鈾燃料元件制造設(shè)施職業(yè)照射分析及改進(jìn)措施

汪世軍,趙善桂,呂 丹,李小龍,劉運陶,劉新華,周海兵,申 紅

(1. 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心,北京100082；2. 中核建中核燃料元件有限公司，四川宜賓644000)

鈾燃料元件制造設(shè)施職業(yè)照射分析及改進(jìn)措施

汪世軍1,趙善桂1,呂 丹1,李小龍1,劉運陶1,劉新華1,周海兵2,申 紅1

(1. 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心,北京100082；2. 中核建中核燃料元件有限公司，四川宜賓644000)

文章通過對我國某鈾燃料元件制造設(shè)施職業(yè)照射數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，并與國內(nèi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比，總結(jié)得出某鈾燃料元件制造設(shè)施職業(yè)輻射防護(hù)中的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合鈾燃料元件制造設(shè)施的工藝生產(chǎn)現(xiàn)狀及輻射防護(hù)特點，針對性地提出改進(jìn)相關(guān)設(shè)備的密封性、改善操作的自動化水平，以降低工作場所氣溶膠濃度和工作人員的居留時間，從而降低個人劑量的優(yōu)化方案。

燃料元件制造設(shè)施；個人劑量；職業(yè)照射

隨著我國核電的快速發(fā)展，核電廠所需的鈾燃料元件逐年增加，加工制造鈾燃料元件設(shè)施的產(chǎn)能也隨之大幅提升。整個社會對核燃料循環(huán)設(shè)施的核與輻射安全更加關(guān)注，其中，設(shè)施內(nèi)工作人員的職業(yè)照射情況是重要的關(guān)注點之一。因此，分析研究鈾燃料元件制造設(shè)施內(nèi)工作人員個人劑量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)職業(yè)輻射防護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)，并運用輻射防護(hù)最優(yōu)化的方法進(jìn)行分析及提出改進(jìn)措施，對于提高核燃料循環(huán)設(shè)施運行管理水平，以及職業(yè)輻射防護(hù)管理水平，具有十分重要的作用。

1 鈾燃料元件制造中物料的輻射特性

鈾燃料元件制造是以低濃鈾(六氟化鈾)為原料經(jīng)重鈾酸銨(ADU)工藝流程制備UO2粉末，再將UO2粉末均勻化處理，經(jīng)燒結(jié)、磨削制備UO2芯塊，最終組裝成核電廠所需的燃料組件。

鈾燃料元件制造設(shè)施中操作的對象為UF6氣體、U3O8、UO2粉末、UO2芯塊，主要放射性物質(zhì)為鈾(234U 、235U、238U)，其中235U含量小于5%[1]。

鈾燃料元件制造設(shè)施中的主要放射性物質(zhì)為—鈾，其輻射特性以α放射性為主，兼有一定的β、γ輻射。鈾的放射性核素有234U、235U、238U，其主要輻射性能見表1。

鈾燃料元件制造設(shè)施運行中對造成工作人員造成輻射照射的主要途徑為：

表1 放射性核素234U、235U、238U的主要輻射性能[2、3]

注：核素的半衰期數(shù)據(jù)引自《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18871—2002)，其他數(shù)據(jù)引自《輻射防護(hù)手冊 第一分冊 輻射源與屏蔽》。

(1) 含鈾氣溶膠：在生產(chǎn)線運行中，有少量的鈾化合物釋放到工作場所，形成放射性氣溶膠，工作人員吸入后造成內(nèi)照射危害；

(2) 表面放射性污染：設(shè)施內(nèi)的設(shè)備、管道及地面、墻面和工作臺面等表面因沾污鈾放射性或放射性氣溶膠的沉積形成表面污染，放射性物質(zhì)沾染到人體表面導(dǎo)致食入、傷口滲入或放射性物質(zhì)再次懸浮形成放射性氣溶膠而被工作人員吸入造成內(nèi)照射危害；

(3) 外照射：物料容器、中間產(chǎn)品容器、鈾料操作設(shè)備和物料庫房等大量物料暫存場所，放射性物質(zhì)存量較大，β、γ照射較為顯著，可對工作人員造成一定外照射危害。

