高放射性粉末自動(dòng)取樣裝備的安全分析

艾利君 周國(guó)梁 鄧錫斌

摘? 要：鈾钚混合氧化物（MOX）燃料是一種新型的可再循環(huán)的核燃料，其燃料芯塊一般通過(guò)粉末冶金工藝制造。MOX粉末是一種高放射性、高衰變熱功率的可裂變核材料，其生產(chǎn)設(shè)備的系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)是重要參數(shù)之一。本文以自動(dòng)取樣設(shè)備的臨界、輻射防護(hù)、密封性、衰變熱為研究對(duì)象，闡明核設(shè)備在設(shè)計(jì)期間需要開(kāi)展的安全分析，并通過(guò)ANSY、MCNP等程序?qū)υO(shè)計(jì)方案進(jìn)行校核，結(jié)果表明，取樣設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足放射性粉末生產(chǎn)制備取樣需求及輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)取樣? 臨界安全? 輻射防護(hù)? 密封性? 熱分析

中圖分類號(hào)：TL752? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（c）-0042-03

Safety analysis of automatic sampling equipment for high-level radioactive powder

AI Lijun? ZHOU Guoliang? Deng Xibin

（The 404 Company Limited， CNNC，Jiayuguan，Gansu Province，735100 China）

Abstract： The Mixed Oxide（MOX） fuel is a new type of recyclable nuclear. Its fuel pellets are generally manufactured by powder metallurgy process. MOX powder is a kind of fissile nuclear material with high radioactivity and high decay thermal power. The system safety design of its production equipment is one of the important parameters. Taking the criticality， radiation protection， sealing and decay heat of automatic sampling equipment as the research object， this paper expounds the safety analysis that needs to be carried out during the design of nuclear equipment， and checks the design scheme through ANSY， MCNP and other programs. The results show that the structural design of sampling equipment is reasonable and meets the sampling requirements of radioactive powder production and radiation protection standards.

Key Words： Automatic sampling; Criticality safety; Radiation protection; Sealing performance; Thermal analysis

MOX燃料是鈾、钚混合氧化物顆?；旌衔?，即（U1-y，Puy）O2+x，MOX燃料用于快中子增殖堆，是核燃料閉式循環(huán)戰(zhàn)略的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。MOX粉末具有高毒、強(qiáng)放射、低流動(dòng)性和粘性大等特點(diǎn)，使生產(chǎn)線處于密閉性、空間狹小的手套箱環(huán)境內(nèi)。這種手套箱圍封的工況給燃料生產(chǎn)制造、工人操作帶來(lái)了極大的局限性。本文以高放射性核燃料粉末冶金工業(yè)中粉末自動(dòng)取樣技術(shù)為例，設(shè)計(jì)一種高放射性粉末自動(dòng)取樣系統(tǒng)，主要包括取樣設(shè)備、轉(zhuǎn)運(yùn)容器、取樣瓶等機(jī)構(gòu)，該設(shè)備既需要滿足自動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，又要滿足核安全需要[2-3]。其中，常規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)滿足《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》與機(jī)械行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)，本文不再贅述。核設(shè)備在運(yùn)行中必須遵守核安全準(zhǔn)則，保證其安全、高效，故在設(shè)備的制造、運(yùn)行前應(yīng)開(kāi)展相關(guān)安全驗(yàn)證或安全計(jì)算分析。因此，基于MOX燃料生產(chǎn)的實(shí)際工況與核安全方面的考慮，本文針對(duì)研發(fā)的高放射性粉末自動(dòng)取樣系統(tǒng)，重點(diǎn)開(kāi)展了核臨界、輻射防護(hù)安全及熱效應(yīng)計(jì)算，并驗(yàn)證了該系統(tǒng)的密封性。

1? 取樣安全分析必要性

高放射性粉末自動(dòng)取樣系統(tǒng)采用“翻轉(zhuǎn)定容取樣”的取樣方式，主要由取樣設(shè)備、手套箱、電控系統(tǒng)、轉(zhuǎn)運(yùn)容器、取樣瓶等組成[4-6]。

在核設(shè)備研制過(guò)程中，重點(diǎn)需要考慮臨界安全、輻射防護(hù)、核泄漏，以及設(shè)備對(duì)核物料的影響，針對(duì)本取樣系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)及運(yùn)行路徑分析，涉及安全的放射性物料包容在轉(zhuǎn)運(yùn)容器內(nèi)，這是第一道屏障，而鉛玻璃手套箱是第二道屏障。故核安全分析主要對(duì)該系統(tǒng)核臨界、輻射防護(hù)安全及熱效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)容器開(kāi)展密封性驗(yàn)證[7]。

