1985年前苏联核潜艇事故及对我国潜在辐射影响评价

岳 峰，乔清党，郭 猜，祝 贺，郭瑞萍，郜建伟，王瑞英，李雯婷

(1.生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082；2.辽宁红沿河核电有限公司，辽宁 大连 116001)

1985年8月10日，前苏联E-2级核潜艇K-431号在换料过程中发生反应堆临界爆炸燃烧事故。事故地点位于海参崴东南方60 km恰日玛湾(Chazhma Bay，见图1)(东经132.408 600°，北纬42.935 595°)，海参崴是俄罗斯太平洋舰队重要基地，也是该舰队核潜艇维护和换料的母港。该艇最终于1986年退役。

图1 事故发生时气象条件下的迁移轨迹图(1985-08-10 00:00至1985-08-13 12:00)

虽然事故已经过去30余年，但是由于种种原因，外界对该事故，尤其是释放的放射性物质对我国造成的辐射影响了解并不多。本文通过对事故过程、源项、气象等资料的查阅，采用美国HYSPLIT程序，就该事故对我国的潜在辐射影响进行评价，为我周边国家及地区的涉核军事活动所造成的潜在辐射影响研判提供参考。

1 事故过程及放射性源项

1.1 事故过程

事故核潜艇为675型巡航导弹核潜艇(北约代号Echo II)，1965年完工，拥有2台V/BM-A压水反应堆，功率2×70 MW，2回路设计，核燃料U-235富集度20%，每座反应堆U-235重量为50 kg[1]。

1985年8月10日，该潜艇在位于恰日马湾的海军设施内进行换料操作。俄罗斯核潜艇换料操作通常包括如下步骤：

(1)在顶盖用于定位紧急制动棒的孔中插入一根特殊的抽水管。

(2)所有的水从主回路排出，确认无水。

(3)利用换料服务船拆除顶盖。

(4)将装有燃料转运容器的换料机置于堆芯上方。

(5)乏燃料组件由换料机从堆芯中取出，并储存在燃料转运容器中。

(6)装满乏燃料组件后，燃料转运容器被吊回换料服务船。

(7)将乏燃料组件卸载到换料服务船后，将新燃料组件装入燃料转移集装箱。

(8)新燃料组件装入堆芯内。然后，从步骤(5)开始重复上述过程，直到新燃料组件完全装入堆芯。

(9)取下换料机后，安装带有控制棒的上盖，关闭堆芯。

(10)冷却剂水被注入主回路。验证上盖密封的密封性。

事故发生在当地时间10:55，换料操作进行到步骤(10)，工作人员发现上盖密封不完整，决定将上盖升起来解决问题，但是他们没有把主回路的水抽干，也没有把用来固定控制棒的格子拆开。该决定未经监管人员同意，并且违反规程。当上盖升起几厘米时，一艘海军鱼雷艇扫过，形成了巨大的尾流。尾流导致换料服务船和起重机吊臂晃动，控制棒提起过快。反应性的快速上升引起巨大的功率脉冲，导致5×1018次裂变[2]，并发生爆炸及火灾。爆炸弹出了新装载的燃料，破坏了潜艇的压力壳和船尾舱壁。火灾于4 h后被扑灭。大部分带有放射性的碎片落在距离潜艇50～100 m的范围内，但仍有少量放射性烟羽吹向北方。事故导致10名工作人员死亡[3]。事故时，一艘大型船只位于事故地点东北方向，一定程度上阻挡了污染物随海水向北部扩散，并降低了海水循环的强度[4]。对当地海水和底部沉积物采样监测结果表明，事故通过海水造成的放射性污染仅限于恰日玛湾内，未对海参崴地区海水和海滩造成放射性影响[5]，事故远距离的放射性影响主要来自大气输运。

