ITER赤道窗口生物屏蔽層特性研究

黨同強(qiáng)，應(yīng)棟川，楊 琪，曾 勤，3，王國忠，鄒 俊，3，龍鵬程，3，吳宜燦，3，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)

（1．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230027；2．中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，安徽合肥230031；3．中國科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽合肥230031）

ITER作為世界上第一個(gè)托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)堆，它的聚變功率為500MW、可持續(xù)燃燒400s，在運(yùn)行期間產(chǎn)生能量高達(dá)14．1MeV的中子。為了有效屏蔽由托卡馬克產(chǎn)生的強(qiáng)輻射，在托卡馬克外面設(shè)置了一層屏蔽，即生物屏蔽層。在生物屏蔽層內(nèi)是窗口間隙，其中有許多管道和部件。在赤道窗口生物屏蔽層外有一個(gè)窗口室，它是放置各種電子儀器和管道的場所，在停堆期間允許人員進(jìn)入進(jìn)行維修等操作，具體布局如圖1所示。為了有效降低停堆后窗口室中人員所受的劑量，保證工作人員的安全，需要窗口室前面的生物屏蔽層提供足夠的屏蔽。本文中研究了窗口室中的劑量率分布，以檢驗(yàn)生物屏蔽層的屏蔽特性。

圖1 ITER托卡馬克和窗口室截面Fig．1 Cross－section of ITER tokomak and port cells

借助于蒙特卡羅自動建模軟件MCAM［1－4］和赤道窗口CAD模型創(chuàng)建了中子學(xué)模型，然后再將該模型整合到ITER中子學(xué)分析的基準(zhǔn)模型Alite4［5］中。使用MCNP［6］－FISPACT［7］耦合的“兩步法”劑量率計(jì)算方法，分析研究了ITER裝置停機(jī)后窗口室中的劑量率分布。

這些工作都是在大型多功能中子學(xué)計(jì)算分析系統(tǒng)VisualBUS［8－9］平臺上完成的。它是由FDS團(tuán)隊(duì)開發(fā)的具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的大型多功能中子學(xué)計(jì)算分析系統(tǒng)，它包括三維CAD自動建模、多功能中子學(xué)計(jì)算、計(jì)算過程與結(jié)果可視化、計(jì)算結(jié)果優(yōu)化四大部分功能，同時(shí)以FDS團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的混合評價(jià)數(shù)據(jù)庫HENDL［10－12］為數(shù)據(jù)庫平臺，可以應(yīng)用于蒙特卡羅和離散縱標(biāo)法多維復(fù)雜中子學(xué)模型建模與輸運(yùn)計(jì)算、四維中子物理過程求解、各類反應(yīng)率計(jì)算和停堆劑量計(jì)算，以及四維動態(tài)可視化分析等。

1 赤道窗口模型創(chuàng)建

ITER組織于2009年10月向世界發(fā)布了ITER最新的中子學(xué)基準(zhǔn)模型Alite4，它包括所有的主要部件，例如，磁場線圈、中心螺線管、真空室、偏濾器部件、包層模塊、上窗口、赤道窗口和下窗口等［13］。但是，在該模型中的赤道窗口材料為鋼水混合材料，并不是真實(shí)的工程設(shè)計(jì)。為了研究赤道窗口生物屏蔽層的屏蔽特性，依據(jù)工程設(shè)計(jì)創(chuàng)建中子學(xué)模型并更新Alite4中的赤道窗口中子學(xué)模型，并計(jì)算了赤道窗口室中劑量率分布。

本文根據(jù)ITER組織發(fā)布的赤道窗口CAD模型，如圖2所示，創(chuàng)建了赤道窗口的中子學(xué)模型。為了準(zhǔn)確有效地完成赤道窗口模型的更新和模型的集成，使用了VisualBUS平臺上的自動建模工具M(jìn)CAM，經(jīng)過預(yù)處理（包括簡化和修正），將赤道窗口的CAD模型轉(zhuǎn)換成中子學(xué)模型（見圖3），再將更新模型集成到ITER 40°基準(zhǔn)模型Alite4中。

在ITER赤道窗口CAD模型的生物屏蔽層插件上有許多的管道插孔，它是診斷設(shè)備進(jìn)入到窗口內(nèi)的入口。按照圖1中管道布局，根據(jù)ITER國際組織提供的參數(shù)，在生物屏蔽層插件上創(chuàng)建了相應(yīng)的管道，管道外壁與插件的縫隙都為10mm，管道壁厚2mm，管道材料為314鋼。（圖4）

圖2 ITER赤道窗口的CAD模型Fig．2 Equatorial port CAD model for ITER

圖3 ITER赤道窗口的中子學(xué)模型Fig．3 Equatorial port neutronics model for ITER

圖4 生物屏蔽插件上管道Fig．4 Pipes in bio－shield plug

2 計(jì)算與分析

2．1 程序和數(shù)據(jù)庫

本文采用了MCNP與FISPACT耦合的“兩步法”計(jì)算方法，計(jì)算得到了窗口室中的劑量。文中使用蒙特卡羅粒子輸運(yùn)程序MCNP和IAEA聚變數(shù)據(jù)庫FENDLE2．1實(shí)現(xiàn)了中子輸運(yùn)計(jì)算和衰變光子計(jì)算，使用活化程序FISPACT2007和歐洲活化數(shù)據(jù)庫EAF－2007實(shí)現(xiàn)了材料的活化計(jì)算。

