核電站新型硼濃度探測裝置屏蔽設(shè)計(jì)

盤世標(biāo)　楊永木　牛江

（中國核動力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆物理與屏蔽研究實(shí)驗(yàn)室 四川成都　610041）

核電站新型硼濃度探測裝置屏蔽設(shè)計(jì)

盤世標(biāo)楊永木牛江

（中國核動力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆物理與屏蔽研究實(shí)驗(yàn)室 四川成都610041）

為了滿足核電站新型硼濃度探測裝置的中子探測效率和輻射防護(hù)要求，采用蒙特卡羅程序建立物理模型，模擬中子源在輻射場中的輸運(yùn)。對計(jì)算模型進(jìn)行評估改進(jìn)得到最優(yōu)化屏蔽方案，為探測裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。并將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)做比較，兩者吻合較好，滿足探測裝置表面的最大劑量要求。

硼濃度計(jì)；屏蔽計(jì)算；探測裝置

1　引言

硼酸溶液是一種中子吸收能力很強(qiáng)的可溶毒物，輕水堆中通常將硼酸溶解在冷卻劑內(nèi)補(bǔ)償剩余反應(yīng)性，減少反應(yīng)堆內(nèi)控制棒的使用，簡化堆芯設(shè)計(jì)。為了監(jiān)測冷卻劑中硼濃度的變化，必須在一回路系統(tǒng)中加裝硼濃度探測裝置。根據(jù)某核電廠工程2號機(jī)組《硼濃度計(jì)規(guī)范書》的要求，新型硼濃度探測裝置直接安裝在核電站一回路的化容系統(tǒng)的下泄流管道上，與當(dāng)前主流在役應(yīng)用的硼表原理與技術(shù)不一致，對測量原理、一次裝置的屏蔽、中子源的強(qiáng)度及探測器的靈敏度等都需要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本文采用蒙特卡羅程序建立物理模型，對硼濃度探測裝置中子源的選擇、屏蔽等問題進(jìn)行模擬計(jì)算，為探測裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2　核電站新型硼濃度探測裝置簡介

2.1硼濃度探測裝置的原理

硼濃度探測裝置由中子源、中子探測器、溫度傳感器和聚乙烯材料屏蔽體等組成。其監(jiān)測原理是利用反應(yīng)堆冷卻劑中的10B吸收中子來測定反應(yīng)堆冷卻劑中的硼濃度，冷卻劑中硼濃度越高，探測器測到的中子數(shù)就越少，對探測器測出的脈沖計(jì)數(shù)率進(jìn)行處理，從而給出反應(yīng)堆冷卻劑中的硼濃度。

2.2新型硼濃度探測裝置的特點(diǎn)

新型硼濃度探測裝置改進(jìn)并簡化了核電站的核取樣系統(tǒng)，將中子源和探測器對稱懸掛在厚壁化容管道上進(jìn)行在線測量，提高了其運(yùn)行安全性，實(shí)現(xiàn)了對主回路硼濃度變化的在線實(shí)時監(jiān)測。這一改進(jìn)對硼濃度計(jì)探測裝置帶來了諸如中子源強(qiáng)的選擇、屏蔽、探測器類型及靈敏度的選擇等許多復(fù)雜的問題；考慮到中子在厚壁化容管道上的散射、在含硼冷卻劑中的慢化、吸收后在厚壁化容管道上另一側(cè)的再次吸收等一系列復(fù)雜物理過程，為了既保證探測器計(jì)數(shù)管的探測效率，又滿足中子源在周圍環(huán)境產(chǎn)生的輻射劑量限值的要求，應(yīng)恰當(dāng)選取不同的屏蔽材料及厚度，盡可能減輕厚壁化容管道的承重，保證整個探測裝置對化容系統(tǒng)管道載荷的作用在安全范圍內(nèi)（如圖1）。