1.2 事故源项

根据相关研究[1]，事故最初释放量为7.4×1016Bq的惰性气体和1.85×1017Bq的其他裂变产物，但是这些大部分为短寿命核素，事故后1小时仍然存在的非惰性气体裂变产物估计为3.7×1013Bq。对于远距离大气输运，需要考虑的核素需要达到一定的数量和足够长(通常要几天以上)的半衰期。由于堆芯中装载的是新燃料，Cs-137，Cs-134，Sr-90等核素的量可忽略。因此，放射性碘是需要重点关注的。5×1018次裂变产生I-131、I-133、I-135数量分别为145 GBq、3 100 GBq、9 200 GBq，以20%作为放射性碘释放到大气中的释放份额。事故释放可能造成长距离影响的核素及其数量列于表1。裂变发生在瞬时，考虑到裂变产物随爆炸、燃烧释放的过程，源项释放的持续时间假定为0.5 h。释放高度为爆炸燃烧高度，选取海平面及以上50 m之间。

表1 可能造成长距离影响的源项

2 辐射后果评价

2.1 气象资料

针对此次事故释放源项，本文采用当时实际气象条件(1985年8月10日，UTC时间)和对我国较为不利的气象条件进行评价，以研究类似事故对我国可能造成的辐射环境影响。不利气象条件方面，根据相对地理位置，当事故地点偏东南风且风速较大时，对我国尤其是东北地区较为不利，通过对2013—2015年气象资料的分析筛选，以2014年6月18日(UTC时间)及之后几天时段数据作为对我国影响较大的气象条件。气象数据来源自美国NCEP[6](National Centers for Environmental Prediction，美国国家环境预报中心)再分析气象资料。

2.2 评价方法

评价包括核素迁移扩散及剂量评价两部分。

2.2.1核素迁移扩散

为了兼容气象资料数据，核素迁移扩散部分采用美国HYSPLIT[7](Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory)程序对事故源项的迁移轨迹和影响核素的地面沉积浓度、空气积分浓度进行模拟计算。HYSPLIT是由隶属于美国国家海洋和大气管理局(NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration)的空气资源实验室(Air Resources Laboratory)研发的一种用于计算和分析大气污染物输运、扩散轨迹的专业模型。HYSPLIT程序的两个主体功能为迁移轨迹计算、空气浓度计算。

迁移轨迹计算侧重于污染物在流场中按平均风输送，基本原理[8]可由下式表示：

粒子在一个时间步长Δt后新的平均位置矢量：

V({Pmean(t)+[V(Pmean,t)Δt]},t+Δt)]Δt

其中，V(Pmean,t)是粒子在平均位置Pmean，时间t的三维速度矢量。

空气浓度计算不但考虑平均风的输送作用，同时又用一系列随机位移来模拟湍流扩散，这样就表达了平流和湍流扩散两种作用，最后由这些粒子在空间和时间上的总体分布估算出污染物的分布，基本原理在上述公式基础上增加了以下2式，即粒子在水平和垂直方向的实际位置分别为：

Xfinal(t+Δt)=Xmean(t+Δt)+U′(t+Δt)Δt

Zfinal(t+Δt)=Zmean(t+Δt)+W′(t+Δt)Δt

其中，Xmean和Zmean分别为粒子在水平和垂直方向的平均位置，U′和W′分别为水平和垂直方向的湍流脉动速度分量。

计算过程中，根据HYSPLIT程序最长模拟计算时间，轨迹及扩散时间为84 h。当地事故时有间歇性毛毛雨，按照偏保守原则，忽略湿沉积，干沉积速率默认值为0.1 cm/s。

2.2.2剂量评价

照射途径考虑了空气浸没外照射有效剂量Eext1、吸入内照射有效剂量Einh、地面沉积外照射及再悬浮吸入内照射有效剂量Eext2，人员所受总有效剂量ET为三者之和。

上述剂量利用IAEA 1162号报告中的剂量评价方法和相关参数(放射性核素的转换因子CF9,i、CF2,i、CF4,i)[9]计算得出。空气浸没外照射有效剂量Eext1：

