徐德濤,李曉輝,姜 偉

(1.上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海 201210;2.宜昌達(dá)門(mén)船舶有限公司,湖北 宜昌 443002)

0 引言

為滿足核能可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),我國(guó)確定了核燃料閉式循環(huán)的技術(shù)路線,即核燃料在反應(yīng)堆中進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)后卸出成為乏燃料,經(jīng)后處理并提取其中有用的成分,重新制成燃料供核反應(yīng)堆使用。

乏燃料運(yùn)輸船是一型具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的,適合我國(guó)沿海運(yùn)輸載運(yùn)INF 3級(jí)輻照乏燃料的特種用途船舶。該船型的設(shè)計(jì)和建造突破了乏燃料運(yùn)輸船的關(guān)鍵設(shè)計(jì)、建造技術(shù)和管理技術(shù),完善了乏燃料運(yùn)輸?shù)妮椛浞雷o(hù)和應(yīng)急處置流程。本文以某乏燃料運(yùn)輸船為研究對(duì)象,介紹《乏燃料運(yùn)輸船舶法定檢驗(yàn)規(guī)則》(2018)[1](下文簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)則》)等對(duì)屏蔽層設(shè)計(jì)的技術(shù)要求;然后結(jié)合實(shí)船的建造研究實(shí)現(xiàn)輻射屏蔽的物理屏蔽手段,并從安全流程上對(duì)隔斷輻射進(jìn)行探討。

1 乏燃料運(yùn)輸船基本信息

乏燃料運(yùn)輸船是一艘國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)海航區(qū),以載運(yùn)INF 3級(jí)乏燃料為主要功能的多用途貨船。作為國(guó)內(nèi)首制的核廢料運(yùn)輸船,需要滿足中國(guó)船級(jí)社對(duì)本船專(zhuān)用的《規(guī)則》和《輻照核燃料運(yùn)輸船檢驗(yàn)指南》(2018)[2](下文簡(jiǎn)稱(chēng)《指南》)的相關(guān)要求。

乏燃料系指子反應(yīng)堆堆芯內(nèi)受過(guò)輻照并從堆芯永久卸出的核燃料[1]。核燃料在進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)后成為乏燃料,提取其有用成分后可重新制成核反應(yīng)堆可用的燃料。結(jié)合快堆技術(shù),可將鈾資源的利用率提升約60倍,并大幅減少需處理的廢物量。在核燃料閉式循環(huán)中,將乏燃料從核電站安全、有效地運(yùn)輸至后處理設(shè)施,是確保核電安全運(yùn)行、保障后處理設(shè)施正常生產(chǎn)的關(guān)鍵一環(huán)。

乏燃料在自然冷卻后會(huì)存儲(chǔ)在特制的運(yùn)輸容器中,這種存儲(chǔ)容器簡(jiǎn)稱(chēng)為“貨包”。貨包需符合《放射性物品安全運(yùn)輸規(guī)程》(GB 11806—2019)的要求,具有耐高溫、高壓、防輻射、防水、防碰撞等特點(diǎn)。該項(xiàng)目貨艙按照運(yùn)載NAC-STC型貨包設(shè)計(jì)。每個(gè)貨包可裝載20或26個(gè)乏燃料組件,運(yùn)輸狀態(tài)下貨包的質(zhì)量為121.4 t,貨包源項(xiàng)基于表面2 m處劑量率水平為0.1 mSv/h。

INF貨物:輻照核燃料(Irradiated Nuclear Fuel),指按《國(guó)際海運(yùn)危險(xiǎn)品法規(guī)》(IMDG 規(guī)則)中第7類(lèi)貨物裝運(yùn)要求的輻照核燃料、钚和高放射性廢物的包裝件。INF貨物等級(jí)按照總放射性活度區(qū)分如下[2]:

INF 1—適用于載運(yùn)INF 貨物的總放射性活度小于4 000 TBq 的船舶;

INF 2—適用于載運(yùn)總放射性活度小于2×106TBq 的輻照核燃料或高放射性廢物的船舶和載運(yùn)總放射性活度小于2×105TBq 的钚的船舶;

INF3—`適用于載運(yùn)不限制總放射性活度的輻照核燃料或高放射性廢物的船舶,以及載運(yùn)不限制總放射性活度的钚的船舶。

該項(xiàng)目可運(yùn)載INF 3級(jí)輻照乏燃料。

2 乏燃料運(yùn)輸船防輻射要求及難點(diǎn)