3　 MCNP程序的特點(diǎn)

MCNP是一個大型多功能通用蒙特卡羅程序，具有很強(qiáng)的幾何描述能力，可以處理任意三維材料結(jié)構(gòu)的粒子輸運(yùn)問題，截面數(shù)據(jù)齊全，可用于計(jì)算中子、光子、中子-光子耦合以及光子-電子耦合的輸運(yùn)問題，也可計(jì)算臨界系統(tǒng)（包括次臨界及超臨界）的本征值問題。MCNP是一種非確定性方法，不需要解輸運(yùn)方程，而是通過跟蹤模擬大量粒子行為并進(jìn)行抽樣記錄得到解。

圖1　新型硼濃度計(jì)探測裝置示意圖

4　計(jì)算模型

4.1點(diǎn)探測器抽樣理論

屏蔽體外圍是空氣，粒子發(fā)生散射的幾率很小，不適合用柵元計(jì)數(shù)和表面計(jì)數(shù)，只能采用點(diǎn)探測器進(jìn)行模擬，點(diǎn)探測器是對空間某一點(diǎn)處通量的確定性估值。

假設(shè)p（μ，φ）dΩ表示在方向（μ，φ）上立體角dΩ內(nèi)生成的粒子和被散射進(jìn)來的粒子的總概率，φ為方位角，μ為粒子入射方向與碰撞點(diǎn)到探測器方向夾角的余弦值cosθ。假設(shè)dΩ內(nèi)生成的粒子和被散射進(jìn)來的粒子沒有經(jīng)歷再碰撞直接到達(dá)探測器，碰撞點(diǎn)到探測器的距離為R，則有：

在球面球面坐標(biāo)系中：

將（2）、（3）代入（1），得到沿（μ，φ）方向到達(dá)探測器的通量：

在MCNP中，標(biāo)準(zhǔn)源的散射分布一般沿方位角對稱，φ在區(qū)間（0，2π）上均勻抽樣，積分得到角分布函數(shù)p（μ）：

考慮粒子權(quán)重W后，得到沿（μ，φ）方向到達(dá)探測器的通量為：

如果碰撞點(diǎn)離探測器距離很近，R趨于0，通量趨于無窮大，這樣的抽樣技術(shù)是有效和無偏的，但是收斂太慢也與實(shí)際不符。為了避免這種情形，假想一個球面包圍點(diǎn)探測器，球面半徑為R0。如果R0＜R，則通量用假想球面內(nèi)的平均通量值代替：

4.2源描述

本裝置采用的中子源為238Pu-Be源，半衰期86.4年，中子產(chǎn)額6.6×106n/s，中子平均能量為5.0MeV。根據(jù)同位素中子源的特點(diǎn)，源描述采用通用源SDEF卡，用ERG=D1分布給出源的能譜分布概率。MCNP中，無論是采用標(biāo)準(zhǔn)源還是用戶提供源子程序，都假設(shè)碰撞是各向同性的，對角分布函數(shù)p（μ）積分得：

4.3探測裝置的幾何結(jié)構(gòu)

柵元用于描述探測裝置的幾何結(jié)構(gòu)，通常按功能及材料將探測裝置劃分成不同柵元，然后在各柵元中填充相應(yīng)材料的化學(xué)成分，并對各柵元的重要性逐一進(jìn)行描述。

同位素中子源接近于點(diǎn)源，以點(diǎn)源為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，依次對探測裝置的不同組成部分劃分柵元。MCNP輸出的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示，左邊是XZ平面剖面圖，右邊是ZY平面剖面圖。在XZ平面剖面圖縱軸方向?yàn)閆軸，橫軸方向?yàn)閄軸，最頂端的圓柱體空腔為源，化溶管道和探測器是平行于Y軸的兩個圓柱體。整個探測裝置填充聚乙烯屏蔽材料，用紅顏色表示，外圍是不銹鋼包殼，最外層是一個球殼，用于限制中子和光子的跟蹤范圍，當(dāng)粒子跑出這個區(qū)域就不再進(jìn)行跟蹤計(jì)算。