為了研究赤道窗口室中劑量率，計(jì)算了生物屏蔽層、生物屏蔽層插件和管道以及窗口間隙中設(shè)備的活化情況。這些被活化的材料被定義為輻射光子源，用于停堆劑量率計(jì)算。

材料活化計(jì)算時(shí)，使用的活化方案是由ITER國際組織提供的托卡馬克運(yùn)行方案SA2［14］。（表1）停堆冷卻時(shí)間分別為1h、1d和12d。

表1 ITER等離子體運(yùn)行方案Table 1 Irradiation history for ITER plasma

2．2 計(jì)算與分析

基于更新后的ITER中子學(xué)參考模型Alite4，計(jì)算了窗口室中的停堆劑量分布，驗(yàn)證生物屏蔽層插件的屏蔽能力。窗口室中停堆劑量率來源分為兩個(gè)部分，一部分由窗口間隙中的活化設(shè)備產(chǎn)生的劑量，另一部分是由活化生物屏蔽、屏蔽插件以及管道產(chǎn)生的劑量。

為了計(jì)算窗口室中劑量率分布，設(shè)置了兩組計(jì)數(shù)球。其中一組用來研究窗口室中劑量分布，如圖5中1至24號計(jì)數(shù)球；另一組小球靠近管道，用來計(jì)算窗口室劑量的極端情況，如圖5中25至35號小球。

圖5 窗口室中計(jì)數(shù)球的分布Fig．5 Tally spheres distribution in port cell

2．2．1 窗口間隙中活化設(shè)備產(chǎn)生的劑量

在托卡馬克停堆之后，窗口間隙中活化設(shè)備產(chǎn)生的衰變光子對窗口室中劑量產(chǎn)生劑量。設(shè)備的活化計(jì)算和光子源的定義是英國卡拉姆聚變能中心計(jì)算完成的。該光子源為一面源，離生物屏蔽層插件的距離為240．5cm。圖6中為窗口室中劑量率分布。由圖可以得到，停堆1h窗口室中劑量率最高達(dá)1．457 04E＋04μSv／h；當(dāng)停堆1d時(shí)劑量率急劇下降到100μSv／h以下；停堆12d時(shí)的劑量率與1d相比變化不大，但是仍然比劑量限值高2個(gè)數(shù)量級。

圖6 活化設(shè)備產(chǎn)生的劑量率Fig．6 Dose rate induced by activated equipment

2．2．2 活化生物屏蔽、屏蔽插件以及管道產(chǎn)生的劑量

該部分研究停堆1h，1d和12d活化的生物屏蔽、屏蔽插件以及管道在窗口室產(chǎn)生的劑量率。

由圖7顯示了由活化生物屏蔽、屏蔽插件產(chǎn)生的停堆劑量率變化規(guī)律。停堆1h活化生物屏蔽、屏蔽插件產(chǎn)生的劑量率最高達(dá)2．299 48E＋03μSv／h；停堆1d后，劑量率為幾百μSv／h；停堆12d后，劑量率小于100μSv／h，比劑量限值高2個(gè)數(shù)量級。

圖7 活化的生物屏蔽、屏蔽插件產(chǎn)生的劑量率Fig．7 Dose rate induced by activated bio－shield and bio－shield plug

圖8顯示了由活化管道產(chǎn)生的劑量率的變化規(guī)律。停堆1h的最高劑量達(dá)1．129 98E＋04μSv／h；停堆1d后，劑量下降1個(gè)數(shù)量級；停堆12d之后與停堆1d相比變化不大。

圖8 活化的管道產(chǎn)生的劑量率Fig．8 Dose rate induced by activated pipes

2．2．3 窗口室總劑量和結(jié)果分析

把以上由活化設(shè)備、生物屏蔽、插件和管道產(chǎn)生的劑量率相加，得到總的劑量率。圖9中顯示劑量率的分布規(guī)律。停堆1h，13至24號小球位置處的劑量率達(dá)到幾千μSv／h，但是，在靠近生物屏蔽層位置處的劑量率要高1個(gè)數(shù)量級；停堆1d后，劑量率下降一個(gè)數(shù)量級，但是比劑量限值高2個(gè)數(shù)量級；停堆12d后，總劑量率仍比劑量限值高2個(gè)數(shù)量級。

圖9 窗口室中總的停堆劑量率Fig．9 Total dose rate in port cell

為了保證停堆之后到達(dá)窗口室中的工作人員和設(shè)備的安全，赤道窗口生物屏蔽插件的設(shè)計(jì)需要優(yōu)化。

3 結(jié)論

在VisualBUS平臺上，基于赤道窗口的CAD模型，創(chuàng)建了中子學(xué)計(jì)算模型，并把模型插入到Alite4模型中。使用更新后的Alite4模型，研究了生物屏蔽層的屏蔽特性，計(jì)算了停堆1h、1d和12d時(shí)窗口室中的劑量率分布情況。結(jié)果表明，停堆1d的劑量率仍比劑量限值（10μSv／h）高2個(gè)數(shù)量級，主要是由生物屏蔽層后的活化管道產(chǎn)生的。因此，赤道窗口的生物屏蔽層插件的設(shè)計(jì)需要改進(jìn)。

致謝

本工作是在FDS團(tuán)隊(duì)與ITER國際組織簽署的核分析任務(wù)（合同編號：DWO－73－102－MLN）框架下完成的，在研究過程中得到了ITER組織的Michael Loughlin博士的寶貴的意見和親切指導(dǎo)，在此表示感謝。

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