乏燃料至少經(jīng)過(guò)8 a時(shí)間冷卻,燃耗不大于48 000 MWd/tU方可允許轉(zhuǎn)運(yùn)。貨包作為轉(zhuǎn)運(yùn)容器,將全程參與船運(yùn)。雖然貨包具有良好的防輻射效果,以及耐高溫、高壓、防水、防撞擊等特性,但是不排除在運(yùn)輸途中出現(xiàn)意外的可能性。因此,本著高安全性、高冗余度的設(shè)計(jì)理念,乏燃料運(yùn)輸船自身也必須具備防輻射能力,以應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況。

2.1 乏燃料運(yùn)輸船防輻射要求

根據(jù)《規(guī)則》第7章的要求:乏燃料運(yùn)輸船舶應(yīng)根據(jù)其預(yù)期具有最大輻射風(fēng)險(xiǎn)的單次運(yùn)輸活動(dòng)(至少應(yīng)考慮乏燃料放射性活度、貨包類(lèi)型、裝卸操作、航線、航行時(shí)間等影響)對(duì)船舶的輻射防護(hù)安全進(jìn)行系統(tǒng)性設(shè)計(jì),以確保個(gè)人劑量的大小、受照射人數(shù)和引起照射的可能性。在考慮經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素后,輻射量應(yīng)保持在合理可行盡量低的水平,且人員所受劑量應(yīng)該低于國(guó)家規(guī)定的相應(yīng)劑量限值。輻照防護(hù)措施應(yīng)該在確保船舶理性運(yùn)輸條件下,對(duì)于乏燃料的載運(yùn)和裝卸,或船舶常規(guī)部分的操作和維修,都不受到限制[1]。

為保證運(yùn)輸人員的身體健康和人身安全,運(yùn)輸人員全年的受輻射劑量是有嚴(yán)格要求的。

2.2 輻射的特性

由核燃料產(chǎn)生的輻射均為電離輻射。電離輻射分為2種:粒子輻射,如α、β、中子輻射等;波的輻射,如γ輻射和X射線等。不同的輻射有不同的穿透能力:α射線的穿透能力最弱;β射線可以穿透紙張但是無(wú)法穿透鋁板;γ射線和X射線穿透能力最強(qiáng),需要適當(dāng)厚度的混凝土或鋁板才能阻擋。因此在設(shè)計(jì)屏蔽層時(shí),主要應(yīng)對(duì)的是γ射線和X射線。

2.3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

(1)船舶活動(dòng)區(qū)域有限。要保證航行狀態(tài)下船舶的正常操作和維修不受限制,那么核輻射的粒子及射線需要固化在貨艙區(qū)域內(nèi),不能滲透進(jìn)生活區(qū)域及動(dòng)力區(qū)域。

(2)船舶在海上航行,有較大幾率遭遇惡劣天氣或極端海況。在顛簸狀態(tài)下防輻射屏蔽層需能經(jīng)受住劇烈搖晃、強(qiáng)烈震動(dòng)帶來(lái)的不利影響,不能出現(xiàn)破損、開(kāi)裂等狀況。

(3)船舶貨艙內(nèi)部需要設(shè)置通風(fēng)、消防等設(shè)備。這些設(shè)備需要在貨艙外區(qū)域有驅(qū)動(dòng)裝置、能源供給等,而連接設(shè)備的管路必須要穿過(guò)屏蔽層,因此要保證貫穿件的防輻射效果。

3 防輻射設(shè)計(jì)

3.1 控制輻射源

貨包是乏燃料的運(yùn)輸載體,也是隔絕輻射的第一道防線。ENUN 24P型貨包的示意圖見(jiàn)圖1。

1—外蓋;2—內(nèi)蓋;3—運(yùn)輸容器本體;4—上吊耳;5—下吊耳;6—外筒體;7—鰭片;8—中子屏蔽體;9—吊籃導(dǎo)向;10—吊籃外圍板;11—螺紋桿;12—墊圈;13—螺母;14—不銹鋼吊籃結(jié)構(gòu);15—吊籃中的MMC燃料管;16—燃料組件;17—吊耳螺栓。

貨包中主要的輻射屏蔽層是布置于罐體中間夾層的中子屏蔽層,其他構(gòu)件例如外筒體等金屬構(gòu)件也可以起到一定的屏蔽作用。在罐體的屏蔽作用下,內(nèi)部乏燃料的輻射量可降低至表面2 m處,劑量率水平為0.1 mSv/h。按照公路運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)中沿線公眾的全年受輻射劑量小于0.1 mSv的要求,只要保證貨包不破損,那么船員在航次內(nèi)的輻射劑量都是在規(guī)定范圍內(nèi)的。

貨包在運(yùn)輸途中出現(xiàn)破損只有以下幾種狀況:

(1)貨包在吊裝過(guò)程中從起吊設(shè)備上脫落。

(2)在航運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)顛簸或大幅晃動(dòng),與周?chē)Y(jié)構(gòu)物發(fā)生碰撞。

(3)貨艙內(nèi)發(fā)生火災(zāi)。

(4)貨艙通風(fēng)失效,貨包內(nèi)部溫度急劇上升。

為防止(1)類(lèi)情況發(fā)生,貨包外均設(shè)有減震裝置。所以,只要貨包墜落是在其設(shè)計(jì)的安全高度范圍內(nèi),基本不會(huì)發(fā)生罐體破損,引發(fā)泄漏事件。

為避免罐體在運(yùn)輸過(guò)程中與其他物體碰撞,在貨艙底部設(shè)計(jì)專(zhuān)用的底座。貨包的轉(zhuǎn)運(yùn)托架底座采用螺栓連接,保證貨包在航行過(guò)程中的穩(wěn)定性。

雖然乏燃料退出堆芯后已停止反應(yīng),并且至少經(jīng)過(guò)8 a冷卻才能放入貨包進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn),但是其本身的發(fā)熱量仍然很高。貨包本身具有耐高溫特性,并且可以通過(guò)燃料吊籃促進(jìn)排除腔體內(nèi)熱量。但是如果貨包長(zhǎng)期處于一個(gè)密閉環(huán)境,還是會(huì)由于環(huán)境溫度過(guò)高導(dǎo)致散熱效果下降,進(jìn)而造成貨包屏蔽層損壞。因此,在貨包基座下方設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的通風(fēng)口,依靠風(fēng)機(jī)對(duì)貨包進(jìn)行冷卻。

風(fēng)冷系統(tǒng)可以保證及時(shí)帶走貨包散發(fā)的熱量,但是不排除突發(fā)事件造成貨包溫度急劇上升的情況。除了風(fēng)冷系統(tǒng)外,該項(xiàng)目還在貨艙艙蓋設(shè)置了水噴淋系統(tǒng),達(dá)到降溫和滅火目的。

由以上幾種措施共同組成的第一層核輻射屏蔽手段,可以大幅降低貨包破損風(fēng)險(xiǎn),從源頭阻斷核輻射泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 貨艙防輻射屏蔽層

通過(guò)上述的貨包減震系統(tǒng)、貨艙綁扎系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)、水冷系統(tǒng),已基本可以保證貨物運(yùn)輸?shù)陌踩?。但是?duì)于這種運(yùn)輸高危險(xiǎn)品的船舶,設(shè)計(jì)時(shí)一定要提高冗余度,確保貨品、人員的安全性。

根據(jù)《指南》第9章輻射防護(hù)的要求:船上應(yīng)根據(jù)預(yù)期運(yùn)輸INF貨物的實(shí)際或潛在輻射危害劃分指定的區(qū)域,一般分為控制區(qū)域、監(jiān)督區(qū)域和非限制區(qū)域,其中控制區(qū)域就是裝載有貨包的貨艙區(qū)域。

3.2.1 屏蔽層設(shè)置原則

屏蔽層的設(shè)置是假設(shè)貨包已經(jīng)發(fā)生泄漏,核燃料將會(huì)對(duì)船員造成輻射傷害的情況下,依靠屏蔽層實(shí)施物理隔絕。

貨艙作為貨包的裝載區(qū)域,應(yīng)該是控制區(qū)域的最小單位,因此貨艙可作為一個(gè)整體進(jìn)行屏蔽考慮。

由于貨艙的后端壁與機(jī)艙區(qū)域相鄰,機(jī)艙區(qū)域上方就是船員生活區(qū),一旦發(fā)生泄漏事故,輻射射線將通過(guò)這一界面直達(dá)船員生活區(qū)域,所以這一限界面要視作防護(hù)最重要的區(qū)域。其次考慮到對(duì)他船或環(huán)境的影響,貨艙間的垂直界面及頂部界面也要予以重點(diǎn)保護(hù)。由于船底部直接面向海水,而水是天然的輻射屏蔽層,所以對(duì)于船體底部無(wú)需采取額外的屏蔽措施。

3.2.2 屏蔽層設(shè)計(jì)

鋼材、混凝土、鉛、聚乙烯、水等材料,都是可以用作屏蔽輻射的材料。

由于鉛的密度大,價(jià)格也比較昂貴,并且長(zhǎng)期使用對(duì)船員健康可能會(huì)造成危害,所以該材料在船舶屏蔽層設(shè)計(jì)中并不予以考慮。

