1E級(jí)設(shè)備γ輻照鑒定技術(shù)研究

劉吉珍，龔隨軍，王 旭，洪永俠，程 瑛，漆明森，陳嘉浪，劉獻(xiàn)忠，許 藎

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都 610005）

1E級(jí)設(shè)備γ輻照鑒定技術(shù)研究

劉吉珍，龔隨軍，王 旭，洪永俠，程 瑛，漆明森，陳嘉浪，劉獻(xiàn)忠，許 藎

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都 610005）

本文介紹了沉箱式堆照鈷靶輻照裝置及核級(jí)設(shè)備輻照試驗(yàn)的劑量特性要求。采用建立輻射場(chǎng)空間劑量率計(jì)算模型、編制計(jì)算程序的方法，對(duì)堆照鈷靶輻射場(chǎng)裝載方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)；采用化學(xué)劑量計(jì)多點(diǎn)測(cè)量的方法，測(cè)定了裝載后輻射場(chǎng)的劑量率分布；通過對(duì)輻射場(chǎng)空間分布特性的分析，確定了輻照樣品的擺放位置及其對(duì)應(yīng)的輻照劑量率；最后給出了總輻照劑量的主要影響因素及評(píng)估方法。結(jié)果表明，在輻照裝置的全尺寸空間范圍內(nèi)，劑量率分布均在0．14～0．42Gy·s－1范圍內(nèi)，且最大有效輻照空間可達(dá)1 200mm×1 200mm×1 000mm，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足1E級(jí)設(shè)備輻照鑒定試驗(yàn)的要求。

堆照鈷靶輻射場(chǎng)；1E級(jí)設(shè)備；輻照鑒定試驗(yàn)

隨著我國(guó)新核電站項(xiàng)目不斷立項(xiàng)和建設(shè)及核電設(shè)備的大量國(guó)產(chǎn)化，大幅提高核級(jí)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度已成為國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的要求。在國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程中，核級(jí)設(shè)備鑒定是核心環(huán)節(jié)之一，是新建核電站核級(jí)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵，也是解決在役核電站核級(jí)設(shè)備更換問題的基礎(chǔ)，而輻照鑒定試驗(yàn)是核級(jí)設(shè)備鑒定項(xiàng)目中的重要項(xiàng)目之一。

1E級(jí)設(shè)備［1］是與核安全相關(guān)的電氣類設(shè)備，主要指安裝在安全殼內(nèi)要求在正常工況或事故工況下完成預(yù)定安全功能的設(shè)備。按相關(guān)核安全法規(guī)和保證核電站安全運(yùn)行的要求，核級(jí)設(shè)備必須進(jìn)行輻照鑒定試驗(yàn)。核級(jí)設(shè)備輻照鑒定旨在模擬設(shè)備實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)提高輻照劑量率加速設(shè)備的輻照老化過程，以檢驗(yàn)設(shè)備在整個(gè)壽期內(nèi)的耐輻照性能。本文以中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院建立的大型沉箱式輻照裝置為對(duì)象，從鈷靶的裝載設(shè)計(jì)、輻射場(chǎng)空間劑量率分布測(cè)試及輻照劑量確定3個(gè)方面闡述1E級(jí)設(shè)備輻照鑒定試驗(yàn)中的劑量保證工作。

1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

1E級(jí)設(shè)備輻照鑒定的試驗(yàn)裝置為沉箱式輻照裝置，它以堆照鈷靶為輻射元件，主要由輻照箱體、箱體外掛元件座組件及吊裝支撐平臺(tái)等組成。其中，輻照箱體是由不銹鋼板焊接而成的密閉型長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，用于承載待輻照樣品，可容納的最大輻照樣品尺寸為1 200mm× 1 200mm×1 200mm，輻照箱體四周均勻焊接60個(gè)上下對(duì)稱錯(cuò)位的元件座組件，用于承載堆照鈷靶元件，從而在箱體內(nèi)產(chǎn)生輻射場(chǎng)。整個(gè)箱體采用倒扣蓋結(jié)構(gòu)，通過吊車裝置使輻照裝置進(jìn)出保存水池，進(jìn)行輻照試驗(yàn)。

