基于SuperMC的ITER下窗口生物屏蔽插件屏蔽分析

莊思璇，宋 婧，楊 琪，俞盛朋，鄭曉磊

(1.中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，中國科學(xué)院中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，安徽合肥230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽合肥230027)

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基于SuperMC的ITER下窗口生物屏蔽插件屏蔽分析

莊思璇1,2，宋 婧1，楊 琪1，俞盛朋1，鄭曉磊1

(1.中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，中國科學(xué)院中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，安徽合肥230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽合肥230027)

在國際熱核聚變實驗堆(ITER)中，窗口生物屏蔽插件需為電子設(shè)備和工作人員提供必要的輻射屏蔽防護?；谥凶訉W(xué)分析的生物屏蔽插件設(shè)計是ITER設(shè)計的重要內(nèi)容。本文基于超級蒙卡核模擬軟件SuperMC，在ITER大廳三維中子學(xué)模型中整合了ITER設(shè)計整合部門(DIN)最新設(shè)計的下窗口生物屏蔽插件模型，對四種下窗口生物屏蔽插件進行了屏蔽分析。分析結(jié)果顯示，低溫恒溫器低溫泵生物屏蔽插件中子屏蔽性能最好，室內(nèi)監(jiān)視系統(tǒng)生物屏蔽插件屏蔽性能最差；室內(nèi)檢視系統(tǒng)生物屏蔽插件停堆劑量率最小，環(huán)形低溫泵生物屏蔽插件停堆劑量率最大。在SA2輻照方案下，停堆12天后，環(huán)形低溫泵生物屏蔽插件處停堆劑量率超過規(guī)定限值20倍。分析結(jié)果表明，ITER下窗口生物屏蔽插件設(shè)計有待優(yōu)化。

SuperMC；ITER；屏蔽；生物屏蔽插件

國際熱核聚變實驗堆ITER中，下窗口生物屏蔽插件能夠為窗口附近的電子設(shè)備和工作人員提供必要的屏蔽和防護，避免真空室和低溫設(shè)備附近出現(xiàn)高通量密度場，確保ITER裝置的安全運行和維修[1,2]。基于中子學(xué)分析的生物屏蔽插件分析是ITER核設(shè)計的重要內(nèi)容之一。在[3]中，基于ITER B-lite模型對4號和12號下窗口進行了屏蔽分析。分析結(jié)果表明，停堆12天之后，低溫泵外圍窗口插件劑量為100 μSv/h，與安全閾值接近，12號下窗口插件的診斷系統(tǒng)插口處中子通量密度較高，設(shè)計仍需改進。2015年7月，ITER設(shè)計整合部門(DIN)改進了下窗口生物屏蔽插件并提交ITER組織。更新后的插件的屏蔽性能有待分析和評估。

本文中，使用超級蒙特卡羅核計算仿真軟件系統(tǒng)SuperMC，基于DIN提供的三維幾何模型，建立了包括下窗口生物屏蔽插件在內(nèi)的ITER大廳中子學(xué)模型，并對生物屏蔽插件性能進行了分析與評估。

1 方法與工具

1.1 計算方法

本文對ITER下窗口生物屏蔽插件進行計算與分析。進行計算與分析的方法由如下步驟組成：

1) 模型創(chuàng)建：基于原始CAD模型，在ITER大廳三維中子學(xué)模型中整合生物屏蔽插件模型；

2) 生物屏蔽插件性能分析：

a) 使用輸運計算得到的中子源，對ITER下窗口四種生物屏蔽插件進行通量密度衰減和活化計算，并與重混凝土和混凝土屏蔽模塊進行對比；

b) 對受等離子體輻照最嚴重的環(huán)形低溫泵生物屏蔽插件，采用一步法計算停堆劑量率。

1.2 計算工具

計算基于FDS團隊自主研發(fā)的超級蒙特卡羅和計算仿真軟件系統(tǒng)SuperMC開展。FDS團隊在中子學(xué)分析與程序開發(fā)[4-7]、堆芯設(shè)計與材料研究[8-11]、核能安全研究[12-13]、實驗及核技術(shù)應(yīng)用[14-16]等方面具有豐富的研究經(jīng)驗和突出的研究成果。SuperMC計算正確性已通過ITER 基準模型測試驗證，并得到ITER組織的認可[17-18]。

計算中中子輸運使用FENDL2.1聚變數(shù)據(jù)庫，活化計算使用EAF2007數(shù)據(jù)庫。

2 模型創(chuàng)建

由DIN設(shè)計的ITER下窗口生物屏蔽插件模型如圖1所示，下窗口環(huán)形對稱布置有18個生物屏蔽插件，分別是：3個低溫恒溫器低溫泵，6個環(huán)形低溫泵，6個室內(nèi)檢視系統(tǒng)，3個遙操[19-20]。