鋼板是船舶建造的基本材料,經(jīng)濟(jì)性較高且鋼材的強(qiáng)度、韌性、耐高溫性、防水性等都很好,所以是較為理想的屏蔽材料。在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中,只要保證貨艙艙壁的連續(xù)性(防止輻射粒子或射線從缺口逃逸),就可以收獲較好的屏蔽效果。

屏蔽層需要達(dá)到一定厚度才能起到阻擋射線穿透的效果,而鋼板密度較大,不宜過(guò)厚,所以屏蔽層除了鋼材之外,還需要輔以其他材料。在貨艙兩舷艙壁及艏部艙壁上,采用聚乙烯板材作為屏蔽層的第2種材料。貨艙縱壁采用20 cm厚聚乙烯板,船首橫艙壁采用的是25 cm厚聚乙烯板。

聚乙烯屏蔽效果好、耐酸堿性強(qiáng),是經(jīng)濟(jì)性較高的屏蔽材料,但不耐高溫,在110 ℃就開(kāi)始熔化變形。因此,考慮到高溫、失火等風(fēng)險(xiǎn),在貨艙與機(jī)艙的限界面采用了74 cm厚的淡水隔艙作為屏蔽手段。該屏蔽層具有不可燃、耐高溫、不易損壞、易于補(bǔ)充等優(yōu)勢(shì)。

艙蓋采用鋼制箱式結(jié)構(gòu),總板厚(兩層板疊加厚度)為20 cm。這個(gè)厚度不足以完全阻擋輻射射線穿透艙蓋進(jìn)入空氣中。射線再經(jīng)由空氣形成漫發(fā)射,進(jìn)而會(huì)影響到船上的監(jiān)督區(qū)域和非限制區(qū)域。因此,艙蓋的防護(hù)也同樣重要,采用箱式結(jié)構(gòu)也是出于敷設(shè)防輻射屏蔽層因素考慮的。艙蓋屬于活動(dòng)構(gòu)件,需要進(jìn)行開(kāi)啟、關(guān)閉操作,如果采用單殼艙蓋結(jié)構(gòu),很難保證屏蔽層材料在操作中與艙蓋的牢固度,所以必須采用箱體結(jié)構(gòu),屏蔽層填充在箱體夾層內(nèi)。艙蓋在制造時(shí),首先將頂板與四周板進(jìn)行焊接,輻射材料填充完畢后,再將底板焊接封死。艙蓋內(nèi)部采用重混凝土進(jìn)行填充。重混凝土具有便于敷設(shè)、填充性好、便于埋管操作、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。但是混凝土也有一個(gè)明顯的缺陷,就是韌性較差,在艙蓋發(fā)生形變時(shí)容易開(kāi)裂。因此,艙蓋內(nèi)部的屏蔽層并不單純是重混凝土,在遠(yuǎn)離封板焊接面的一側(cè),還敷設(shè)了10 cm厚聚乙烯板,以保證艙蓋的防輻射效果。

貨艙艙口間的甲板條區(qū)域空間狹小,不便鋪設(shè)聚乙烯板材,所以也采用了重混凝土作為屏蔽層。

全船貨艙區(qū)域的4個(gè)立面、1個(gè)頂面已經(jīng)由屏蔽層全方位包圍,再加上底部海水的防輻射效果,貨艙區(qū)域已經(jīng)與全船其他區(qū)域隔離開(kāi)。

3.2.3 防輻射屏蔽門(mén)

貨艙區(qū)域除了裝卸貨包時(shí)需要人員并進(jìn)入進(jìn)行裝卸操作外,在航運(yùn)過(guò)程中安保人員也要定期進(jìn)行巡檢。因此,貨艙區(qū)域與全船其他區(qū)域限界面間的門(mén)也需要采取屏蔽措施,并且其屏蔽效果要與限界面的屏蔽效果一致。

根據(jù)運(yùn)輸貨品的特性,貨艙要具有一定的防火效果,限界面要保證水密并具有一定的氣密性,所以該位置采用的是防輻射水密門(mén)。

根據(jù)防輻射要求,屏蔽門(mén)需要由15 cm厚聚乙烯及4 cm厚鋼板組成。由于安保人員在巡檢過(guò)程中需要穿著防輻射服,考慮到其進(jìn)出通道的便利性,門(mén)通孔寬度為80 cm。初步估算,屏蔽門(mén)的質(zhì)量約1 t,依靠手動(dòng)開(kāi)閉非常困難。因此,增加了電液驅(qū)動(dòng)裝置,通過(guò)油缸伸縮控制屏蔽門(mén)啟閉,并且鎖緊裝置也采用電液驅(qū)動(dòng),以保證屏蔽門(mén)的密封性。

