量評(píng)價(jià)兩部分。

2.2.1核素遷移擴(kuò)散

為了兼容氣象資料數(shù)據(jù)，核素遷移擴(kuò)散部分采用美國(guó)HYSPLIT[7](Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory)程序?qū)κ鹿试错?xiàng)的遷移軌跡和影響核素的地面沉積濃度、空氣積分濃度進(jìn)行模擬計(jì)算。HYSPLIT是由隸屬于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室(Air Resources Laboratory)研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸運(yùn)、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型。HYSPLIT程序的兩個(gè)主體功能為遷移軌跡計(jì)算、空氣濃度計(jì)算。

遷移軌跡計(jì)算側(cè)重于污染物在流場(chǎng)中按平均風(fēng)輸送，基本原理[8]可由下式表示：

粒子在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)Δt后新的平均位置矢量：

V({Pmean(t)+[V(Pmean,t)Δt]},t+Δt)]Δt

其中，V(Pmean,t)是粒子在平均位置Pmean，時(shí)間t的三維速度矢量。

空氣濃度計(jì)算不但考慮平均風(fēng)的輸送作用，同時(shí)又用一系列隨機(jī)位移來(lái)模擬湍流擴(kuò)散，這樣就表達(dá)了平流和湍流擴(kuò)散兩種作用，最后由這些粒子在空間和時(shí)間上的總體分布估算出污染物的分布，基本原理在上述公式基礎(chǔ)上增加了以下2式，即粒子在水平和垂直方向的實(shí)際位置分別為：

Xfinal(t+Δt)=Xmean(t+Δt)+U′(t+Δt)Δt

Zfinal(t+Δt)=Zmean(t+Δt)+W′(t+Δt)Δt

其中，Xmean和Zmean分別為粒子在水平和垂直方向的平均位置，U′和W′分別為水平和垂直方向的湍流脈動(dòng)速度分量。

計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)HYSPLIT程序最長(zhǎng)模擬計(jì)算時(shí)間，軌跡及擴(kuò)散時(shí)間為84 h。當(dāng)?shù)厥鹿蕰r(shí)有間歇性毛毛雨，按照偏保守原則，忽略濕沉積，干沉積速率默認(rèn)值為0.1 cm/s。

2.2.2劑量評(píng)價(jià)

照射途徑考慮了空氣浸沒(méi)外照射有效劑量Eext1、吸入內(nèi)照射有效劑量Einh、地面沉積外照射及再懸浮吸入內(nèi)照射有效劑量Eext2，人員所受總有效劑量ET為三者之和。

上述劑量利用IAEA 1162號(hào)報(bào)告中的劑量評(píng)價(jià)方法和相關(guān)參數(shù)(放射性核素的轉(zhuǎn)換因子CF9,i、CF2,i、CF4,i)[9]計(jì)算得出?？諝饨](méi)外照射有效劑量Eext1：

吸入內(nèi)照射有效劑量Einh：

式中，CF2,i為吸入放射性核素i導(dǎo)致的待積有效劑量轉(zhuǎn)換因子[(mSv/h)/(kBq/m3)]，來(lái)自IAEA 1162號(hào)報(bào)告；

地面沉積外照射及再懸浮吸入內(nèi)照射有效劑量Eext2：

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.1遷移軌跡

按照1985年8月10日事故發(fā)生時(shí)的氣象條件，模擬計(jì)算的遷移軌跡如圖1所示，結(jié)果顯示，此次事故釋放的放射性物質(zhì)主要向北輸運(yùn)，軌跡未到達(dá)我國(guó)境內(nèi)，對(duì)我國(guó)的影響為核素的擴(kuò)散造成。模擬計(jì)算的核素地面沉積濃度變化情況如圖2所示(以I-135為例)。

圖2 事故氣象條件下I-135的地面沉積濃度變化圖

按照2014年6月18日對(duì)我國(guó)不利氣象條件，模擬計(jì)算的遷移軌跡如圖3所示，結(jié)果顯示，事故釋放的放射性物質(zhì)主要向西北方向輸運(yùn)，軌跡經(jīng)過(guò)我國(guó)東北部分地區(qū)。模擬計(jì)算的核素地面沉積濃度變化情況如圖 4 所示(以I-135為例)。

