随着反应堆中核燃料燃耗的加深，核燃料裂变不能维持核电站发电功率，被更换的未燃尽的核燃料称为乏燃料^[1]。随着我国在建和运行的核电站逐渐增多，产生的乏燃料也越来越多，当乏燃料不能满足在堆储存或需要进行其他用途，就需要通过公路运输进行堆外储存或进一步处理。因此，乏燃料的运输活动会越来越频繁，开展对乏燃料运输活动的安全评价，尤其是运输过程中辐射风险分析是非常重要的一环。

本文对某核电站的乏燃料棒公路运输进行辐射风险分析，提出了有关乏燃料运输的应急措施建议，为乏燃料棒运输的托运人和承运人制定运输应急预案提供指导，提高乏燃料运输的安全性。

1 材料与方法 1.1 乏燃料棒的辐射特性

本次运输的燃料棒均为冷却0.5年后的乏燃料棒，其特性及运行历史见表 1。采用ORIGEN-2程序计算乏燃料棒的放射性活度，计算结果如表 2所示。单根燃料棒的γ辐射源强度为3.15×10¹⁴光子/s；单根燃料棒中子辐射强度为2.26×10⁶中子/s，中子辐射主要是由超钚核素(如²⁴²Cm、²⁴⁴Cm等)的自发裂变及(α，n)反应产生的。

1.2 运输容器

运输乏燃料棒的运输容器采用从德国进口的用于运输PWR和BWR乏燃料棒(含破损的乏燃料棒)的R52型运输容器，其主要参数见表 3。

根据乏燃料棒的辐射特性计算得到，单个运输货包表面任一点的最大剂量率为9.50×10^-2mSv/h；距该货包表面1 m处的最大剂量率为2.42×10^-2mSv/h。据此，该货包的运输指数TI=4.84，货包级别为B(U)型Ⅲ级(黄)货包^[2]。

1.3 事故辐射影响分析 1.3.1 事故类型及其事故概率的考虑

根据美国机动运输安全局(Burean of Motor Carrier Safty, BMCS)提供的1973—1983年所有卡车和所有公路类型(如城市街道、乡村公路、州内高速路和州际高速路)上发生的事故的统计资料与数据，卡车行驶中的事故类型可以分为两类：碰撞事故和非碰撞事故。

对于碰撞事故，其碰撞的对象既可能是非固定物(包括路标、行人、其它机动车、火车等)，也可能是固定物(包括桥栏、桥墩、混凝土物体、墙、管道等)。发生事故后，有可能会着火，卡车也有可能会离开路面，如果是在桥梁上或者路旁有深沟，就会形成跌落事故。对于非碰撞事故，包括冲下斜坡、翻车、机械故障及着火事故等。

该分析认为：有两种情况会导致严重事故，一种是货包发生超9 m跌落，且落地点为硬土、混凝土或岩石等；另一种是货包发生火烧事故，且火烧时间大于0.5 h。

一旦发生严重事故，其后果之一是放射性物质从容器内释放出来，对周围环境、运输人员和公众造成一定的影响；后果之二是容器屏蔽因撞击或高温作用而局部减弱，引起辐射水平升高，对周围运输人员和公众造成一定的影响。

根据路况调查的结果，本次运输活动中发生跌落事故的概率为2.7×10^-6次，发生火烧时间大于0.5 h的严重事故概率为1.42×10^-11次。因此，本文分析的重点事故类型为“严重跌落事故”，事故辐射后果及风险分析也主要针对该事故类型。

