淺談輻射防護(hù)最優(yōu)化措施

胡忠良 何興旭 鄒益民

（海南核電有限公司 海南昌江）

一、概述

集體劑量是核電安全狀態(tài)指標(biāo)之一，同時也是WANO性能指標(biāo)之一。它體現(xiàn)了核電機(jī)組的運(yùn)行、維修和安全的綜合管理水平。近20年來，國際核電現(xiàn)場的輻射防護(hù)水平取得了顯著進(jìn)步。國際壓水堆核電廠集體劑量平均值已從1992年的2人·Sv/unit降低到0.7人·Sv/unit，先進(jìn)壓水堆核電廠則達(dá)到0.25人·Sv/unit。隨著核與輻射安全技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)場輻射防護(hù)水平的不斷提高，輻射防護(hù)最優(yōu)化已逐漸成為核設(shè)施正常運(yùn)行情況下現(xiàn)場輻射防護(hù)工作的核心任務(wù)；相關(guān)最優(yōu)化措施的研究也一直是輻射防護(hù)研究的重要領(lǐng)域。輻射防護(hù)最優(yōu)化作為輻射防護(hù)體系的三原則之一，其重要性在ICRP新建議書（2007）中進(jìn)一步得到了強(qiáng)化。如何進(jìn)一步降低集體劑量，提高現(xiàn)場ALARA水平，已成為美法等國家的研究重點(diǎn)，并啟動了系列研究措施計劃。

中國核電自從1991年12月15日我國大陸自行設(shè)計、建造的第一座壓水堆型核電站秦山核電站并網(wǎng)成功發(fā)電至今已有20多年的成熟經(jīng)驗，在這20多年中積累了豐富營運(yùn)、維修經(jīng)驗，同時也累計了豐富的輻射防護(hù)優(yōu)化經(jīng)驗。

二、系統(tǒng)控制方面的最優(yōu)化措施的實(shí)施

1.減少裂變產(chǎn)物的產(chǎn)生

根據(jù)WANO《核電廠輻射防護(hù)指南》（WANO GL 2004-01），燃料破損是造成輻射水平升高的主要因素之一。裂變產(chǎn)物的減少主要通過燃料包殼的完整性控制實(shí)現(xiàn)。主要技術(shù)手段：嚴(yán)格實(shí)施防異物導(dǎo)則；通過RCV（化學(xué)和容積控制）系統(tǒng)和RCP（反應(yīng)堆冷卻劑）系統(tǒng)；在一回路溫度300℃，壓力15.7 MPa情況下，一回路實(shí)施偏堿性環(huán)境；監(jiān)測一回路氫含量。

2.減少腐蝕活化產(chǎn)物的產(chǎn)生

活化腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生同樣是造成輻射水平升高的主要因素之一。而腐蝕活化產(chǎn)物的產(chǎn)生與運(yùn)行系統(tǒng)操作、一回路水化學(xué)控制、異物控制均有直接的關(guān)系。放射性銻又是腐蝕活化產(chǎn)物主要核素之一，有效降低放射性銻，可有效降低換料大修集體劑量。通過篩查與主冷卻劑相關(guān)的泵軸中含銻材質(zhì)的設(shè)備，如上充泵、安注泵、停冷泵、乏池凈化泵等，對含此材質(zhì)的泵進(jìn)行更換。

在正常運(yùn)行期間，加強(qiáng)對主系統(tǒng)水質(zhì)的凈化，以弱堿性方式運(yùn)行，減少主設(shè)備內(nèi)表面的腐蝕和遷移，從而減少腐蝕活化產(chǎn)物的產(chǎn)生。

（1）主要技術(shù)手段。優(yōu)化反應(yīng)堆冷卻劑水化學(xué)工況；優(yōu)化反應(yīng)堆冷卻劑凈化系統(tǒng)的效率，如下泄和凈化系統(tǒng)；考慮使用添加鋅（自然鋅或乏鋅）和貴金屬，評估添加鋅對管道化學(xué)去污能力的潛在影響；采取“降低一回路溶氫”以控制活化腐蝕產(chǎn)物；減少與主冷卻劑相關(guān)的泵軸中含銻的材質(zhì)設(shè)備；實(shí)施一回路注鋅技術(shù)的開發(fā)和科研工作，減少一回路系統(tǒng)和冷卻劑中Co-60的含量；減少銀離子引入一回路，同時考慮減少一回路中Ag-110的措施。

