某核電廠燃料傳輸通道屏蔽計(jì)算與實(shí)施

朱敖正

【摘 要】中核運(yùn)行某電廠廠三、四號(hào)機(jī)組的燃料傳輸通道，原設(shè)計(jì)有水泥砌塊的屏蔽墻。但在施工階段由于有管道穿過(guò)屏蔽墻，導(dǎo)致墻體留下孔洞和縫隙。裝卸料期間，來(lái)自傳輸通道的輻射通過(guò)這些孔洞和縫隙，照射到隔離邊界外。經(jīng)過(guò)測(cè)量，三號(hào)機(jī)組隔離邊界門處的最大劑量率為100mSv/h ，四號(hào)機(jī)組隔離邊界門處的最大劑量率為183mSv/h 。上述數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了該處輻射分區(qū)劑量率的上限，極易造成附近工作人員的意外照射。本文通過(guò)對(duì)燃料組件的源項(xiàng)分析，考慮補(bǔ)充屏蔽的設(shè)計(jì)和實(shí)施，并給出了屏蔽改造前后的數(shù)據(jù)對(duì)比和結(jié)果評(píng)價(jià)。

【關(guān)鍵詞】燃料傳輸通道；劑量率；屏蔽；設(shè)計(jì)；實(shí)施

中圖分類號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）05-0007-003

【Abstract】Fuel transmission channels for unit 3 and 4 in CNNO，were shield with cement wall in original design. However，due to the pipeline during the construction phase through the shield wall，holes and gaps appear in the wall. During loading and unloading the fuel，radiation from the transmission channel through these holes and gaps，exposure out of the isolation boundary.After the measurement，the maximum dose rate at the isolation boundary gate in unit 3 is about 100mSv/h，and 183mSv/h in unit 4.These data is much more than the limits of those areas，and workers nearby can easily irradiate by γ-rays unexpected.This article analyzes the source of the fuel assembly，completes the design and implementation of supplemental shielding，and then gives the results of the evaluation and comparison of the data before and after the transformation of the shield.

【Key words】Fuel transmission channels；Dose rate；Shield；Design；Construction

1 問(wèn)題的來(lái)源

1.1 燃料傳輸通道缺陷介紹

中核運(yùn)行某電廠3、4號(hào)機(jī)組的燃料傳輸通道，位于反應(yīng)堆廠房+8.00米的R410和R450房間。機(jī)組換料檢修的裝卸料期間，乏燃料組件通過(guò)該通道時(shí)，大量的射線透過(guò)管道，對(duì)周圍空間形成照射。為了屏蔽來(lái)自傳輸通道的射線，工程公司在1、2號(hào)機(jī)組此區(qū)域進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)了水泥砌塊的屏蔽墻（如圖1所示）。在屏蔽墻外設(shè)置鐵門，將傳輸通道區(qū)域作為紅區(qū)隔離起來(lái)（隔離區(qū)外的環(huán)廊區(qū)域?yàn)辄S區(qū)）。并在3、4號(hào)機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)考慮了1、2號(hào)機(jī)組的改進(jìn)。

但是在土建和安裝階段，由于有管道穿過(guò)屏蔽墻，導(dǎo)致墻體留下孔洞和縫隙（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況如圖2所示）。來(lái)自乏燃料的射線穿過(guò)這些孔洞，照射到隔離邊界外，使得隔離區(qū)外的工作人員暴露在高劑量的輻射場(chǎng)中，甚至可能造成人員的超劑量照射。針對(duì)上述問(wèn)題，本文詳細(xì)介紹了缺陷消除的過(guò)程。

1.2 屏蔽改造前的測(cè)量數(shù)據(jù)

在三號(hào)機(jī)組第二次換料檢修（以下簡(jiǎn)稱302大修）和四號(hào)機(jī)組第一次換料檢修（以下簡(jiǎn)稱401大修）過(guò)程中，我們系統(tǒng)地測(cè)量了卸料期間隔離邊界外的劑量水平。測(cè)量結(jié)果如表1、表2所示。

在302大修測(cè)量經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，401大修的測(cè)量數(shù)據(jù)更加全面。

機(jī)組換料檢修期間，燃料轉(zhuǎn)運(yùn)通道隔離門外的環(huán)廊區(qū)域作為黃區(qū)管理。根據(jù)中核運(yùn)行的管理程序《輻射控制分區(qū)管理》，黃區(qū)的環(huán)境劑量率上限為1mSv/h。具體分區(qū)情況見表3。

由表1、表2可見，12個(gè)測(cè)點(diǎn)僅有一個(gè)滿足分區(qū)要求。并且，三號(hào)機(jī)組隔離邊界門處的最大劑量率為100mSv/h，四號(hào)機(jī)組隔離邊界門處的最大劑量率為183mSv/h。上述數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了該處輻射分區(qū)劑量率的上限，極易造成附近工作人員的意外照射。

2 源項(xiàng)分析和屏蔽設(shè)計(jì)

秦二廠三、四號(hào)機(jī)組目前的換料周期是12個(gè)月，停堆7天后開始換料。公司目前在積極申請(qǐng)長(zhǎng)燃料循環(huán)，幾年后會(huì)逐步過(guò)渡到18個(gè)月?lián)Q料。為了縮短停堆換料的時(shí)間，以后可能爭(zhēng)取從停堆4天后開始換料?？紤]到上述兩種情況，本文在做源項(xiàng)分析和屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)保守地采用NPIC提供的18個(gè)月?lián)Q料，停堆4天后乏燃料組件的γ源強(qiáng)作為設(shè)計(jì)源項(xiàng)。