針對上述的主要照射途徑，鈾燃料元件制造設(shè)施通常采用的輻射防護(hù)措施有：設(shè)施在設(shè)計時根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對輻射工作場所進(jìn)行分區(qū)管理，對放射性廠房出入口進(jìn)行控制；各廠房設(shè)置衛(wèi)生出入口或通過間，防止控制區(qū)與監(jiān)督區(qū)之間的放射性污染的擴散；各廠房設(shè)計時設(shè)計了人流、物流的控制措施，并考慮人流物流分開以防止交叉污染；各工藝廠房按照工藝生產(chǎn)特點設(shè)置有通排風(fēng)系統(tǒng)及凈化系統(tǒng)，對降低工作場所放射性氣溶膠濃度起到良好的保證作用；控制區(qū)內(nèi)氣溶膠濃度比較高的崗位，采取密閉包容措施或獨立布置，并加強局部排風(fēng)；工作場所設(shè)置有氣溶膠取樣監(jiān)測系統(tǒng)，能及時發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度超標(biāo)并通知工藝工種查找原因并采取處理措施；對于進(jìn)入輻射工作場所控制區(qū)的工作人員要求使用個人防護(hù)用具并制定有相應(yīng)操作及管理程序。這些防護(hù)措施可以有效地降低工作場所的放射性污染，減少工作人員所受到的輻射照射。

2 職業(yè)照射個人劑量比較分析

我國某鈾燃料元件制造設(shè)施近年(2008—2012)來的個人劑量(外照射、內(nèi)照射)統(tǒng)計結(jié)果見表2～表4。

表2 某鈾燃料元件制造設(shè)施內(nèi)照射個人劑量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

注：DDL是指根據(jù)測量系統(tǒng)的探測下限推算出的“劑量值”；DOSE是指個人劑量。

表3 某鈾燃料元件制造設(shè)施外照射個人劑量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表4 某鈾燃料元件制造設(shè)施個人劑量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

根據(jù)《中國輻射水平》中列舉的我國1991—2000年期間核燃料制造職業(yè)照射統(tǒng)計數(shù)據(jù)[4]，從1991年到2000年的10年期間，核燃料制造設(shè)施工作人員職業(yè)照射的年均監(jiān)測人數(shù)為702人，年人均有效劑量為2.23mSv。

3 分析及改進(jìn)措施

從表4的數(shù)據(jù)可以分析得出，某鈾燃料元件制造設(shè)施工作人員的年人均有效劑量的最高值低于國家標(biāo)準(zhǔn)《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18871—2002)規(guī)定的工作人員年劑量限值20mSv[2]，也低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鈾加工與核燃料制造設(shè)施輻射防護(hù)規(guī)定》(EJ 1056—2005)要求的年有效劑量當(dāng)量管理控制值 10mSv/a[5]。

根據(jù)UNSCEAR 2000年報告統(tǒng)計，1990—1994年間，全世界核燃料制造工作人員的年人均劑量為1.03mSv[4]。從《中國輻射水平》中的數(shù)據(jù)也可以分析得出，我國1991—2000年的年人均有效劑量為2.23 mSv，高于世界年人均劑量。

表5是某鈾燃料元件制造設(shè)施近幾年按崗位統(tǒng)計的個人劑量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。從表5中可以看出，干法、壓制、燒結(jié)、磨削等4個崗位的個人劑量的最大值和平均值都比其他崗位的個人劑量的最大值和平均值大,與《中國輻射水平》列舉的國內(nèi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及UNSCEAR 2000年報告統(tǒng)計的年人均有效劑量也有較大差距。

表5 某鈾燃料元件制造設(shè)施個人劑量最大值統(tǒng)計

內(nèi)照射劑量當(dāng)量的估算公式：

H內(nèi)=e(g)·C·V· (1-f)·t

式中：H內(nèi)——內(nèi)照射劑量當(dāng)量(Sv)[6]；e(g)——待積有效劑量(Sv/Bq)[2]，對具體的核素H內(nèi)為常數(shù)，具體數(shù)值參見GB 18871—2002表B3；