圖1 下窗口生物屏蔽插件幾何模型Fig.1 Geometry model of bio-shield plugs

將原始CAD模型轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入SuperMC/MCAM中，進行必要的檢查與修補，得到ITER下窗口生物屏蔽插件中子學(xué)模型。將下窗口生物屏蔽插件的中子學(xué)模型導(dǎo)入到ITER Building模型[3]中，完成計算建模(見圖2)。

圖2 ITER大廳中子學(xué)模型(Z=-500 cm剖面圖)Fig.2 Neutronic model of ITER building(Z=-500 cm)

3 屏蔽性能分析

3.1 通量密度衰減分析

探究性生命敘事的微妙在于，成功喜悅是心靈成長的自然回報。真誠分享常人都經(jīng)歷著的困頓，穿越多元、沖突、被支離的恐懼，柳暗花明，為贏而輸，不斷被分離又不斷復(fù)歸自身認同與完整，內(nèi)生實質(zhì)轉(zhuǎn)化，尊重不同階段每位教師復(fù)歸心靈的節(jié)奏和層次，進入良性循環(huán)。這種分享引人共鳴，觸動自身轉(zhuǎn)變。

對四種生物屏蔽插件進行通量密度衰減分析，評估其對中子的屏蔽能力。在ITER中，通常的屏蔽材料為混凝土和重混凝土，計算中設(shè)置重混凝土和混凝土屏蔽模塊作為參考基準，其尺寸與生物屏蔽插件除貫穿件外的主體框架部分尺寸相同。使用輸運計算得到的中子源，其中子通量密度為1.633 03×108n/(cm2·s)，在屏蔽插件內(nèi)側(cè)設(shè)置400 cm×407.3 cm×10 cm的立方體源，其能譜如圖3所示，源粒子方向為生物屏蔽插件內(nèi)表面法線方向。

圖3 通量密度衰減分析中子源能譜Fig.3 Spectrum of neutron source for neutron attenuation analysis

定義通量密度衰減因子為生物屏蔽插件最外側(cè)(計數(shù)面3)面通量密度密度與源最外側(cè)(計數(shù)面1)面通量密度密度之比，如圖4所示。使用SuperMC得到的計算結(jié)果如圖5和表1所示。

圖4 源與計數(shù)面(以IVVS為例)Fig.4 Tally surfaces and source in IVVS

圖5 計數(shù)面3的中子通量密度密度Fig.5 Neutron flux of tally surface 3(a) 能量范圍10-7～20 MeV

圖5 計數(shù)面3的中子通量密度密度(續(xù))Fig.5 Neutron flux of tally surface 3(b) 能量范圍1～20 MeV

表1 生物屏蔽插件中子通量密度[n/(cm2·s)]

在不同屏蔽模塊的作用下，屏蔽插件后的中子通量密度分布趨勢相同，但強度不同；室內(nèi)檢視系統(tǒng)生物屏蔽插件后的中子通量密度高于其他生物屏蔽插件。對比通量密度衰減因子，室內(nèi)檢視系統(tǒng)屏蔽模塊的通量密度衰減因子最高，但低于重混凝土屏蔽模塊，低溫恒溫器低溫泵生物屏蔽插件后的通量密度衰減因子最低，且低于混凝土模塊。

由此可見，低溫恒溫器低溫泵生物屏蔽插件對中子的屏蔽能力最強，室內(nèi)檢視系統(tǒng)生物屏蔽插件對中子的屏蔽能力最弱。

3.2 活化分析

選擇如圖6所示的典型柵元進行計數(shù)，采用ITER的SA2輻照方案(500 MW聚變功率)，進行重混凝土、混凝土、不銹鋼材料的活化分析。計算結(jié)果如表2和表3所示。

對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)檢視系統(tǒng)生物屏蔽插件的停堆劑量率最低，并低于重混凝土屏蔽模塊，環(huán)形低溫泵生物屏蔽插件的停堆劑量率最高，但低于混凝土屏蔽模塊。對每個屏蔽插件來說，不銹鋼材料的劑量最高，重混凝土材料的劑量最低。重混凝土材料中59Fe和54Mn是主要活化核素，混凝土材料主要活化核素為24Na，不銹鋼材料主要活化核素為60Co，其半衰期較長，為5.271a[21]。

圖6 活化分析計數(shù)柵元Fig.6 Tally cells in activation analysis(a) 低溫恒溫器低溫泵；(b) 環(huán)形低溫泵；(c) 遙操;(d) 室內(nèi)檢視系統(tǒng)