圖2　 MCNP輸出的幾何結(jié)構(gòu)

4.4計(jì)數(shù)卡設(shè)置

采用點(diǎn)探測器F5卡及劑量轉(zhuǎn)換卡Den，在聚乙烯屏蔽體的6個外立面中心處設(shè)置點(diǎn)探測器。只要在最大劑量位置滿足了屏蔽設(shè)計(jì)要求，其他位置也滿足要求，點(diǎn)探測器卡的格式：

式中：n表示探測器記數(shù)類型號，選擇F5卡對點(diǎn)探測器處的通量進(jìn)行跟蹤；p1為選擇跟蹤粒子的類型，選擇n，p則同時進(jìn)行跟蹤中子和光子；X，Y，Z：探測點(diǎn)幾何坐標(biāo)。R0就是（7）式中的假想球面半徑，也稱為探測點(diǎn)處鄰域球半徑，R0的選擇一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來確定。

將參加反應(yīng)的中子從熱中子到快中子分成13個能量段，即：0.5e-06、10e-03、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10（單位MeV），結(jié)合通量—劑量率轉(zhuǎn)換因子及質(zhì)量因數(shù)[1]（見表1）。分別計(jì)算聚乙烯屏蔽體6個外立面中心處的中子及γ劑量分布曲線，積分得到所求的中子及γ劑量概率分布值。

表1　通量-劑量率轉(zhuǎn)換因子及質(zhì)量因數(shù)

5　數(shù)據(jù)處理

5.1中子劑量分布

根據(jù)MCNP計(jì)算輸出文件，屏蔽體6個外立面處的中子劑量分布計(jì)算結(jié)果如表2。

表2　中子劑量分布計(jì)算值

對應(yīng)的中子劑量概率分布曲線如圖3所示。

圖3　中子劑量分布

5.2 γ劑量分布

根據(jù)MCNP計(jì)算輸出文件，屏蔽體6個外立面中心處的光子劑量分布計(jì)算結(jié)果如下：應(yīng)的光子劑量概率分布曲線如圖4所示。

5.3結(jié)果比較

分別將中子和光子劑量概率分布曲線積分，乘上源強(qiáng)得到屏蔽體6個外立面中心處的中子和光子劑量值。為了較核理論計(jì)算，在相同尺寸和材料的探測裝置上，測量了屏蔽體各方向外立面上的中子和γ劑量值，并將MCNP模擬計(jì)算的結(jié)果跟實(shí)測值進(jìn)行比較，中子劑量計(jì)算值與γ劑量計(jì)算值都與實(shí)驗(yàn)值符合較好。

圖4　

6　結(jié)論

模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量表明，新型硼濃度探測裝置的屏蔽設(shè)計(jì)方案滿足《硼濃度計(jì)規(guī)范書》規(guī)定的探測器表面最大劑量限值要求：n<500μSv/h，γ<35μSv/h。探測裝置的尺寸、重量及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足訂貨合同要求。目前，現(xiàn)該項(xiàng)目已通過驗(yàn)收，并處于安裝調(diào)試階段。

[1]RSICC COMPUTER CODE COLLECTION MCNP4C[M].Los Alamo National，Laboratory，1997.3，LosAlamos，New Mexico.s

[2]N.M.謝佛.核反應(yīng)堆屏蔽工程學(xué)[M].原子能出版社，1983.

[3]塞歐蓋爾.反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)手冊[M].中國工業(yè)出版社，1962.

TL375.5

A

1673-0038（2015）20-0138-03

2015-4-26

盤世標(biāo)（1978-），男，助理研究員，碩士學(xué)位，2006年畢業(yè)于四川大學(xué)，粒子物理與原子核物理專業(yè)，主要從事反應(yīng)堆物理與屏蔽方面的研究工作。