2? 臨界安全

MCNP是一種常用的利用蒙特卡羅方法解決核粒子輸運(yùn)的問(wèn)題的程序，主要應(yīng)用在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)、核臨界安全、輻射屏蔽和核防護(hù)等領(lǐng)域[8-9]。本文通過(guò)MCNP對(duì)設(shè)備的臨界與輻射屏蔽進(jìn)行計(jì)算，對(duì)粉末轉(zhuǎn)運(yùn)容器進(jìn)行簡(jiǎn)化并建模。

經(jīng)MCNP計(jì)算，以30cm厚的水層作為全水反射條件，計(jì)算結(jié)果偏保守。初始粉末堆積密度為3g/cm3，水分含量按最大值7μg/g計(jì)。臨界安全分析中使用U、Pu質(zhì)量比以比利時(shí)PWR-MOX生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展，UO2中235U的含量為0.7%，PuO2中Pu同位素組成為：238Pu占比2.69%、239Pu占比57.69%、240Pu占比23.16%、241Pu占比10.66%、242Pu占比5.81%（基于235U初始富集度4.45wt.%，卸料燃耗為45000MWd/tU）。

經(jīng)計(jì)算，實(shí)際裝料情況獲取體積計(jì)算裝料高度為9.48cm，代入MCNP模型中計(jì)算得Keff=0.28679± 0.00044，遠(yuǎn)低于次臨界限值0.95，因此是臨界安全的。

3? 輻射安全

根據(jù)取樣罐工作環(huán)境在MCNP中建立手套箱模型，手套箱尺寸為2000（長(zhǎng)）×1910（寬）×2470（高），取樣罐位于手套箱中央位置。

根據(jù)PWR-MOX核素成分計(jì)算結(jié)果，結(jié)合U、Pu同位素的自發(fā)裂變產(chǎn)額，計(jì)算得中子發(fā)射率為1.34174981×106 n/s。

考慮中子與其他物質(zhì)作用產(chǎn)生的次級(jí)γ射線貢獻(xiàn)。手套箱材質(zhì)為鉛玻璃，厚度為5cm。取樣罐距手套箱相鄰兩面的距離分別為81cm和85.5cm，本次計(jì)算距取樣罐81cm面的劑量水平。據(jù)此開(kāi)展輻射屏蔽計(jì)算，分別計(jì)算手套箱中部（計(jì)算點(diǎn)水平高度106cm，為MOX物料高度1/2處）距表面50cm、100cm、150cm和200cm處的劑量率。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，其中，距手套箱50cm處的劑量率為0.0397μSv/h，低于綠區(qū)表面劑量限值5μSv/h。工作人員年接受劑量率為33μSv，低于年工作人員劑量限制20mSv[10]。

4? 容器密封性

自動(dòng)取樣裝備采用多重密封措施，包括：密封AB閥、密封取樣閥、手套箱等措施。本文對(duì)密封性進(jìn)行測(cè)試，密封閥氣密性試驗(yàn)按照《密封箱室密封性分級(jí)機(jī)檢驗(yàn)方法》（EJ/T1096-1999）進(jìn)行。表2給出了密封性測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，密封閥主動(dòng)性能好于子閥，整體貼合后的密封性好于單獨(dú)閥板的密封性。實(shí)驗(yàn)采用的密封材料為普通橡膠，在1000次后密封性略低于二級(jí)密封。

5? 容器散熱性能

轉(zhuǎn)運(yùn)容器中钚放射性衰變會(huì)造成初始粉末物性改變，特別是核物料粉末中含有一定比例的有機(jī)添加劑，如硬脂酸鋅等，其失效溫度為90℃。若有機(jī)添加劑失效則會(huì)影響MOX燃料最終良品率。本文對(duì)容器的散熱進(jìn)行ANSYS模擬，輸入條件為容器中钚的熱生產(chǎn)率約10W/KgPu，導(dǎo)熱系數(shù)0.12W/m℃（100℃），獲得溫度數(shù)值模擬結(jié)果[11-13]。隨時(shí)間增加，容器內(nèi)工藝物料溫度逐漸升高，并在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到熱平衡。在18000s（5h），容器內(nèi)最高溫度為52.74℃，低于有機(jī)添加劑分解溫度，因此轉(zhuǎn)運(yùn)容器的散熱性能滿足要求，臨時(shí)存儲(chǔ)核素粉末不會(huì)造成物料損失。

6? 結(jié)語(yǔ)

本文以高放射性粉末冶金工業(yè)中自動(dòng)取樣設(shè)備為例，闡述在設(shè)備研制過(guò)程中核安全分析內(nèi)容，并對(duì)MOX粉末臨界、設(shè)備輻射防護(hù)、容器貯存過(guò)程中溫度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以及轉(zhuǎn)運(yùn)容器的密封性驗(yàn)證。經(jīng)計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證，該自動(dòng)取樣系統(tǒng)滿足核安全基本要求，可應(yīng)用于MOX工業(yè)燃料的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)取樣分析。

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