李文博，何 莉，吳榮俊，陳 艷，李曉玲，賈靖軒

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

隨著建設(shè)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略方針的穩(wěn)步推進(jìn)，我國啟動了海洋核動力平臺、核動力礦砂船等多型民用核動力艦船的設(shè)計(jì)和建造。由于搭載核動力裝置，核動力艦船應(yīng)保證在所有運(yùn)行狀態(tài)下艦船內(nèi)的輻射照射或由于任何計(jì)劃排放放射性物質(zhì)引起的輻射照射保持低于規(guī)定限值并且合理可行盡量低[1-3]?；贗CRP 第103 號出版物《國際放射防護(hù)委員會2 0 0 7 年建議書》（ 下文簡稱ICRP103）、IAEA 安全標(biāo)準(zhǔn)《國際輻射防護(hù)和輻射源安全基本安全標(biāo)準(zhǔn)》（下文簡稱IAEA GSR Part3），以及國家標(biāo)準(zhǔn)《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（下文簡稱GB18871），為了便于輻射防護(hù)管理和職業(yè)照射控制，核動力艦船應(yīng)進(jìn)行合理的輻射分區(qū)，指定控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)邊界，輻射分區(qū)應(yīng)為核動力艦船總體布置、屏蔽設(shè)計(jì)和通風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

雖然陸上核電廠輻射分區(qū)有法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)可依，但是核動力艦船具有空間小、設(shè)備布置緊湊、輻射源項(xiàng)集中、工作人員需要長期生活和工作在艦船上等特點(diǎn)，陸上核電廠的輻射分區(qū)準(zhǔn)則并不完全適用于核動力艦船。本文基于核動力艦船的特點(diǎn)，結(jié)合陸上核電廠輻射分區(qū)準(zhǔn)則，借鑒國內(nèi)外輻射防護(hù)最新研究成果，提出一個(gè)合理可行的民用核動力艦船輻射分區(qū)準(zhǔn)則。

1 陸上核電廠輻射分區(qū)準(zhǔn)則

世界各國的陸上核電廠輻射分區(qū)準(zhǔn)則存在很大差異，且一般僅給出推薦的輻射分區(qū)示例，允許不同核電廠采用不同的輻射分區(qū)。我國目前已經(jīng)運(yùn)行的核電廠由于設(shè)計(jì)和管理理念不同，沒有統(tǒng)一的輻射分區(qū)準(zhǔn)則，輻射分區(qū)不盡相同。本節(jié)給出并對比了4 個(gè)陸上核電廠輻射分區(qū)示例，以供核動力艦船輻射分區(qū)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)借鑒。IAEA 安全標(biāo)準(zhǔn)《核電廠輻射防護(hù)設(shè)計(jì)》（下文簡稱IAEA NS-G-1.13）給出的輻射分區(qū)示例如表1 所示，與我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)差異較大。國家核安全導(dǎo)則《核電廠輻射防護(hù)設(shè)計(jì)征求意見稿》（下文簡稱HAD102/12）給出的輻射分區(qū)示例如表2 所示，主要參考了核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EJ/T270《核電廠運(yùn)行輻射防護(hù)規(guī)定》和《壓水堆核電廠廠內(nèi)輻射防護(hù)分區(qū)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》（下文簡稱EJ/T316）。能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《壓水堆核動力廠廠內(nèi)輻射分區(qū)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》（下文簡稱NB/T20185）是我國壓水堆核電廠輻射分區(qū)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，替代了核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EJ/T316，其給出的輻射分區(qū)示例如表3 所示。大亞灣等核電廠實(shí)際采用的輻射分區(qū)主要基于法國標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對核電廠輻射分區(qū)設(shè)計(jì)的要求，如表4 所示（法國標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)還給出了彌散在空氣中的放射性核素的最大容許限值[4]）。

上述標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)給出的陸上核電廠輻射分區(qū)示例的共同點(diǎn)主要包括：

1）都按照IAEA GSR Part3 的要求劃出了監(jiān)督區(qū)和控制區(qū)，并且將控制區(qū)劃分為若干個(gè)子區(qū)。

表 1 IAEA NS-G-1.13 給出的輻射分區(qū)示例Tab.1 Example of Radiation Zoning of IAEA NS-G-1.13

表 2 HAD102/12 給出的輻射分區(qū)示例Tab.2 Example of Radiation Zoning of HAD102/12

表 3 NB/T20185 給出的輻射分區(qū)示例Tab.3 Example of Radiation Zoning of NB/T20185

表 4 大亞灣等核電廠實(shí)際采用的輻射分區(qū)Tab.4 Example of radiation zoning adopted by daya bay nuclear power plant

