爆炸事故后考虑粒径分布的吸入剂量转换因子估算方法

技术领域

本发明属于放射性事故后果评估领域，针对目前核燃料循环设施发生外因引起的爆炸事故，具体涉及爆炸事故后考虑粒径分布的吸入剂量转换因子估算方法。

背景技术

在发生爆炸事故情况下，由于爆炸应力的作用，可能摧毁净化装置和排风设施。爆炸情景一般可以划分为两个阶段，一是爆炸载荷作用下铀气溶胶的形成过程，二是铀气溶胶形成后在大气环境中的扩散过程。其中，第一个问题的研究结果是第二个问题的输入条件。

20世纪60年代起，人们开始针对核事故场景中的放射性气溶胶源项进行实验和理论研究，研究内容主要包括含钚材料的氧化反应和气溶胶生成机制、核事故发生后钚气溶胶在事故源处的分布特性等。铀和钚在物理和化学特性上存在很多的相似之处。1963年“Roller Coaster”是发生在美国LNLL内华达实验场的，是核武器内部化学炸药引爆实验。

该实验将含炸药和钚结构置于4种不同环境来模拟钚在不同环境中发生事故时的扩散状况。Roller Coaster实验提供了如下数据：①试验时的气象条件；②下风方向不同地点的气溶胶浓度；③下风方向不同地点的沉积活度；④不同高度的气溶胶粒子大小分布；⑤爆炸云团形状和云团内放射性活度分布。实验小组通过对这些数据的分析得到如下结论：①增加炸药质量促使爆炸云团初始高度增高从而可减小地面的放射性危害；②钚粒子大小分布表明可呼吸份额质量约占整个钚的20％；③可呼吸份额的活性中值动力学直径为5μm几何标准差为2.5；④武器结构中的大部分钚材料被气溶胶化。后来许多学者利用该实验的数据对钚气溶胶的粒径分布进行了进一步分析。

J.Sagartz通过PBX-9404炸药加载银球壳实验，模拟核装置在事故条件下钚气溶胶源项生成规律，研究了不同炸药构型条件下银样品气溶胶化的转化率，分析了炸药爆能对银气溶胶转化率的影响规律，但未说明使用金属银作为钚替代材料的依据。

中国工程物理研究院流体物理研究所的刘文杰等，采用银作为钚的替代材料，开展炸药化爆条件下银气溶胶的源项实验，研究粒径10μm以下(PM

刘志勇采用SPH方法对球形装药爆轰波高速挤压铀材料等高速冲击与爆炸问题进行数值模拟。结果表明：当铀材料的比内能e达到2.0MJ/kg时，铀材料即转化为气溶胶。当铀材料的质量为49.3g时，气溶胶转化率达到了92.8％。铀材料在爆炸载荷作用下，单位质量材料吸收的能量越多，气溶胶转化效率越高，即当铀材料在受到爆炸作用后，其比内能越大，气溶胶转化率越高，详见表1。

表1不同实验工况下铀气溶胶的质量和转化率

在工作人员吸入途径的剂量评估时，采用吸入剂量转换因子是基于IAEA No.RS-G-1.2《摄入放射性核素引起的职业照射评估》和GB18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》中的剂量转换因子。标准中给出了AMAD为5μm(当前认为这是工作场所中放射性核素的最恰当的颗粒粒径缺省值)的吸入剂量系数；也给出了AMAD为1μm的剂量转换因子，AMAD为1μm是ICRP第30号出版物《工作人员摄入放射性核素限值》中所用的缺省值，也被用作了公众剂量转换因子的缺省值。