表2 停堆1天后屏蔽模塊的劑量率 (Sv/h)

表3 屏蔽模塊中核素對劑量率的貢獻(%)

4 停堆劑量率計算

在18個下窗口中，12號窗口環(huán)形低溫泵生物屏蔽插件受到最嚴重的等離子體源輻射作用[3]，考慮到設(shè)計保守性，對環(huán)形低溫泵生物屏蔽插件停堆劑量率進行計算。

4.1 源設(shè)置

參考之前的計算[3]，定義源粒子方向為法線方向的面源，分析ITER大廳的劑量率分布，其能譜如圖7所示。

圖7 停堆劑量率計算面源能譜Fig.7 Spectrum of neutron source for dose rate calculation

4.2 計算結(jié)果

對環(huán)形低溫泵生物屏蔽插件附近窗口柵元停堆劑量率進行計算，計數(shù)柵元如圖8所示。

圖8 劑量率計數(shù)柵元Fig.8 Tally cells in dose rate calculation(a) PZ=-600 cm;(b) PZ=-400 cm;(c) PZ =-490 cm

根據(jù)ITER中子學(xué)設(shè)計要求，窗口柵元的停堆劑量率限值為10 μSv/h[22]。表4列出了各計數(shù)柵元的劑量率結(jié)果。其中，306柵元的停堆劑量率最大，為240 μSv/h，298柵元的停堆劑量率最小，為44 μSv/h。環(huán)形低溫泵生物屏蔽插件附近柵元的停堆劑量率超過限值20倍，說明設(shè)計需要進一步改進。

表4 環(huán)形低溫泵插件附近柵元停堆劑量率(μSv/h)

5 結(jié)論

本文基于最新設(shè)計的ITER下窗口生物屏蔽插件模型，使用SuperMC構(gòu)建了包括下窗口生物屏蔽插件在內(nèi)的ITER大廳三維中子學(xué)模型，對下窗口生物屏蔽插件進行了屏蔽分析。結(jié)果表明，低溫恒溫器低溫泵生物屏蔽插件的中子屏蔽性能最好，室內(nèi)監(jiān)視系統(tǒng)生物屏蔽插件的中子屏蔽性能最差；在中子源作用下，室內(nèi)檢視系統(tǒng)生物屏蔽插件停堆劑量率最小，環(huán)形低溫泵生物屏蔽插件停堆劑量率最高。通過計算發(fā)現(xiàn)，停堆12天之后，環(huán)形低溫泵生物屏蔽插件停堆劑量率超過規(guī)定限值20倍，說明ITER下窗口生物屏蔽插件設(shè)計需要進一步改進。

文中進行的分析與結(jié)果已提交ITER組織[23]，并為將來的設(shè)計與分析提供有價值的參考。

致謝

本文工作在ITER組織與FDS團隊的合作下開展。工作開展過程中得到了FDS團隊其他成員以及ITER組織的支持與幫助，在此表示感謝。

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Analysis for the Shielding of Bio-shield Plugs in Lower Ports of ITER Based on SuperMC

ZHUANG Si-xuan1,2, SONG Jing1, YANG Qi1, YU Sheng-peng1, ZHENG Xiao-lei1

(1. Key Laboratory of Neutronics and Radiation Safety, Institute of Nuclear Energy Safety Technology, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui Prov. 230031, China; 2. University of Science & Technology of China, Hefei, Anhui Prov. 230027, China)

The bio-shield plugs could provide significant shielding and protection for electronic devices and staff workers in ITER. The design and neutronic analysis of bio-shield plugs is a big concern in ITER. The Design Integration Section (DIN) of ITER has designed a new model of bio-shield plugs in lower ports. In this study, based on SuperMC, a three-dimensional neutronic model of ITER building is created, and shielding analysis is conducted to evaluate the current design. The results indicate that Cryostat Cryopump plug provides the strongest shielding while IVVS plug provides the weakest one. IVVS plug has the least dose rate and Torus Cryopump plug has the utmost one. Under the radiation scenario of SA2, the dose rate in Torus Cryopump bio-shield plug exceeds the limit value. The current design is insufficient and needed to be improved.

SuperMC; ITER; Shielding; Bio-shield plugs

2017-01-20

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項XDA03040000，中國科學(xué)院國防科技創(chuàng)新基金項目CXJJ-16Q231，國家自然科學(xué)基金(NSFC)11305205，國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項2014GB112001，產(chǎn)業(yè)化基金

莊思璇(1993—)，女，安徽人，博士研究生，主要從事中子輸運理論研究工作

鄭曉磊：xiaolei.zheng@fds.org.cn

TL61

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0258-0918(2017)02-0235-07