C——崗位平均氣溶膠濃度(Bq/m3)；

V——參考人呼吸率(m3/h)，V=1.2m3/h；f——個人防護(hù)器具的過濾效率(無量綱，f為常數(shù))；

t——年有效工作時間(h)。

根據(jù)公式(1)，對于特定的工作場所，放射性氣溶膠的核素是已知的，e(g)、V、f等參數(shù)為常數(shù)，依據(jù)操作物料及工藝操作的特點、結(jié)合輻射防護(hù)最優(yōu)化分析，采取改進(jìn)措施，降低輻射工作人員年有效工作時間(h)和崗位平均氣溶膠濃度(Bq/m3)，就能降低輻射工作人員的內(nèi)照射劑量。因此，改進(jìn)這四個崗位相關(guān)設(shè)備的密封性，降低設(shè)備的泄漏率以減少放射性物質(zhì)的釋放，從而降低相關(guān)工作場所的氣溶膠濃度，采取提高工作崗位的自動化操作水平，改善輻射防護(hù)管理措施，以減少輻射工作人員的年有效工作時間(t)。預(yù)計可將工作人員年個人有效劑量降低，從而使設(shè)施的年均個人有效劑量降低到一個合理水平。最終形成了對這四個崗位的工藝改進(jìn)方案(包括對工作人員個人劑量的影響分析)如下：

(1) 干法崗位

該崗位工作人員所受輻射照射主要是內(nèi)照射，氣化工序及轉(zhuǎn)化工序的物料均密封在設(shè)備及管道內(nèi)部，氣溶膠釋放量較小，氣溶膠釋放量較大的崗位主要是穩(wěn)定化崗位。

現(xiàn)有生產(chǎn)線中，檢查料斗下料后接專用料桶，均勻化時，翻轉(zhuǎn)料筒，然后與均勻化裝置對接，進(jìn)行下一步操作。粉末操作次數(shù)多，增加了放射性氣溶膠的釋放。改進(jìn)時可將穩(wěn)定化與均勻化采用氣流輸送裝置，減少粉末操作次數(shù)，從而減小放射性氣溶膠的釋放。200L料桶的進(jìn)出料口均在上部，負(fù)壓輸送物料時，需將進(jìn)出料口打開，將吸嘴插入，從上部吸料。改進(jìn)時可將料桶改為上進(jìn)下出的形式，進(jìn)出料口設(shè)置快速接口直接與生產(chǎn)線和負(fù)壓輸送系統(tǒng)對接，形成完整的密封系統(tǒng)，從而減小放射性氣溶膠的釋放。

通過對輸料方式的改進(jìn)，避免粉末泄露，同時還能減小工作人員接觸物料的時間。因此后續(xù)的運行中，工作人員年個人有效劑量將有所減小，且個人劑量分布將比較均勻。

(2) 壓制、燒結(jié)、磨削崗位

1) 粉末制粒工序整套設(shè)備設(shè)計改進(jìn)為集中控制，正常情況下工作人員只需隔一定時間加料、接料，其余操作基本可以在控制室內(nèi)完成，這樣就減少了工作人員在現(xiàn)場的操作次數(shù)和時間。

2) 粉末暫存區(qū)、軋片制粒間、成型壓制間、燒結(jié)區(qū)、磨削區(qū)、芯塊庫房和芯塊裝管間等不同污染水平區(qū)域之間采用實體隔離。UO2粉末倒料接口處均設(shè)有局排風(fēng)罩；旋轉(zhuǎn)成型壓機設(shè)有防護(hù)罩，并就近連接粉塵回收裝置，尾氣排入局排系統(tǒng)；人工外觀檢查在通風(fēng)柜內(nèi)進(jìn)行，通風(fēng)柜設(shè)局部排風(fēng)；燒結(jié)爐進(jìn)出料口及排氣管上方裝有局排風(fēng)罩；芯塊磨削的上料、磨削在防護(hù)罩內(nèi)進(jìn)行并設(shè)有局部排風(fēng)；氧化裝置的進(jìn)出料工作箱和氧化爐均設(shè)置局部排風(fēng)。

3) 壓制工序、燒結(jié)工序和磨削工序之間采用自動導(dǎo)引運輸車(AGV)物料自動轉(zhuǎn)運系統(tǒng)替代人工小車轉(zhuǎn)運，物料自動轉(zhuǎn)運系統(tǒng)包括物料自動暫存貨架和自動轉(zhuǎn)運小車。物料暫存貨架采用合適的材質(zhì)設(shè)置密閉罩，減少集中物料貯存對操作人員的外照射危害。整個物料的暫存、轉(zhuǎn)運、存取操作均為自動化操作，不需要工作人員現(xiàn)場操作。