（2）參考措施。德國Emsland核電站采取以下兩項措施控制活化腐蝕產(chǎn)物：在機(jī)組運(yùn)行時采取了向一回路注鋅工藝，用Zn置換出長半衰期、高放射性元素（如Co-60等），從而降低主回路的劑量水平；在機(jī)組停運(yùn)前48 h，停止向一回路注氫，投運(yùn)氣體去除系統(tǒng)以降低一回路溶氫和惰性氣體，以進(jìn)一步降低一回路放射性。電站功率運(yùn)行時要求一回路溶氫在1.5～4 mg/L，溶氧＜0.005 mg/L， 而在KBG系統(tǒng)投運(yùn)后一回路溶氫將＜1.5 mg/L，對此設(shè)計公司AREVA給出澄清：只要保證一回路溶氫＞0.5 mg/L，則一回路溶氧是可以很好地控制的，電站的技術(shù)規(guī)格書對此也是特別允許的,通過實(shí)際監(jiān)測來看也是可行的，而且對縮短后期反應(yīng)堆開蓋前氮?dú)獯祾吆徒档鸵换芈泛头磻?yīng)堆廠房場所劑量率有很大作用。

3.氧化運(yùn)行

在反應(yīng)堆運(yùn)行期間，主系統(tǒng)冷卻劑中的腐蝕活化產(chǎn)物會沉積在如管道、閥門和泵等設(shè)備的內(nèi)表面，而且會隨著時間的推移不斷增加，造成這些設(shè)備附近的輻射水平不斷上升。如果不予去除，在停堆檢修時就會對工作人員造成較大的照射劑量。氧化運(yùn)行目的就是減小這些腐蝕活化產(chǎn)物輻射源的強(qiáng)度，從而降低工作人員的受照劑量。這已經(jīng)被許多核電站的實(shí)踐所證明。同時進(jìn)行氧化運(yùn)行可大大縮短對一回路冷卻劑的凈化時間，這對換料大修關(guān)鍵路徑工期的控制十分有利。參考措施如下。

某核電廠采用的是在冷停堆至80℃時，打開堆頂放氣閥和穩(wěn)壓器排氣閥不添加雙氧水的方式引入空氣（自然氧化）進(jìn)行氧化運(yùn)行操作，使水中和系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)壁上腐蝕活化產(chǎn)物快速溶解，去除主系統(tǒng)中的腐蝕產(chǎn)物。自然氧化運(yùn)行時主冷卻劑中Sb-124、Sb-122、Co、Co-58、OT113總 γ和OT112總 γ活度濃度變化趨勢見圖1。圖1可以看出，換料大修的氧化運(yùn)行對主系統(tǒng)進(jìn)行充分的凈化過濾，隨著各個階段中氧氣的不斷進(jìn)入，系統(tǒng)內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物也在不斷地氧化、剝落，主系統(tǒng)核素逐步升高。尤其是停冷系統(tǒng)的投入、穩(wěn)壓器消汽腔；主系統(tǒng)排水和排水至壓力容器法蘭面等主要運(yùn)行操作的階段，主系統(tǒng)的核素相應(yīng)地出現(xiàn)了這兩個階段的峰值，即冷停堆階段核素總γ的峰值為：1.18E+07 Bq/L、水位降至4.9 m階段核素總γ的峰值為：2.35E+07 Bq/L。穩(wěn)壓器通大氣后，系統(tǒng)內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物不斷地氧化、剝落，并于7 h后出現(xiàn)較大上升峰值。自然氧化運(yùn)行期間核素上升得緩慢，與運(yùn)行工況的延后和水位下降得緩慢有一定的關(guān)系，這造成了氧氣進(jìn)入主冷卻劑中也比較緩慢，使得主系統(tǒng)內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物氧化、剝落也比較緩慢，從而促使核素上升得也緩慢。通過運(yùn)用自然氧化運(yùn)行后，輻射水平下降明顯，有效降低了設(shè)備、管道的輻射水平，從而達(dá)到降低換料大修集體劑量的目的。

圖1 OT113換料大修期間主系統(tǒng)核素變化趨勢圖

4.化學(xué)清洗和去污

一回路系統(tǒng)長期被偏堿性的冷卻劑水浸潤的表面會發(fā)生腐蝕產(chǎn)物的沉積作用，隨著腐蝕作用及同位素交換反應(yīng)的進(jìn)行，使放射性物質(zhì)進(jìn)入腐蝕氧化物膜的深處。在壓水堆主回路中，主要有兩種類型的放射性物質(zhì)的沉積：①在燃料包殼上的積垢；②在一回路系統(tǒng)管道內(nèi)表面上形成的含鉻氧化物膜。