圖3 不利氣象條件下的遷移軌跡圖(2014-06-18 00:00至2014-06-21 12:00)

圖4 不利氣象條件下I-135地面沉積變化圖

2.3.2劑量分布

按照1985年8月10日事故發(fā)生時(shí)的氣象條件，此次事故造成的有效劑量分布如圖5所示。結(jié)果顯示，本次核事故釋放的放射性物質(zhì)可能對(duì)黑龍江省興凱湖及饒河縣一帶產(chǎn)生影響，導(dǎo)致我國(guó)境內(nèi)的最大個(gè)人有效劑量低于1.1×10-5mSv(圖5中綠色區(qū)域)，各核素及照射途徑所致有效劑量列于表2。

圖5 此次事故造成的有效劑量分布

按照2014年6月18日對(duì)我國(guó)不利氣象條件，事故造成的有效劑量分布如圖6所示。結(jié)果顯示，如果此次事故的釋放發(fā)生在對(duì)我國(guó)較為不利的氣象條件下，事故產(chǎn)生的放射性物質(zhì)可能會(huì)對(duì)黑龍江省牡丹江市、吉林省延邊朝鮮族自治州一帶產(chǎn)生影響，導(dǎo)致我國(guó)境內(nèi)的最大個(gè)人有效劑量低于7.9×10-5mSv(圖6中藍(lán)色區(qū)域，主要集中在我國(guó)黑龍江省東寧市)，各核素及照射途徑所致有效劑量列于表2。

圖6 不利氣象條件下的有效劑量分布

表2 此次事故中各核素及照射途徑所致有效劑量(mSv)

3 結(jié)論

此次核潛艇事故對(duì)我國(guó)的輻射影響較小。由于事故時(shí)主導(dǎo)風(fēng)向并未吹向我國(guó)，對(duì)我國(guó)造成的最大個(gè)人有效劑量不超過(guò)1.1×10-5mSv，可以忽略。同樣的事故即使發(fā)生在對(duì)我國(guó)較不利的氣象條件下，最大有效劑量也不超過(guò)7.9×10-5mSv，遠(yuǎn)低于我國(guó)居民所受天然照射平均年有效劑量2.3 mSv[10]，影響有限。這主要是因?yàn)槭鹿手袚p壞的是剛剛裝載的新燃料，一些危害性較高的核素(比如Cs-137，Cs-134，Sr-90等)量相對(duì)較小，最終可能造成長(zhǎng)距離影響的源項(xiàng)主要是碘的同位素等。倘若發(fā)生事故的核設(shè)施燃料達(dá)到一定的燃耗深度，或裝載了更多的核燃料，核事故影響將比此次事故更大。

表3 不利氣象條件下各核素及照射途徑所致有效劑量(mSv)

軍用核設(shè)施，尤其是核潛艇具有極高的保密性，即使發(fā)生核事故，也難于被外界發(fā)現(xiàn)。本事故最早的公開(kāi)報(bào)道出現(xiàn)于前蘇聯(lián)解體后的1994年[5]，即事故發(fā)生9年后。在英國(guó)《國(guó)際海軍》1986年5月發(fā)布的前蘇聯(lián)歷年核潛艇事故情況匯總中，只報(bào)道了該潛艇“1986年1月被救助船拖走”的情況，“事故性質(zhì)不明”[11]。1957年到1998年，俄羅斯共建造了248艘核潛艇,其中大約200艘已經(jīng)退役[1,12]。隨著前蘇聯(lián)解體以及俄羅斯經(jīng)濟(jì)下滑，基礎(chǔ)設(shè)施以及乏燃料處理方面的欠缺，類似的核潛艇事故值得周邊國(guó)家警惕。值得一提的是，2021年10月2日美國(guó)“海狼”級(jí)攻擊核潛艇“康涅狄格”號(hào)在南海與水下不明物體發(fā)生碰撞事故[13]。鑒于此，我國(guó)應(yīng)該在邊境重點(diǎn)方向建立大氣、海洋輻射監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，及時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)我國(guó)能夠產(chǎn)生輻射環(huán)境影響的核事故。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)天基核事故、核試驗(yàn)探測(cè)系統(tǒng)，及早發(fā)現(xiàn)此類威脅。