由此可见，如果单一采用标准中的吸入剂量转换因子，会忽视掉爆炸的两个过程。第一步是爆炸的始发阶段，会形成较大的蘑菇云，当含铀金属的质量越大，爆炸当量越小时，形成的气溶胶转换率时非常低的，而且<5μm的粒径找到了60％；而当含铀金属的质量越小时，随着爆炸当量的增加，形成的气溶胶转换率越来越高。爆炸的第二个过程是气溶胶颗粒随着爆炸热烟团沿着下风向扩散，但是仅有<10μm粒径的颗粒物是可以被工作人员吸入的，其他>20μm粒径的颗粒物在厂区近区(300m)以内就沉降到地面，但是在应急过程中，可能会存在少量的由于人为扰动而以再悬浮的形式再回到工作人员可吸入的空气带中，不能满足应急事故处理工作人员吸入剂量的精细化评估要求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供爆炸事故后考虑粒径分布的吸入剂量转换因子估算方法，根据不同铀金属质量、爆炸当量和爆炸核心温度等确定的不同爆炸时间点的含铀气溶胶的粒径分布规律，根据该粒径分布规律，在爆炸事故后的工作人员吸入剂量估算时考虑根据该分布规律给出的吸入剂量转换因子，从而能够精准地评估爆炸后的事故处理人员的吸入剂量。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：爆炸事故后考虑粒径分布的吸入剂量转换因子估算方法，所述方法包括以下步骤：

S1、在爆炸事故后，将爆炸事故分为爆炸初期和第二阶段，爆炸初始为始发阶段预设时间之内，第二阶段为持续燃烧过程；

S2、在爆炸初期，根据爆炸当量和含铀金属的质量关系构建第一吸入剂量转换因子；

S3、在第二阶段，根据不同粒径占比计算第二吸入剂量转换因子。

进一步，步骤S2包括以下子步骤：

S21、根据含铀金属物质质量和热值关系，确定爆炸当量和含铀金属物质质量关系；

S22、根据爆炸当量和含铀金属物质质量关系构建爆炸当量和铀气溶胶的转化率占比之间的幂指数关系，进而确定爆炸初期3min内铀气溶胶转化率为<5μm的气溶胶的占比情况；

S23、根据ICRP的呼吸道模型确定对于AMAD为<5μm的放射性粒子沉积在呼吸道各区域所估算得到的第一吸入剂量转换因子。

进一步，步骤S21中确定的爆炸当量和含铀金属物质质量关系为

W

式中，α-蒸汽云爆炸的效率因子，表明参与爆炸的可燃气体的分数，一般取3％或4％；

W—为铀金属物质质量；

Q

Q

W

进一步，步骤S22中构建爆炸当量和铀气溶胶转化率占比之间的幂指数关系为

y＝(-2E-11)x

其中，y为铀气溶胶转化率占比，x为爆炸当量。

进一步，步骤S3包括采用已经构建的燃烧温度与不同粒径的气溶胶占比规律，得到不同燃烧情况下的第二吸入剂量转换因子。

进一步，步骤S3中得到的第二吸入剂量转换因子计算公式为

DCF

其中，f

进一步，步骤S3中所述第二吸入剂量转换因子计算公式通过模拟不同燃烧温度下的气溶胶粒径占比燃烧实验得到。

进一步，所述方法还包括步骤：

在爆炸初期，应急救援工作人员吸入剂量的估算方法为：

其中，E

B是人的呼吸率；

DCF

C

t是爆炸初期持续的时间，一般为3min，即180s。

进一步，所述方法还包括步骤：

在第二阶段，应急救援工作人员吸入剂量的估算方法为：

其中，E

DCF

进一步，应急人员所受吸入剂量为爆炸初期以及第二阶段的剂量之和：E

本发明的有益技术效果在于：本发明公开的爆炸事故后考虑粒径分布的吸入剂量转换因子估算方法，在含铀金属发生爆炸事故时，将爆炸事故分为两个阶段，其中始发阶段为爆炸初始3min内，根据爆炸当量来估算工作人员的剂量转换因子。第二阶段为火灾持续阶段，根据燃烧的核心温度，再分阶段进行吸入剂量转换因子的估算。

附图说明

图1为本发明实施例示出的爆炸事故后考虑粒径分布的吸入剂量转换因子估算方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