2）監(jiān)督區(qū)的個(gè)人年有效劑量上限一般為5 mSv。

3）一般不考慮控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)以外的區(qū)域。

不同點(diǎn)主要包括：

1）使用的量不同，IAEA NS-G-1.13 給出的是運(yùn)行實(shí)用量劑量當(dāng)量率上限，其他則給出輻射防護(hù)量有效劑量率上限。

2）對內(nèi)照射的考慮不同，NB/T20185 分別給出了場劑量率（外照射）上限和氣載放射性活度濃度（內(nèi)照射）上限，而其他分區(qū)準(zhǔn)則給出的是有效劑量率（包括外照射和內(nèi)照射）上限。

3）控制區(qū)的劑量約束不同，多采用職業(yè)照射年有效劑量限值20 mSv，而HAD102/12 則取用了15 mSv。

4）各輻射分區(qū)劑量率上限和居留特性不同，尤其是IAEA NS-G-1.13 與國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的差異很大。

5）控制區(qū)子區(qū)的數(shù)目不同，從4 個(gè)到6 個(gè)不等。

2 核動力艦船布置特點(diǎn)

陸上核電廠反應(yīng)堆功率大，系統(tǒng)復(fù)雜，輔助設(shè)施多，設(shè)備尺寸大，占地面積廣。核島主要由反應(yīng)堆廠房（即安全殼）、核輔助廠房等構(gòu)成，在高度方向上被劃分為多個(gè)平臺，每個(gè)平臺又劃分為多個(gè)房間，安全殼內(nèi)單個(gè)設(shè)備可占據(jù)多個(gè)房間。

然而核動力艦船受總體空間限制，反應(yīng)堆與蒸汽發(fā)生器、主泵等一回路系統(tǒng)設(shè)備一般緊湊布置于安全殼內(nèi)，構(gòu)成核動力艦船最主要的輻射源項(xiàng)。安全殼內(nèi)一般不設(shè)置實(shí)體屏障用于隔離各系統(tǒng)設(shè)備，其內(nèi)部空間可以視為一個(gè)整體。乏燃料水池、放射性廢物存儲箱等輻射源項(xiàng)一般與安全殼共同布置于反應(yīng)堆艙，正常運(yùn)行狀態(tài)下核動力艦船所有放射性源項(xiàng)基本都包容在反應(yīng)堆艙內(nèi)部。海洋核動力艦船與陸上核電廠最大的區(qū)別就在于其反應(yīng)堆功率小，設(shè)備尺寸小，設(shè)備布置緊湊且隔離程度低，放射性源項(xiàng)集中。另外，與陸上核電廠不同，核動力艦船上的工作人員需要長期工作生活在核動力艦船上。

3 民用核動力艦船輻射分區(qū)準(zhǔn)則

本節(jié)參考陸上核電廠輻射分區(qū)示例，借鑒輻射防護(hù)最新研究成果，基于核動力艦船的特點(diǎn)，提出了一個(gè)合理可行的民用核動力艦船輻射分區(qū)準(zhǔn)則，如表5所示。本節(jié)對其所采用的參數(shù)和假設(shè)，以及相關(guān)考慮進(jìn)行探討和說明。

表 5 民用核動力艦船輻射分區(qū)準(zhǔn)則示例Tab.5 Example of radiation zoning principle of nuclear power ship

3.1 工作人員滯留時(shí)間

核動力艦船需要常年停留在海洋上作業(yè)，為確保工作人員的身心健康，假定工作人員每年滯留在核動力艦船上的時(shí)間小于4 000 h（約半年），且每年在監(jiān)督區(qū)和控制區(qū)工作的時(shí)間小于2 000 h（即每天工作時(shí)間小于12 h）。

3.2 表面污染

輻射分區(qū)需要同時(shí)考慮貫穿輻射、空氣污染水平和表面污染水平，其中表面污染的空間分布具有較大不確定性，且比較容易去除，一般在核電廠運(yùn)行后再加以控制。核動力艦船輻射分區(qū)對表面污染水平的要求可參照NB/T20185 執(zhí)行。

3.3 生活場所

陸上核電廠工作人員雖然工作于廠內(nèi)，卻生活于廠外，而核動力艦船常年停留在海洋上作業(yè)，工作人員需要長期、不間斷的工作、生活于艦船上，核動力艦船從功能上可劃分為生活場所（包括食堂、閱覽室等）和工作場所。依據(jù)ICRP103 對工作人員的定義“任何專職、兼職或臨時(shí)性受雇于雇主，并且清楚關(guān)于職業(yè)放射防護(hù)的權(quán)利和義務(wù)的人員”，包括廚師、閱覽室管理員等在內(nèi)的所有受雇于核動力艦船的人員都是工作人員（相對于公眾），其所受照射類型都屬于職業(yè)照射。雖然生活場所和工作場所更接近于功能分區(qū)，但是從輻射分區(qū)角度劃出生活場所更有利于引導(dǎo)核動力艦船將生活場所布置在遠(yuǎn)離輻射源的區(qū)域，有利于引導(dǎo)廚師等普通工作人員盡可能遠(yuǎn)離輻射源，避免接受不必要的輻射照射，減小核動力艦船的集體有效劑量。