2 輻照鑒定試驗(yàn)的技術(shù)條件

輻照鑒定試驗(yàn)的技術(shù)條件主要是指試驗(yàn)時(shí)設(shè)備所處的劑量學(xué)條件和環(huán)境性條件，它是劑量保證的基礎(chǔ)和目標(biāo)。鑒于國(guó)內(nèi)核級(jí)設(shè)備輻照鑒定還缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范，相應(yīng)指標(biāo)要求主要借鑒法國(guó)RCC－E標(biāo)準(zhǔn)［2］，本文直接引用其規(guī)定的核級(jí)設(shè)備輻照鑒定試驗(yàn)的技術(shù)條件（表1）。

表1 核級(jí)設(shè)備輻照鑒定試驗(yàn)的劑量學(xué)條件Table 1 Dosimetry specification of nuclear equipment irradiation identification test

3 輻射場(chǎng)裝載方案設(shè)計(jì)

輻射場(chǎng)的裝載方案設(shè)計(jì)主要解決輻照空間劑量率分布的均勻性問題，鑒于最大化利用輻照裝置，即在1 200mm×12 00mm×1 200mm三維空間內(nèi)保證劑量率在（0．28±0．14）Gy·s－1范圍內(nèi)，因此在輻射場(chǎng)裝載時(shí)需對(duì)十幾根鈷靶進(jìn)行合理布置。本工作采用理論計(jì)算結(jié)合測(cè)量驗(yàn)證的方法來實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的輻射場(chǎng)設(shè)計(jì)。

利用測(cè)量得到的鈷靶活度軸向分布數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法建立輻射場(chǎng)劑量率分布模型，編制計(jì)算程序，計(jì)算并確定初步的裝載方案，最終通過實(shí)際測(cè)量對(duì)裝載方案進(jìn)行修正和完善。

3．1 輻射場(chǎng)計(jì)算程序

1）鈷靶活度軸向分布模型的建立

圖1為水下測(cè)量裝置示意圖。利用水下測(cè)量裝置對(duì)鈷靶的軸向分段放射性活度進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)數(shù)據(jù)分析和曲線擬合，得到圖2所示的軸向活度分布曲線。堆照鈷靶的特點(diǎn)有：（1）堆照鈷靶活性區(qū)長(zhǎng)度僅1m；（2）具有單一的放射性核素60Co，有固定的半衰期；（3）鈷靶活度跨度較大（3．7×1013～3．7×1014Bq），但軸向活度分布規(guī)律與活度大小無關(guān)，呈規(guī)律性的下鼓包狀。

圖1 水下測(cè)量裝置示意圖Fig．1 Scheme of underwater measuring equipment

圖2 堆照鈷靶軸向活度分布Fig．2 Axial activity distribution of reactor irradiated cobalt target

2）輻射場(chǎng)劑量率計(jì)算原理

由于鈷靶細(xì)長(zhǎng)，可近似為線狀源，依據(jù)點(diǎn)源積分的計(jì)算原理［3］，建立鈷靶的輻照計(jì)算模型。通過將裝載的所有鈷靶對(duì)空間某點(diǎn)的輻射貢獻(xiàn)進(jìn)行綜合，進(jìn)而得到輻射場(chǎng)中任一點(diǎn)處的總空氣比釋動(dòng)能率。此外，還需考慮輻照裝置的反散射和鋼板吸收等因素，最終得到輻射場(chǎng)空間劑量率計(jì)算模型為：

其中：Ai為編號(hào)為i的鈷靶總活度，Bq；α為鈷靶活度衰減修正因子；f（x）為鈷靶軸向x處活度份額，%；β（x）為鈷靶軸向x處的吸收和散射修正因子；Гk為60Co的空氣比釋動(dòng)能率常數(shù)，Gy·m2·Bq－1·s－1；r為測(cè)量點(diǎn)到源棒的垂直距離，m。

3）計(jì)算程序的建立

依據(jù)上述計(jì)算模型，設(shè)計(jì)開發(fā)計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)鈷靶的模擬裝載和不同裝載方案下輻射場(chǎng)空間劑量率分布的自動(dòng)計(jì)算。在保證輻照劑量率準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，大幅提高輻射場(chǎng)裝載的效率。