实施例一

在含铀金属发生爆炸事故时，事故现场工作人员会开展应急救援。在本发明实施例中，将爆炸事故分为两个阶段，其中始发阶段为爆炸初始3min内，采用的剂量估算方法为根据爆炸当量来估算工作人员的剂量。第二阶段为火灾持续阶段，根据燃烧的核心温度，再分阶段进行吸入剂量的估算。

如图1所示，本发明实施例提供爆炸事故后考虑粒径分布的吸入剂量转换因子估算方法，所述方法包括以下步骤：

1、在爆炸初期的工作人员吸入剂量转换因子及吸入剂量估算方法

根据含铀金属物质质量和热值关系，确定爆炸当量和含铀金属物质质量关系。

W

式中，α-蒸汽云爆炸的效率因子，表明参与爆炸的可燃气体的分数，一般取3％或4％；

W—为铀金属物质质量(kg)；

Q

Q

W

根据本发明构建的TNT当量和铀气溶胶的转化率占比之间的幂指数关系：

y＝(-2E-11)x

确定爆炸初期3min内的爆炸始发阶段的气溶胶转化率为<5μm的气溶胶的占比情况。根据以上结论，在爆炸发生初期的事故应急人员的估算中，采用根据ICRP的呼吸道模型确定的对于AMAD为<5μm的放射性粒子沉积在呼吸道各区域所估算得到的吸入剂量转换因子，即采用GB18871中推荐的工作场所的工作人员的吸入剂量转换因子DCF

在事故处理过程中，应急救援工作人员吸入剂量的估算方法为：

其中，E

B是人的呼吸率，m

DCF

C

t是爆炸初期持续的时间，一般为3min，即180s。

2、第二阶段，持续燃烧的工作人员的吸入剂量转换因子及吸入剂量估算

随着爆炸发生后，炸点中心的铀金属继续燃烧，根据核心的燃烧温度，采用已经构建的燃烧与不同粒径的气溶胶占比规律，随着时间的推移，进一步细化不同燃烧情况下的吸入剂量转换因子。

不同燃烧条件下，<1μm(AED)的粒径占比为f

其中，f

其中，n表示的随着火势发展情况下，测定的温度次数。

给出定义，设定a值为GB18871中的AMAD为<1μm的剂量转换因子；设定b值为GB18871中的AMAD为1～5μm的剂量转换因子；设定c值为根据ICRP的呼吸道模型确定的对于AMAD为5～10μm的放射性粒子沉积在呼吸道各区域所估算得到的吸入剂量转换因子。在吸入剂量转换因子的估算中，认为>10μm的铀颗粒物不会进入事故处理的工作人员的呼吸道，故此，在估算时需要将f

那么，在爆炸后期的燃烧事故处理过程中，工作人员的吸入剂量转换因子的估算：

DCF

综上所述，整个爆炸过程中，工作人员的吸入剂量转换因子及吸入剂量估算分为两个部分，即爆炸始发阶段，一般小于3min内，采用DCF

在事故后期的火灾处理过程中，应急救援工作人员吸入剂量的估算方法为：

其中，E

DCF

t是烟团经过时，在室外停留的时间，s。

在估算爆炸应急人员所受吸入剂量时，分为1和2两个过程，最终的吸入剂量，应当为两个阶段的剂量之和：E

通过上述实施例可以看出，本发明公开的爆炸事故后考虑粒径分布的吸入剂量转换因子估算方法，将爆炸事故分为爆炸初期和第二阶段，爆炸初始为始发阶段预设时间之内，第二阶段为持续燃烧过程，爆炸初期根据爆炸当量和含铀金属的质量关系构建出的含铀可吸入气溶胶的释放量，进而估算第一吸入剂量转换因子；第二阶段，根据不同粒径占比关系给出的参与应急的工作人员吸入剂量转换因子，通过对爆炸事故后的工作人员吸入剂量转换因子进行分段估算，从而对事故后的工作人员的吸入剂量进行了精细化评估。采用本发明中公开的方法，相对于以往事故估算方法，对工作人员的事故后吸入剂量估算更为精准、更接近于现实情况，适用于应急事故处理的工作人员所受剂量的精细化评估。

本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。