吸入内照射有效剂量Einh：

式中，CF2,i为吸入放射性核素i导致的待积有效剂量转换因子[(mSv/h)/(kBq/m3)]，来自IAEA 1162号报告；

地面沉积外照射及再悬浮吸入内照射有效剂量Eext2：

2.3 评价结果

2.3.1迁移轨迹

按照1985年8月10日事故发生时的气象条件，模拟计算的迁移轨迹如图1所示，结果显示，此次事故释放的放射性物质主要向北输运，轨迹未到达我国境内，对我国的影响为核素的扩散造成。模拟计算的核素地面沉积浓度变化情况如图2所示(以I-135为例)。

图2 事故气象条件下I-135的地面沉积浓度变化图

按照2014年6月18日对我国不利气象条件，模拟计算的迁移轨迹如图3所示，结果显示，事故释放的放射性物质主要向西北方向输运，轨迹经过我国东北部分地区。模拟计算的核素地面沉积浓度变化情况如图 4 所示(以I-135为例)。

图3 不利气象条件下的迁移轨迹图(2014-06-18 00:00至2014-06-21 12:00)

图4 不利气象条件下I-135地面沉积变化图

2.3.2剂量分布

按照1985年8月10日事故发生时的气象条件，此次事故造成的有效剂量分布如图5所示。结果显示，本次核事故释放的放射性物质可能对黑龙江省兴凯湖及饶河县一带产生影响，导致我国境内的最大个人有效剂量低于1.1×10-5mSv(图5中绿色区域)，各核素及照射途径所致有效剂量列于表2。

图5 此次事故造成的有效剂量分布

按照2014年6月18日对我国不利气象条件，事故造成的有效剂量分布如图6所示。结果显示，如果此次事故的释放发生在对我国较为不利的气象条件下，事故产生的放射性物质可能会对黑龙江省牡丹江市、吉林省延边朝鲜族自治州一带产生影响，导致我国境内的最大个人有效剂量低于7.9×10-5mSv(图6中蓝色区域，主要集中在我国黑龙江省东宁市)，各核素及照射途径所致有效剂量列于表2。

图6 不利气象条件下的有效剂量分布

表2 此次事故中各核素及照射途径所致有效剂量(mSv)

3 结论

此次核潜艇事故对我国的辐射影响较小。由于事故时主导风向并未吹向我国，对我国造成的最大个人有效剂量不超过1.1×10-5mSv，可以忽略。同样的事故即使发生在对我国较不利的气象条件下，最大有效剂量也不超过7.9×10-5mSv，远低于我国居民所受天然照射平均年有效剂量2.3 mSv[10]，影响有限。这主要是因为事故中损坏的是刚刚装载的新燃料，一些危害性较高的核素(比如Cs-137，Cs-134，Sr-90等)量相对较小，最终可能造成长距离影响的源项主要是碘的同位素等。倘若发生事故的核设施燃料达到一定的燃耗深度，或装载了更多的核燃料，核事故影响将比此次事故更大。

表3 不利气象条件下各核素及照射途径所致有效剂量(mSv)

军用核设施，尤其是核潜艇具有极高的保密性，即使发生核事故，也难于被外界发现。本事故最早的公开报道出现于前苏联解体后的1994年[5]，即事故发生9年后。在英国《国际海军》1986年5月发布的前苏联历年核潜艇事故情况汇总中，只报道了该潜艇“1986年1月被救助船拖走”的情况，“事故性质不明”[11]。1957年到1998年，俄罗斯共建造了248艘核潜艇,其中大约200艘已经退役[1,12]。随着前苏联解体以及俄罗斯经济下滑，基础设施以及乏燃料处理方面的欠缺，类似的核潜艇事故值得周边国家警惕。值得一提的是，2021年10月2日美国“海狼”级攻击核潜艇“康涅狄格”号在南海与水下不明物体发生碰撞事故[13]。鉴于此，我国应该在边境重点方向建立大气、海洋辐射监测预警体系，及时发现对我国能够产生辐射环境影响的核事故。同时应加强天基核事故、核试验探测系统，及早发现此类威胁。