3．2 輻射場(chǎng)裝載方案的確立

根據(jù)上述鈷靶活度軸向分布的特點(diǎn)，在堆照鈷靶布置時(shí)，可將鈷靶在水平方向均勻布置，垂直方向上下交錯(cuò)布置，以滿足輻照鑒定時(shí)輻射場(chǎng)空間劑量特性要求。依據(jù)設(shè)計(jì)的計(jì)算程序，并充分考慮現(xiàn)有的鈷靶資源，設(shè)計(jì)計(jì)算1E級(jí)設(shè)備輻照鑒定試驗(yàn)的最佳裝載方案，最佳裝載如圖3所示，其裝載情況列于表2。

圖3 輻射場(chǎng)最佳裝載Fig．3 The best loading of radiation field

表2 最佳裝載方案裝載情況Table 2 Form of the best loading mode

4 輻射場(chǎng)劑量率的確定

依據(jù)上述裝載方案進(jìn)行輻射場(chǎng)實(shí)際裝載，并對(duì)輻射場(chǎng)空間劑量率進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，從而對(duì)劑量率空間分布的特性進(jìn)行分析。

4．1 輻射場(chǎng)的測(cè)量

由于化學(xué)劑量計(jì)［4－5］具有穩(wěn)定性好、可分布多點(diǎn)測(cè)量及可測(cè)量劑量率較高等優(yōu)點(diǎn)，本工作選用重鉻酸鉀（銀）劑量計(jì)進(jìn)行輻射場(chǎng)測(cè)量。為了解待輻照設(shè)備所在空間劑量率的分布情況，將重鉻酸鉀（銀）劑量計(jì)布置于輻射場(chǎng)空間中各待測(cè)點(diǎn)處。

同時(shí)，為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，測(cè)量點(diǎn)間距應(yīng)不大于200mm。根據(jù)輻照裝置的結(jié)構(gòu)和尺寸，設(shè)計(jì)加工輻射場(chǎng)測(cè)量的劑量計(jì)定位支架，如圖4所示。它由輕質(zhì)材料（1mm厚的鋁）加工制成，共6層，每層間隔200mm，每層設(shè)置49個(gè)測(cè)量點(diǎn)，彼此間隔200mm，按橫向A～G、縱向1～7的規(guī)則進(jìn)行標(biāo)記，由此形成的測(cè)量空間為1 200mm×1 200mm×1 000mm，其俯視圖如圖5所示。

圖4 劑量計(jì)定位支架示意圖Fig．4 Scheme of positioning bracket drawing for dosimeter

圖5 劑量計(jì)定位支架俯視圖Fig．5 Top view of positioning bracket drawing for dosimeter

實(shí)際測(cè)量中，將重鉻酸鉀（銀）劑量計(jì)編號(hào)（與定位支架孔標(biāo)記一致）后置于工作模體內(nèi)，工作模體（圖6）置于定位支架的定位孔中。工作模體為有機(jī)玻璃，幾何尺寸為φ26mm× 70mm，內(nèi)孔尺寸為φ14mm×65mm，其測(cè)量結(jié)果列于表3。

圖6 工作模體示意圖Fig．6 Scheme of drawing for phantom

表3 輻射場(chǎng)空間劑量率分布測(cè)量結(jié)果Table 3 Measuring result of dose rate for radiation field

續(xù)表3

由表3可看出，在1 200mm×1 200mm× 1 000mm的測(cè)量空間內(nèi)，除極少邊緣點(diǎn)外，劑量率均滿足輻射場(chǎng)（0．28±0．14）Gy·s－1的要求，輻射場(chǎng)的空間不均勻度（空間劑量率的最大與最小值之比）小于3，輻照劑量率控制水平滿足鑒定試驗(yàn)的要求。因此，只要保證有效輻照區(qū)域避開鈷靶裝載位，即可有效地保證輻射場(chǎng)劑量率分布滿足輻照鑒定試驗(yàn)技術(shù)條件的要求。