3.4 非限制區(qū)

GB18871 在 “輻射工作場所的分區(qū)” 章節(jié)中規(guī)定“應(yīng)把輻射工作場所分為控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)，以便于輻射防護(hù)管理和職業(yè)照射控制”，NB/T20185 基于此要求將工作場所劃分為非輻射工作場所和輻射工作場所，輻射工作場所又劃分為控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)。然而，將控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)外的所有其他區(qū)域定義為非輻射工作場所不合適，因?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)來自核動力裝置的輻射照射雖然比較小，但并不是可以忽略不計(jì)的，尤其是靠近監(jiān)督區(qū)邊界的區(qū)域。參照HAD102/12 和EJ/T316，核動力艦船沿用了與其設(shè)計(jì)要求相一致的命名，即非限制區(qū)。 另外， GB18871 主要參考了IAEA GSR Part3，而IAEA GSR Part3 的規(guī)定是應(yīng)劃出工作場所的控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)，并沒有認(rèn)為其他區(qū)域?yàn)榉禽椛涔ぷ鲌鏊?，為了與國際標(biāo)準(zhǔn)保持一致，使用 “非限制區(qū)” 合理。

3.5 外照射與內(nèi)照射

鑒于外照射和內(nèi)照射的比例一般難以確定，而不論劑量限值還是劑量約束都需要同時(shí)考慮內(nèi)照射和外照射，HAD102/12 給出了同時(shí)包括內(nèi)照射和外照射的有效劑量率上限，而NB/T20185 則分別給出了場劑量率（外照射）上限和氣載放射性活度濃度（內(nèi)照射）上限。輻射分區(qū)的功能是為核動力艦船的屏蔽設(shè)計(jì)和通風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，屏蔽設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)是外照射，而通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)則是內(nèi)照射。為屏蔽和通風(fēng)凈化2 個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)設(shè)置獨(dú)立的劑量率上限能夠在一定程度上便于輻射屏蔽和通風(fēng)凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和考核。

3.6 場劑量率

場劑量率定義為由輻射源造成的外照射有效劑量率，通?？梢杂镁嚯x輻射源或輻射貫穿位置任意表面30 cm 處的劑量當(dāng)量率代表。雖然輻射監(jiān)測儀表顯示的測量結(jié)果多為劑量當(dāng)量率（IAEA NS-G-1.13 使用劑量當(dāng)量率上限的原因），但考慮到不論是人相關(guān)的劑量限值還是源相關(guān)的劑量約束都是指有效劑量，而且輻射屏蔽計(jì)算的結(jié)果也多為有效劑量率，所以將場劑量率定義為外照射引起的有效劑量率更為合適。

3.7 導(dǎo)出空氣劑量率

目前國內(nèi)外輻射分區(qū)準(zhǔn)則主要采用導(dǎo)出空氣濃度的概念來限制空氣污染程度。ICRP 1990 年建議書定義了放射性核素j 的年攝入量限值A(chǔ)LIj和導(dǎo)出空氣濃度DACj，其中ALIj是工作人員受放射性核素j 照射所產(chǎn)生的有效劑量等于劑量限值時(shí)放射性核素j 的活度攝入量，DACj是導(dǎo)致一個(gè)ALIj時(shí)核素j 在空氣中的活度濃度，其定義如下所示[5-6]：

其中e（50）j是核素j 所對應(yīng)的參考待積有效劑量系數(shù)[2, 6, 7]， Elimit,w的推薦值是工作人員年有效劑量限值20 mSv。DACj的定義假定了一年的工作時(shí)間為2 000 h，按性別平均的呼吸率為1.1 m3h-1。

DADR 與人員的工作時(shí)間無關(guān)，且考慮了所有放射性核素產(chǎn)生的內(nèi)照射劑量，與場劑量率相對應(yīng)，更適合于輻射分區(qū)準(zhǔn)則使用。

3.8 劑量約束與劑量限值

ICRP103 給出的年有效劑量限值是人相關(guān)的，而輻射分區(qū)設(shè)計(jì)應(yīng)采用源相關(guān)的劑量約束[6,8]。ICRP103建議計(jì)劃照射情況下職業(yè)照射的劑量約束值應(yīng)大于1 mSv/a 且小于20 mSv/a[6]。考慮到同一海域可能有多艘核動力艦船共同作業(yè)，核動力艦船的劑量約束使用了HAD102/12 輻射分區(qū)示例推薦的15 mSv/a。