2.1 燃料組件源項(xiàng)分析

乏燃料組件通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)通道時(shí)，燃料包殼、通道管壁和組件與管壁之間的水屏蔽了絕大部分的阿爾法射線以及貝塔射線，以下的源項(xiàng)分析僅討論伽馬源項(xiàng)。表4為18個(gè)月?lián)Q料、停堆4天后的乏燃料組件γ源項(xiàng)數(shù)據(jù)。

由上表可見，能量在0-0.5MeV之間的伽馬射線占到總源強(qiáng)的77%。3.5MeV以上的伽馬射線幾乎可以忽略。

2.2 補(bǔ)充屏蔽的設(shè)計(jì)

由表1、表2可知，三號(hào)機(jī)組隔離邊界處的最大劑量率為100 mSv/h，四號(hào)機(jī)組隔離邊界處的最大劑量率為183mSv/h。補(bǔ)充屏蔽設(shè)計(jì)的目的就是試圖將上述劑量率降低到1mSv/以下（黃區(qū)的上限值）。1.1式為寬束γ射線在物質(zhì)中的衰減公式：

N=N0Be-uR （1.1）

式中N0為屏蔽前的劑量率，N為屏蔽后的劑量率，B為散射光子的累積因子，u為γ光子的線衰減系數(shù)，R為屏蔽層的厚度。

由式1.1可知，若屏蔽之后劑量率的衰減倍數(shù)為K，則：

K=N0/N=euRB-1 （1.2）

本次屏蔽擬采用鉛作為屏蔽材料，通過(guò)查表《各向同性點(diǎn)源γ射線減弱倍數(shù)K所需的鉛厚度（厘米）》[1]，可知需要的屏蔽厚度R。但是還需要確定伽馬射線的能量。

由2.1節(jié)的源項(xiàng)分析可知，能量從0-20MeV的γ光子均占有一定份額。但是穿透能力最強(qiáng)的是3.0-4.0MeV的γ光子。屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，我們保守的考慮隔離邊界處的劑量全部來(lái)自能量為3.0-4.0MeV的γ光子。

通過(guò)查表《各向同性點(diǎn)源γ射線減弱倍數(shù)K所需的鉛厚度（厘米）》[1]，要將隔離邊界處的最大劑量率100mSv/h和183mSv/h降低200倍（保守地考慮四號(hào)機(jī)組的情況），需要13.9厘米厚的鉛。目前市場(chǎng)上常見的鉛磚規(guī)格為162*100*60mm/塊，所以最終確定用兩層橫放的鉛磚組成屏蔽墻。

3 三、四號(hào)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施和改造前后的數(shù)據(jù)對(duì)比

按照上述補(bǔ)充屏蔽設(shè)計(jì)，通過(guò)秦二廠技術(shù)改造流程（技改編號(hào)：ENG2012-183），保健物理二處在302大修和401大修低低水位期間，消除了兩臺(tái)機(jī)組燃料傳輸通道的屏蔽缺陷。

3.1 三號(hào)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

在三號(hào)機(jī)組，施工單位用鉛磚封堵孔洞（從屏蔽墻到房頂），鉛磚之間的縫隙用鉛纖維填充。屏蔽墻與安全殼之間的縫隙，也用兩層鉛磚封堵。鉛磚材質(zhì)較軟，為了防止堆砌的鉛磚倒塌，施工單位用鋼板將鉛磚屏蔽體固定于屏蔽墻上?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況如圖3所示。

屏蔽完成后，在302大修裝料期間，我們按照卸料期間的測(cè)量方式，再次測(cè)量了劑量率數(shù)據(jù)，比對(duì)結(jié)果見表5。

通過(guò)補(bǔ)充屏蔽，距隔離門1.5米處的環(huán)境劑量率均降低到了黃區(qū)水平，但是隔離門處的劑量率仍然偏高。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)布局的分析，我們認(rèn)為是來(lái)自傳輸通道的伽馬光子通過(guò)彈性散射，從屏蔽墻與構(gòu)件池墻壁之間的通道折射出來(lái)（伽馬光子具有波動(dòng)性和粒子性雙重性質(zhì)，會(huì)通過(guò)康普頓散射與物質(zhì)發(fā)生相互作用）。折射路徑如下圖紅色箭頭所示。

3.2 四號(hào)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

在三號(hào)機(jī)組實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們?cè)谒奶?hào)機(jī)組的傳輸通道和屏蔽墻之間，增加了一堵1.4米高的墻（墻體由兩層鉛磚組成），以此來(lái)防止伽馬射線進(jìn)入到屏蔽墻與構(gòu)件池墻壁之間的通道。其余孔洞均使用兩層鉛磚封堵，磚塊間的縫隙用鉛纖維填充（與三號(hào)機(jī)組施工方式相同）。

補(bǔ)充屏蔽完成后，在401大修的裝料期間，我們進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)量。屏蔽前后的數(shù)據(jù)比對(duì)見表6。

4 改造效果評(píng)價(jià)

通過(guò)補(bǔ)充屏蔽設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工，三號(hào)機(jī)組燃料傳輸通道隔離邊界處最大劑量率降低了一個(gè)量級(jí)，爬梯處的最大環(huán)境劑量率降低到了黃區(qū)的范圍，裝卸料期間的隔離可以設(shè)置在爬梯位置。

在四號(hào)機(jī)組，隔壁邊界門上的三個(gè)測(cè)點(diǎn)，累積劑量降低到原來(lái)的0.4%，最大劑量率降低到原來(lái)的0.5%，改造效果更好于三號(hào)機(jī)組。通過(guò)補(bǔ)充屏蔽，裝卸料期間不再需要任何隔離（工作人員只要不進(jìn)入紅區(qū)范圍，均不會(huì)遭受意外照射）。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李星洪.【輻射防護(hù)基礎(chǔ)】.1982年7月第一版.北京.原子能出版社.1982年.400-400頁(yè).