（1）主要技術(shù)手段。系統(tǒng)清洗和去污的主要方式為在機(jī)組大修前，應(yīng)用有機(jī)酸、螯合劑等化學(xué)溶劑，在基本不改動系統(tǒng)原有布局的情況下，利用系統(tǒng)在線的凈化裝置或通過柔性管與主回路相連接的移動式去污系統(tǒng)，去除系統(tǒng)和回路中的大部分放射性腐蝕產(chǎn)物。這種方法可以使堆芯外主回路及設(shè)備的輻射水平在1～3天內(nèi)降至原來的1/2～1/10，并且對主回路重新運(yùn)行不產(chǎn)生可察覺的影響。

（2）參考措施。日本某核電企業(yè)開發(fā)了一種T-OZON的系統(tǒng)清洗去污技術(shù)，該技術(shù)具有去污因子高，產(chǎn)生的二次廢水少，對材料沒有負(fù)面影響的特點(diǎn)。日本御前琦核電站3號機(jī)組（BWR 1100 MW）對主回路應(yīng)用T-OZON方法進(jìn)行去污。通過這一方法的實(shí)施，系統(tǒng)內(nèi)不銹鋼材質(zhì)的平均去污系數(shù)達(dá)到16，碳鋼材質(zhì)的平均去污系數(shù)達(dá)到7，一回路系統(tǒng)（“干井”）的輻射水平降低一半，減少集體劑量280man·mSv。

三、技術(shù)改進(jìn)方面的最優(yōu)化措施的實(shí)施

1.SG蒸汽發(fā)生器一次側(cè)堵板工具的改進(jìn)

某核電OT110換料大修期間優(yōu)化了SG蒸汽發(fā)生器一次側(cè)堵板工具，作業(yè)中按照原來的堵板方式，每塊堵板需要2人進(jìn)入下封頭進(jìn)行安裝，工作時間最短也需要1分多鐘，一般需要2分多鐘，個人劑量平均在2 mSv左右。通過對堵板工具進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，新的堵板工具重量輕、安裝方便（快速接口方式），每塊堵板工具只需1人安裝，可以在40 s以內(nèi)完成，從人力、時間和劑量方面都有明顯降低。如今安裝一塊堵板作業(yè)，人員接受的劑量只有過去的1/3～1/4，個人受照劑量低于0.5 mSv。OT110換料大修期間堵板安裝作業(yè)個人劑量最低只有0.18 mSv，參加堵板安裝的4人平均個人劑量僅為0.23 mSv。

2.制作SG蒸汽發(fā)生器二次側(cè)視頻檢查屏蔽工具

某核電OT113換料大修期間設(shè)計加工了SG蒸汽發(fā)生器二次側(cè)視頻檢查專用輻射防護(hù)工具（特制屏蔽塊），屏蔽效果明顯。以SG蒸汽發(fā)生器B系列180°手孔位置為例，手孔處接觸劑量率從 2.63 mSv/h下降至 0.49 mSv/h，作業(yè)人員位置處從0.48 mSv/h下降至0.19 mSv/h，明顯降低了作業(yè)人員的受照劑量。此項作業(yè)與OT112大修相比，在作業(yè)內(nèi)容相同的情況下，集體劑量由20.161 manomSv下降到13.47 manomSv，有效降低了該項作業(yè)的集體劑量。

3.縮小床前過濾器孔徑

主系統(tǒng)床前過濾器孔徑變小，提高凈化效果，通過論證及實(shí)驗，逐步將床前過濾器孔徑從25 μ減小到5 μ和2 μ，在OT109和OT110期間減小到0.6 μ，并對過濾器濾芯采取了加固措施，防止濾芯脫落，縮小后的過濾器芯可有效去除系統(tǒng)內(nèi)的活化腐蝕產(chǎn)物。

四、其他方面

1.優(yōu)化檢修時機(jī)

優(yōu)化檢修時機(jī)和作業(yè)場所，可以有效降低工作人員的受照劑量。如某核電廠將原計劃在低低水位階段搭設(shè)腳手架和拆除保溫作業(yè)，提前到系統(tǒng)高水位階段進(jìn)行，減少了不必要的照射，大大降低了相關(guān)作業(yè)的集體劑量。以往未干預(yù)該類作業(yè)時集體劑量為175.07 manomSv（OT106數(shù)據(jù)），優(yōu)化干預(yù)后集體劑量為29.712 manomSv（OT113數(shù)據(jù)）。