4．2 輻射場(chǎng)空間劑量率分布特性

1）劑量率層特性分析

輻照產(chǎn)品中劑量率的分布及其不均勻度是輻照鑒定試驗(yàn)中的重要指標(biāo)［6］，表4列出上述試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果中每層劑量率的平均值及不均勻度（層不均勻度指每一測(cè)量層中劑量率最大值與最小值之比）。由表4可看出，在測(cè)量空間內(nèi)，輻射場(chǎng)的層不均勻度小于2，劑量率層平均值在10．2～17．4Gy·min－1之間，均滿足要求。

表4 劑量率層平均值及其不均勻度Table 4 Average value and uniformity of layer dose rate

2）不同尺寸輻照樣品空間位置擺放的選擇

為適應(yīng)不同尺寸的輻照設(shè)備對(duì)輻射場(chǎng)空間特性的需求，分別選取支架3～5層的中間區(qū)域測(cè)量點(diǎn)“D3，D4，D5”、“C3，C4，C5”、“E3，E4，E5”，由此形成400mm×400mm×400mm小區(qū)域，每層劑量率的平均值及不均勻度列于表5。

表5 3～5層劑量率層平均值及不均勻度Table 5 Average value and uniformity of layer dose rates for 3－5layers

依此類推，選取2～5層的中間區(qū)域測(cè)量點(diǎn)“D2，D3，D4，D5”、“C2，C3，C4，C5”、“E2，E3，E4，E5”、“F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5”，由此形成600mm× 600mm×600mm小區(qū)域，每層劑量率的平均值及不均勻度列于表6。

表6 2～5層劑量率層平均值及其不均勻度Table 6 Average value and uniformity of layer dose rates for 2－5layers

可看出，待輻照設(shè)備的尺寸越小，其輻照區(qū)域所占空間場(chǎng)劑量率分布的不均勻度越小，遠(yuǎn)好于標(biāo)準(zhǔn)要求中規(guī)定的不均勻度。因此，對(duì)于不同尺寸的待輻照設(shè)備，可依此選擇合適的輻照區(qū)域，進(jìn)而可改善輻照區(qū)域的劑量率分布不均勻度，大幅提高1E級(jí)設(shè)備輻照鑒定試驗(yàn)質(zhì)量。

4．3 輻射場(chǎng)劑量率

由于樣品輻照是區(qū)域性輻照，不能通過選取一點(diǎn)的劑量率數(shù)據(jù)作為輻射場(chǎng)空間劑量率，通常選取其輻照區(qū)域所有測(cè)量點(diǎn)劑量率的平均值作為輻射場(chǎng)空間劑量率。以上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，該試驗(yàn)輻射場(chǎng)全空間劑量率為14．0Gy· min－1，而在400mm×400mm×400mm和600mm×600mm×600mm的中間小區(qū)域內(nèi)，輻射場(chǎng)的劑量率分別為15．9Gy·min－1和14．3Gy·min－1。

5 輻照劑量的確定

輻照劑量應(yīng)由設(shè)備的使用環(huán)境和使用壽命確定。依據(jù)技術(shù)條件確定的正常工況下的輻照劑量為250kGy，事故模擬下的輻照劑量為600kGy。在實(shí)際輻照試驗(yàn)過程中，樣品受到的總輻照劑量主要通過鈷靶滿載情況下輻照時(shí)間的累積來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)需考慮附加劑量的影響。

5．1 輻照時(shí)間

核級(jí)設(shè)備輻照考驗(yàn)要求的輻照劑量較高，導(dǎo)致輻照試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，而鈷靶的活度會(huì)隨時(shí)間衰減，即輻照劑量率會(huì)隨時(shí)間衰減。因此，在整個(gè)輻照鑒定試驗(yàn)期間，劑量率并非定值，其中鈷源放射性活度衰變對(duì)輻照劑量的影響是不可忽視的因素。由于輻射元件為單一核素，輻照時(shí)間可由式（2）確定：