3.3 防泄漏措施

為保證船舶安全運(yùn)輸,除了貨艙內(nèi)部設(shè)有視頻監(jiān)控、伽瑪探測(cè)器、中子探測(cè)器、火災(zāi)警報(bào)等遙控設(shè)備外,安保人員還要定期巡檢,檢測(cè)貨包狀態(tài)。

不論貨包是否有泄漏,都會(huì)有微量的輻射粒子溢出。安保人員在巡查貨艙時(shí),防護(hù)服上會(huì)粘附這些帶有輻射的粒子。如果貨包發(fā)生泄漏,那么安保人員在巡視后會(huì)攜帶更多輻射粒子,這些有害物質(zhì)在進(jìn)入生活區(qū)前必須進(jìn)行嚴(yán)格清理。在人員進(jìn)出貨艙區(qū)開(kāi)啟屏蔽門(mén)時(shí),輻射粒子或射線,也可能趁機(jī)逃逸至生活區(qū),所以必須在通道設(shè)置上隔絕以上情況的發(fā)生。

該項(xiàng)目在居住區(qū)與貨艙區(qū)的左右兩舷通道上,各設(shè)置了1個(gè)氣鎖間和1個(gè)清潔間。氣鎖間的兩扇門(mén)與清潔室門(mén)是相互錯(cuò)開(kāi)的,并且均帶有自閉裝置,目的就是通過(guò)交錯(cuò)的鋼圍壁防止輻射射線直接穿透開(kāi)啟的門(mén)洞到達(dá)生活區(qū)。自閉器可以保證門(mén)及時(shí)關(guān)閉,隔絕粒子從貨艙區(qū)逃逸。這種布置方案已經(jīng)申請(qǐng)了實(shí)用新型專(zhuān)利[3]。

在清潔室內(nèi),設(shè)有專(zhuān)門(mén)放置防輻射服的儲(chǔ)藏柜、用于安保人員進(jìn)行清潔的淋浴間及檢測(cè)輻射粒子殘留量的檢測(cè)儀。在清潔間入口處還設(shè)有人臉識(shí)別系統(tǒng),只有取得訪問(wèn)權(quán)的人員才能夠進(jìn)入貨艙區(qū)域。安保人員的巡視路徑從左舷進(jìn)入,經(jīng)過(guò)氣鎖間抵達(dá)左舷清潔室,在該房間內(nèi)穿著防輻射服后方可進(jìn)入貨艙區(qū)域。清潔間靠近貨艙區(qū)域一側(cè)的門(mén)為屏蔽門(mén),由電液控制。所有的屏蔽門(mén)在開(kāi)閉過(guò)程中均會(huì)發(fā)出警報(bào),提示相關(guān)人員注意安全。安全人員在清潔室屏蔽門(mén)完全關(guān)閉后,方可打開(kāi)貨艙縱艙壁上的屏蔽門(mén)進(jìn)入貨艙區(qū)域。3個(gè)貨艙巡視完畢后,安保人員通過(guò)右舷清潔室離開(kāi)貨艙區(qū)域。在該清潔室內(nèi)首先進(jìn)行硼酸淋浴,然后到手腳表面污染檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè),達(dá)標(biāo)后方可通過(guò)氣鎖間返回居住區(qū)域。

4 結(jié)語(yǔ)

乏燃料運(yùn)輸船是國(guó)內(nèi)首次建造,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)放射性材料運(yùn)輸領(lǐng)域的空白。由于其運(yùn)載貨物的特殊性,防輻射的能力是其成功與否的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。本著高冗余度的設(shè)計(jì)理念,必須從各個(gè)方面考慮可能發(fā)生的狀況,以保證船舶的生存能力及船員的生命安全。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,本文詳細(xì)咨詢了核電站、公路運(yùn)輸?shù)扰c乏燃料相關(guān)行業(yè)的信息,結(jié)合水上運(yùn)輸?shù)奶厥庑?考慮可能發(fā)生的危險(xiǎn),從主動(dòng)防護(hù)、被動(dòng)防護(hù)、安全操作等各個(gè)方面對(duì)輻射進(jìn)行隔離。

隨著核電的大力推廣,核燃料、乏燃料的運(yùn)輸處理業(yè)務(wù)也會(huì)越來(lái)越多。在未來(lái)的項(xiàng)目中,輻射屏蔽設(shè)計(jì)也會(huì)越來(lái)越完善,也期待更多的新型屏蔽材料能夠應(yīng)用到乏燃料運(yùn)輸船上。