2.屏蔽措施

采取有效的屏蔽措施可有效降低作業(yè)人員集體劑量。如某電廠在OT104換料大修期間因檢修閥門跑水造成地面大面積嚴(yán)重污染，局部輻射水平超過30 mSv/h，對該區(qū)域附近檢修作業(yè)造成很大風(fēng)險。雖然經(jīng)過近10年的衰變，現(xiàn)場輻射水平仍然很高，平均輻射水平在5 mSv/h左右，最高仍有約10 mSv/h。OT110期間該區(qū)域需進(jìn)行閥門的檢修和改造工作，為了有效降低作業(yè)區(qū)域的輻射水平，通過討論、測算，采用先覆蓋20 mm厚的鋼板再用400 mm左右厚的混凝土覆蓋的方法，地面的屏蔽系數(shù)在3～8，屏蔽后輻射水平降到1～3 mSv/h，對于高污染輻射源的屏蔽和污染控制起到了良好的效果。此次屏蔽作業(yè)集體劑量僅為1.39 manomSv，較小的劑量代價，解決了多年未能解決的問題，減少了檢修作業(yè)人員的劑量。又如在反應(yīng)堆廠房中，利用現(xiàn)有實(shí)體墻作為屏蔽體，建立了“低劑量等待區(qū)”，設(shè)置了桌椅，供工作人員記錄和工作準(zhǔn)備，有序引導(dǎo)工作人員在低劑量區(qū)域活動，有效降低集體劑量。

3.相關(guān)管理制度和模式的優(yōu)化

對于核電站的輻射防護(hù)最優(yōu)化的實(shí)施來說，就是確定一個合理的可達(dá)到的防護(hù)水平，確定并提供為達(dá)到這個防護(hù)水平所需采取的措施，以及確保這些措施恰當(dāng)?shù)氐靡詫?shí)施。工作管理是實(shí)施ALARA的重要手段，在改造和檢修項目中應(yīng)考慮輻射防護(hù)的最優(yōu)化，輻射防護(hù)人員應(yīng)參與到涉及放射性工作的項目中。應(yīng)從經(jīng)濟(jì)和社會因素、個人劑量大小、受照人數(shù)以及不一定受到但可能遭受的照射等方面進(jìn)行代價-利益分析，審慎地挑選和調(diào)整工作項目。對于計劃性的大修或在役檢查活動，工作項目的選擇與計劃階段是實(shí)施最優(yōu)化效果的最好階段之一；只選擇對電站的安全、可靠運(yùn)行必須的工作，在確定實(shí)施某項工作的必要性時采用切合實(shí)際的假設(shè)，并且執(zhí)行緊湊但不是搶時間的工期計劃以避免返工；制定工作計劃時，應(yīng)充分吸取先前工作中的以及其他電站類似工作的經(jīng)驗和教訓(xùn)，根據(jù)機(jī)組的設(shè)備狀態(tài)以及預(yù)防性維修大綱，經(jīng)過仔細(xì)篩選，確定必須實(shí)施的檢修項目，從計劃項目安排上最大限度地減少工作量。在制定檢修計劃時，應(yīng)由生產(chǎn)計劃的編制人員、維修工作準(zhǔn)備工程師以及輻射防護(hù)工程師審查各項工作是否安排在合適的階段，以確保各項工作都是在最適當(dāng)?shù)臅r候，即最佳輻射條件（輻射風(fēng)險低）下進(jìn)行。

4.廢物收集點(diǎn)的優(yōu)化

合理布置廢物收集點(diǎn)，可有效降低作業(yè)人員的集體劑量。某核電廠在大修期間輻射防護(hù)人員現(xiàn)場檢查多次發(fā)現(xiàn)接觸劑量率在0.1 mSv/h以上的放射性廢物放置在人員通道等處，造成人員受到無謂的劑量照射。據(jù)不完全統(tǒng)計：某電廠T205大修期間輻射防護(hù)人員錄入違章統(tǒng)計中的“放射性廢物沒有及時轉(zhuǎn)運(yùn)”事件就有3起，占到所有違章統(tǒng)計的12.5%?，F(xiàn)場服務(wù)人員轉(zhuǎn)運(yùn)反應(yīng)堆廠房廢物均采用手提式人工轉(zhuǎn)運(yùn)，同時人為轉(zhuǎn)運(yùn)廢物效率低，并且轉(zhuǎn)運(yùn)廢物無任何屏蔽，直接造成現(xiàn)場服務(wù)人員集體劑量增加及間接造成路過的檢修工作人員受到無謂照射。

五、結(jié)論

通過實(shí)例的方式對最優(yōu)化措施的有效性進(jìn)行梳理分析，了解了一些核電營運(yùn)企業(yè)在輻射防護(hù)最優(yōu)化措施方面取得的成果。為今后合理的實(shí)施最優(yōu)化提供依據(jù)，有益于其他核電企業(yè)在集體劑量控制及ALARA貫徹方面的思路借鑒。