5．2 附加劑量

附加劑量是指除正常輻照外的額外輻照劑量，本文主要指鈷靶裝卸期間所引入的輻照劑量。實(shí)際輻照試驗(yàn)中，元件的裝卸載是依靠人工借助鈷靶提取工具在保存水池中進(jìn)行的，因此鈷靶的裝卸時(shí)間較長(zhǎng)。圖7為考慮元件裝卸載情況的輻照劑量率的變化，圖中t1－t10及t20－t2為鈷靶裝卸載時(shí)間，t2－t1為鈷靶滿載時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。

圖7 輻照劑量率的變化Fig．7 Dose rate change through irradiation process

當(dāng)樣品輻照劑量較大，鈷靶滿載的運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)大于鈷靶裝卸時(shí)間時(shí)，附加劑量遠(yuǎn)小于輻照劑量，附加劑量的影響可忽略。而當(dāng)樣品輻照劑量不太大時(shí)，附加劑量影響不可忽略，此時(shí)，鈷靶的裝卸載可依據(jù)先裝先卸的原則（此時(shí)可認(rèn)為裝載和卸載引入的附加劑量一致），引入的附加劑量可按式（3）近似計(jì)算。

5．3 樣品總輻照劑量

在核級(jí)設(shè)備輻照鑒定的整個(gè)過程中，樣品實(shí)際輻照劑量主要包括滿載輻照劑量和附加劑量?jī)刹糠?。由此，樣品的總輻照劑量為?/p>

6 結(jié)論

本文從輻射場(chǎng)的裝載設(shè)計(jì)、輻射場(chǎng)空間劑量率的確定及輻照劑量的確定3個(gè)方面對(duì)1E級(jí)設(shè)備輻照試驗(yàn)的劑量保證工作進(jìn)行了詳述。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了如下的效果。

1）輻照裝置的全尺寸空間劑量率分布均在（0．28±0．14）Gy·s－1范圍內(nèi)，滿足1E級(jí)設(shè)備輻照鑒定試驗(yàn)的要求，且最大有效輻照空間可達(dá)1 200mm×1 200mm×1 000mm。

2）輻照裝置的劑量率分布的不均勻度小于3，且隨著輻照樣品尺寸的減少，可依據(jù)輻照空間位置的選擇，使不均勻性得到較大幅度的改善。

3）計(jì)算結(jié)合測(cè)量的輻射場(chǎng)裝載設(shè)計(jì)方法，較大地提高了輻射場(chǎng)確立的效率，通過外掛靶件的增減，可方便高效地實(shí)現(xiàn)輻射場(chǎng)劑量率的調(diào)整。

［1］ 全國(guó)核儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．GB／T 15474—2010 核電廠安全重要儀表和控制功能分類［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011．

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Research ofγIrradiation Identification Technology for 1E Grade Equipment

LIU Ji－zhen，GONG Sui－jun，WANG Xu，HONG Yong－xia，CHENG Ying，QI Ming－sen，CHEN Jia－lang，LIU Xian－zhong，XU Jin
（Nuclear Power Institute of China，Chengdu610005，China）

An irradiation facility with the type of sinkbox using cobalt target as its irradiation source and the requirement for the dose characteristics of 1Egrade equipment irradiation test were introduced in this paper．The proper layout of reactor irradiated cobalt target was designed by the calculation program of dose rate distribution of radiation field，and the method of chemical dosimeter multi－point measurement was used to determine the dose rate distribution of the radiation field．The located place and irradiation dose rate of the irradiation sample were determined through the analysis of the spatial distribution of the irradiation field．Finally，the main factor and the assessment method of the total irradiation dose were provided．The results show that the performance of designed radiation field meets the requirement for the irradiation test within the full－size spacial scale，which is controlled within the range from 0．14Gy／s to 0．42Gy／s，and the maximum effective irradiation space is up to 1 200mm×1 200mm×1 000mm．

reactor irradiated cobalt target radiation field；1Egrade equipment；irradiation identification test

TL99

：A

：1000－6931（2015）03－0560－07

10．7538／yzk．2015．49．03．0560

2013－12－13；

2014－05－10

劉吉珍（1982—），女，吉林長(zhǎng)春人，助理研究員，碩士，粒子物理與原子核物理專業(yè)