1.3.2 事故情景考虑及源项分析

(1) 事故后燃料棒破损份额

本次运输货包的放射性活度总量为1.0×10¹⁵Bq，最大燃耗约45 321 MWd/tU，冷却时间为0.5 a。

在文献[3]中，其估算了各类容器在发生不同的速度改变时，内装乏燃料的破损份额，在48~96 km/h时为0.25，在96~144 km/h时为0.59。

发生严重跌落事故(大于9 m跌落)时，根据路况分析，大于20 m高的跌落几乎很少，根据上述参数，燃料棒的破损份额不会超0.25，保守取0.5。

(2) 释放份额

将破损燃料棒运输事故中向环境释放放射性物质的途径分两部分考虑：

1) 从燃料棒到运输容器内腔的释放

本次运输的严重事故中，放射性物质从燃料棒到容器内腔的释放机制主要考虑以下2种：

a.撞击破裂——因撞击等机械作用使燃料棒包壳破裂，放射性物质通过包壳破裂处进入容器内腔；

b.扩散机制——已破损的燃料棒中放射性气体和气溶胶因浓度梯度的作用通过包壳破裂处进入容器内腔。

扩散机制在正常温度情况下通常比撞击破裂对释放份额的贡献低3个量级以上，可以忽略。其他释放机制还有热压破裂、氧化机制等，但本事故没有涉及。因此在运输严重事故的辐射风险分析过程中，主要考虑撞击破裂的释放情况。

2) 从运输容器的内腔到环境的释放

在本次运输的严重事故中，假定由于撞击作用导致容器密封圈变形，形成1 mm²的释放路径。

参照文献[3]中对类似事故容器和类似事故的分析，其气体释放份额在0.14~0.43之间，气溶胶粒子的释放份额在1.0×10^-7~3.2×10^-7之间。

对于本次运输的严重事故，保守取：气体释放份额取1.0，气溶胶粒子的释放份额取1.0×10^-6。

(3) 释放量

根据运输量、破损份额、释放份额计算了严重事故时放射性物质向环境的释放量见表 4。

(4) 屏蔽减弱的辐射水平

在本次运输的严重事故中，运输容器还会受到撞击作用，导致容器的铅屏蔽层发生变形，使铅体下沉，从而可能在上端与不锈钢之间出现裂缝，进而造成容器的局部屏蔽性能减弱或丧失。参考R52容器的安全分析的结果，认为超9 m跌落事故铅体塌陷30 mm。保守假设侧壁铅屏蔽在容器底部缩短30 mm，容器底端盖部分铅屏蔽不变。使用MCNP4C计算容器外表面处的最大剂量率为27.5 mSv/h，1m处的剂量率为1.3 mSv/h。

2 事故后果 2.1 放射性物质释放的后果估算模式

将运输事故中放射性物质释放模拟为瞬时释放，考虑为地面源。本次事故后果采用RG1.145潜在事故后果评价的大气扩散模型^[4]估算，运输过程中故事故期间放射性物质的释放应考虑为地面释放。事故的辐射影响评价的照射途径考虑烟云浸没外照射、吸入内照射和地面沉积外照射。

2.2 辐射剂量估算结果

经剂量估算得出，当发生跌落事故时，对事故处理工作人员的最大个人剂量为7.8 mSv，受损货包运输过程中工作人员的最大个人剂量为9.0 mSv，均分别小于一般运输事故情况下的剂量控制值10 mSv。事故情况处理过程中和受损货包运输过程中公众人员所受的最大有效剂量为6.3×10^-2mSv，也小于一般运输事故情况下对公众的剂量控制值1 mSv。

2.3 放射性物质运输风险

放射性物质运输风险，其定义为特定的一个后果(剂量)和它发生概率的乘积^[5]。可用下式描述，

$ R= \sum\limits^n_{i=1} P_{i}×C_{i} $

(1)

式中，R为放射性物质运输事故风险；P_i为运输道路中路段i的事故率^[6]；C_i为运输道路中路段i的事故辐射剂量，单位:Sv。

其中，

$ P_{i}= \sum\limits^m_{j=1} AR_{i}×CP_{i, j}×d_{i} $

(2)

式中，AR_i为运输道路中路段i的基础事故率，单位:(车·km)^-1；CP_{i, j}为路段i上j类严重程度事故发生的条件概率；d_i为路段i的长度，单位:km。

其中，

$ C_{i}= \sum\limits^m_{j=1} C_{i, j} $

(3)

式中，C_{i, j}为路段i上j类严重程度事故辐射剂量，单位:Sv；

因此，考虑本次运输活动中可能发生跌落事故的概率为2.7×10^-6次，发生跌落事故时，工作人员运输辐射风险值最大为2.4×10^-8Sv·次，公众运输辐射风险值最大为1.7×10^-10Sv·次。