相關(guān)崗位自動化改進(jìn)后的工作時間與原工作時間(改造前)的比較見表6。

表6 原生產(chǎn)線工作時間與改進(jìn)后的工作時間比較

通過上述各崗位改進(jìn)措施的實施，可提高相關(guān)設(shè)備的密封性，減少放射性物質(zhì)的彌散，從而降低工作場所的氣溶膠濃度，同時通過提高相關(guān)崗位操作的自動化水平，減小工作人員的居留時間，減小工作人員吸入放射性氣溶膠的總量。對于這些原生產(chǎn)線受照射劑量較高的崗位，初步估計可減少10%左右(單純考慮工作時間的減少時)的受照劑量，同時需在運行中加強工藝設(shè)備密封性能的定期檢查，適度加強工作場所表面污染和氣溶膠的監(jiān)測頻度，加強日常輻射防護(hù)管理，初步估計可以將工作人員年有效個人劑量控制到8mSv以下。

4 結(jié)論

通過對某設(shè)施個人劑量數(shù)據(jù)及崗位現(xiàn)狀的分析確定了改進(jìn)措施，在只考慮工作時間減少10%左右的情況下，初步估計可將個人劑量降低到8mSv以下，這對于降低該設(shè)施的職業(yè)照射，提高職業(yè)輻射防護(hù)水平是十分有效的方法。

因我國鈾燃料元件設(shè)施的職業(yè)輻射防護(hù)水平與國際水平相比還存在一定的差距，在考慮經(jīng)濟(jì)和社會因素的前提下進(jìn)一步降低我國鈾燃料元件設(shè)施的個人劑量一直將是職業(yè)輻射防護(hù)的重點工作目標(biāo)。

[1] 《注冊核安全工程師崗位培訓(xùn)叢書》編委會.核安全綜合知識(修訂版)[M].北京：經(jīng)濟(jì)管理出版社，2013.

[2] GB 18871—2002, 電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)[S].中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[3] 李德平，潘自強等. 輻射防護(hù)手冊 第一分冊 輻射源與屏蔽[M].北京：原子能出版社，1987.

[4] 潘自強,劉森林等.中國輻射水平[M].北京：原子能出版社，2010.

[5] EJ 1056-2005，鈾加工與燃料制造設(shè)施輻射防護(hù)規(guī)定[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.2005.

[6] U.S. Department of Energy.DOE-STD-1136-2004,Guide of Good Practices for Occupational Radiological Protection in Uranium Facilities[S]. Washington, D.C. 20585, December 2004.

[7] 文湘閩,劉忠恕,李紅,等.核燃料化工轉(zhuǎn)化生產(chǎn)線正常運行時對作業(yè)人員輻射影響[J].預(yù)防醫(yī)學(xué)情報雜志,2009,25(12):1057-1060.

[8] 中國核工業(yè)總公司安防環(huán)保衛(wèi)生局，職業(yè)性照射個人劑量監(jiān)測與管理培訓(xùn)班資料匯編[G]. 1996年12月.

Analysis of Occupational Exposure of Uranium fuel Fabrication Facilities and its Improvement Measures

WANG Shi-jun1, ZHAO Shan-gui1, LV Dan1, LI Xiao-long1, LIU Yun-tao1, LIU Xin-hua1, ZHOU Hai-bing2, SHEN Hong1

(1. Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082, China; 2. CNNC Jianzhong Nuclear Fuel Co., Ltd., Yibin of Sichuan Prov. 644000, China)

Occupational exposure data of a Uranium fuel fabrication facility were analyzed statistically. Weak points in radiation protection were found by comparison with national data. Combining with the current manufacturing process and the characteristics of radiation protection, the suggestions on improvement proposal of related equipment sealing performance and operation automation level were proposed for reducing workplace aerosol concentration and staff residence time so as to reduce personal dose.

Fuel fabrication facilities；Individual dose；Occupational exposure

2016-09-26

汪世軍(1971—)，男，高級工程師，學(xué)士，主要從事輻射安全審評工作

申 紅：shenhong@chinansc.cn

TL75+2.2

A

0258-0918(2016)06-0869-05