控制區(qū)的輻射水平最高，對人員有效劑量的貢獻(xiàn)最大，其劑量約束采用核動力艦船的劑量約束15 mSv/a。監(jiān)督區(qū)的劑量約束是輻射防護(hù)最優(yōu)化原則的應(yīng)用，其數(shù)值應(yīng)介于非限制區(qū)和控制區(qū)的劑量約束，國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一般都采用5 mSv/a 作為監(jiān)督區(qū)的劑量上限，核動力艦船監(jiān)督區(qū)的劑量約束沿用了5 mSv/a。考慮到公眾的個(gè)人年有效劑量限值為1 mSv，且1 mSv/a 已小于天然輻射劑量世界平均值2.4 mSv/a[9]（我國平均值為2.3 mSv/a[10]），非限制區(qū)的合理目標(biāo)是保證該區(qū)域內(nèi)工作人員得到與公眾同樣水平的防護(hù)，采用1 mSv/a 作為非限制區(qū)劑量約束合理。

劑量約束是進(jìn)行防護(hù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)期劑量的上限，核動力艦船最優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中應(yīng)在可合理達(dá)到的范圍內(nèi)盡量減小各輻射分區(qū)的輻射水平，降低核動力艦船的集體有效劑量。

3.9 劑量率上限

核動力艦船輻射分區(qū)的場劑量率上限由劑量約束除以限定工作時(shí)間得到，而導(dǎo)出空氣劑量率上限由相應(yīng)劑量約束的十分之一除以限定工作時(shí)間得到。

雖然無法完全規(guī)避外照射，但是通過設(shè)置負(fù)壓系統(tǒng)及完善的通風(fēng)凈化設(shè)施，核動力艦船存在空氣污染的風(fēng)險(xiǎn)較小。依據(jù)輻射防護(hù)最優(yōu)化原則，核動力艦船運(yùn)行狀態(tài)下應(yīng)盡量避免空氣污染在一定區(qū)域內(nèi)長期存在，存在污染時(shí)應(yīng)盡快采取措施予以去除。嶺澳等國內(nèi)核電廠設(shè)計(jì)階段要求必須盡一切努力來確保包括常規(guī)工作區(qū)在內(nèi)的大部分區(qū)域的空氣污染可以忽略不計(jì)。參照NB/T20185 對氣載放射性活度濃度的要求，核動力艦船控制區(qū)的內(nèi)照射年有效劑量上限取為劑量約束的1/10（1.5 mSv），并且要求其他區(qū)域的空氣污染可以忽略不計(jì)。

值得注意的是，對于控制區(qū)，當(dāng)場劑量率和導(dǎo)出空氣劑量率都接近其限值時(shí)，工作人員所受到的個(gè)人年有效劑量最大可達(dá)到16.5 mSv/a，雖然概率極小。雖然大于核動力艦船的劑量約束15 mSv/a，但仍小于工作人員年有效劑量限值20 mSv，所以合理。

對于非限制區(qū)和生活場所，基于1 mSv/a 劑量約束以及4 000 h 年限定工作時(shí)間的場劑量率上限是0.25 μSv/h，與世界平均天然輻射有效劑量率0.27 μSv/h[9]相當(dāng)。該區(qū)域空間范圍大，要求其內(nèi)部所有位置（尤其是鄰近監(jiān)督區(qū)位置）的場劑量率都處于如此低的水平不合適，所以核動力艦船輻射分區(qū)準(zhǔn)則僅要求非限制區(qū)和生活場所的個(gè)人年有效劑量小于1 mSv。

3.10 控制區(qū)子區(qū)數(shù)目

陸上核電廠系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備尺寸大，輻射源分散且源強(qiáng)跨度大，控制區(qū)內(nèi)各房間輻射水平和污染水平差別很大，控制區(qū)劃分更細(xì)致。而核動力艦船主要放射性源項(xiàng)都緊湊布置于安全殼和反應(yīng)堆艙內(nèi)，輻射源集中且各輻射源之間基本沒有實(shí)體屏障隔離，進(jìn)行輻射分區(qū)時(shí)安全殼和反應(yīng)堆艙都可視為一個(gè)整體，核動力艦船控制區(qū)劃分為3 個(gè)子區(qū)即可。

4 結(jié) 語

本文基于核動力艦船的特點(diǎn)，借鑒陸上核電廠輻射分區(qū)要求，提出了一個(gè)適合民用核動力艦船的輻射分區(qū)準(zhǔn)則。輻射分區(qū)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)中提出了生活場所、導(dǎo)出空氣劑量率等概念，輻射分區(qū)準(zhǔn)則合理可行，可以作為民用核動力艦船總體布置、屏蔽設(shè)計(jì)、通風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。