2.4 事故应急

根据本次运输的事故情景、事故后果极其辐射风险，结合我国现有运输事故应急管理现状，有关事故应急管理及措施主要考虑以下几个方面：

2.4.1 事故应急机构

当辐射事故发生时，须第一时间向环保部门报告，并由环保部门牵头，组织公安、卫生应急人员赴现场处置辐射事故^[7]。

环保部门的职责是负责对事故发生地进行现场污染水平监测和采样分析工作，划定受污染区域，做好应急现场的辐射防护工作；

公安部门的职责是负责指挥、协调事故发生地公安机关执行现场警戒和交通管制等任务，维护现场治安秩序；

卫生部门的职责是负责辐射事故现场卫生应急处置，负责受辐射伤害人员的医疗救治，负责可能导致的人员辐射危害健康评价，向受辐射事故影响的公众提供心理咨询服务^[7]。

业主单位作为事故应急的响应者，其职责是设置应急组织机构，制定事故应急预案，根据应急预案的内容和要求，处理运输事故。

2.4.2 应急装备及措施

应急装备是应急处置过程中至关重要的一个组成部分，主要有：便携式γ谱仪、长杆γ剂量率仪[量程范围: 0.01~ 10 Sv/h]、α、β表面沾污仪、测距仪、警戒绳、标志旗、收贮桶等设备。应急现场使用的辐射巡测仪、表面污染仪等探测仪器在使用前一定要用塑料薄膜包裹，只把探测窗口露出，以防这些仪器被放射性物质沾染，因为一旦受到沾染日后很难完全去除，影响仪器使用^[8]。

具体的应急措施如下：

① 首先按照应急程序报告相关部门；

② 将事故外围区域进行警戒与封闭，现场处置组和应急救援组进入事故区域开展应急处置工作^[9]，首先在货包的四周由远至近测量γ辐射水平，初步判定事故的严重程度。划定隔离区，隔离区内不准无关人员进入，并放置警示标志。应急支援单位的人员赶赴现场，并约请辐射防护专家到达指挥部，以便对辐射事故的控制、缓解和处理提供咨询和指导，如需要将派有关专家迅速抵达事故现场指导事故处理;

③ 在运输容器的放射性物质泄漏已经得到控制的前提下，应迅速安排对运输容器、运输车辆和事故现场进行放射性物质的去污清理。应对参与去污清理的人员提供适当的个人防护用品(如手套、口罩、工作服等)。去污过程中产生的所有废物(如用于去污的手套、棉花、纱布、清除的受污染的土壤等)应分类收集在塑料袋中，以便运走作进一步处理和处置。

3 讨论

本文通过对某核电厂乏燃料运输过程的辐射影响后果分析，给出了运输过程的辐射风险值，主要结论如下：

1) 通过对本次事故情景分析、确定将本次运输活动中发生跌落事故作为“严重事故”具有一定的保守性。通过路况调查的结果，确定跌落事故的概率为2.7×10^-6次。将该事故作为事故后果及风险分析的事故类型。

2) 通过事故情景和释放源项的保守估计，采用RG1.145中大气扩散模型进行估算，考虑烟云浸没外照射、吸入内照射和地面沉积外照射，跌落事故所致工作人员的最大个人剂量为9.0 mSv，小于一般运输事故情况下的剂量控制值10 mSv。公众人员所受的最大有效剂量为6.3×10^-2mSv，也小于一般运输事故情况下对公众的剂量控制值1 mSv。

3) 本次公路运输活动中，工作人员运输辐射风险值最大为2.4×10^-8Sv·次，公众运输辐射风险值最大为1.7×10^-10Sv·次，结果表明，运输活动的总体辐射风险极小，是可接受的。

4) 针对运输事故，本文提出的应急措施可以为乏燃料棒运输的托运人和承运人制定《核与辐射运输事故应急响应指南》 ^[10]提供指导，同时建议托运人和承运人加强乏燃料运输事故应急演练，提高乏燃料运输的安全性。