ITER極向場線圈維修過程及照射劑量虛擬仿真

趙錦波，張 澍，何 桃，龍鵬程，胡麗琴,*

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230027；2.中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所 中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃[1]的目標(biāo)是為未來聚變示范堆(DEMO)的設(shè)計(jì)和建造提供技術(shù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為了保障ITER運(yùn)行過程中磁場位形的穩(wěn)定，在ITER服役期限內(nèi)，需要ITER停堆進(jìn)行極向場線圈PF Coils等低溫室內(nèi)部件的人工檢修工作。為了確保停堆后給維修人員造成的劑量在允許范圍內(nèi)，針對現(xiàn)有ITER的設(shè)計(jì)方案，需要對維修方案進(jìn)行預(yù)評(píng)估和人員操作過程的培訓(xùn)，避免因人員不熟練導(dǎo)致的操作失誤，使最終的輻射危害達(dá)到最小程度。

在國際合作框架協(xié)議的支持下，本文工作以ITER四號(hào)極向場線圈(PF4)為例，對ITER典型部件維修過程進(jìn)行了虛擬仿真分析，驗(yàn)證當(dāng)前ITER屏蔽設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性。在核與輻射安全仿真系統(tǒng)SuperMC/VisualDose2.3[2-6]的支持下開展維修過程的虛擬漫游仿真、最大輻射劑量率評(píng)估、實(shí)時(shí)累積劑量評(píng)估和關(guān)鍵位置虛擬操作仿真等工作，用于指導(dǎo)ITER PF4部件維修方案的制定，確保維修過程中工作人員輻射劑量符合ITER設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)果表明，根據(jù)現(xiàn)有ITER核設(shè)計(jì)方案，ITER停堆106s后人員進(jìn)入低溫室開展ITER PF4檢修工作所受到的累積劑量為2.19 mSv，為ITER核設(shè)計(jì)分析人員提供參考。仿真結(jié)果對輔助ITER維修優(yōu)化具有積極意義，同時(shí)也表明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)預(yù)評(píng)估輻射環(huán)境下人員的受照劑量。

1 維修方案與仿真場景

根據(jù)ITER設(shè)計(jì)需求[7]，假設(shè)ITER根據(jù)SA2方案運(yùn)行，停堆冷卻7天后，需要2位工作人員從低溫室頂蓋進(jìn)入低溫室檢修PF4線圈雙絞線接頭[8]，維修方案路徑如圖1所示，詳細(xì)方案定義如表1所示，研究數(shù)據(jù)來源于ITER當(dāng)前磁體維修策略。

圖1 ITER PF4維修路徑圖[7]

表1 ITER極向場線圈PF4雙絞線接頭斷開檢修任務(wù)步驟[8]

續(xù)表

本文工作首先利用CATIA建立好模型，導(dǎo)入到3DSMax當(dāng)中，使用OgreMax插件直接將模型轉(zhuǎn)為OGRE Mesh格式并導(dǎo)入到SuperMC/VisualDose2.3當(dāng)中?；?DSMax的仿真場景模型如圖2所示，輸出的整個(gè)場景不僅包含約420萬個(gè)三角面片的幾何信息，還包括模型的材質(zhì)等信息。

圖2 ITER大廳和托卡馬克模型

為了評(píng)估，輻射劑量場分布采用ITER國際組織提供的計(jì)算結(jié)果[9]?；赟uperMC/VisualDose2.3的該輻射通量場0.1～1 keV數(shù)據(jù)和模型的疊加可視化如圖3所示。

2 維修過程職業(yè)劑量仿真評(píng)估

2.1 維修過程漫游仿真與實(shí)時(shí)劑量評(píng)估

基于上述維修方案和仿真場景，用戶在SuperMC/VisualDose2.3上完成維修方案的設(shè)計(jì)和仿真場景的創(chuàng)建。工人在維修過程中所受到的輻射劑量根據(jù)工人在每一個(gè)點(diǎn)的停留時(shí)間計(jì)算得到。輻射虛擬人Rad-Human[10]被選為SuperMC/VisualDose 2.3在本次方案仿真中的輻射劑量評(píng)估模型，該模型由中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所·鳳麟團(tuán)隊(duì)[11-16]自主構(gòu)建，包含46個(gè)器官，由多物理耦合分析建模程序SuperMC/MCAM[17-21]創(chuàng)建，該模型如圖4所示。

圖4 Rad-Human模型示意圖[22]

基于SuperMC/VisualDose 2.3，開展了累積劑量的實(shí)時(shí)評(píng)估、有效劑量率的實(shí)時(shí)評(píng)估。工人維修過程的行走速度假設(shè)為5 km/h，并且人物行走位置刷新率為50 Hz。通過仿真發(fā)現(xiàn)，ITER PF4維修過程當(dāng)中，人員在整個(gè)維修過程中受到的累積劑量是2.19 mSv。基于SuperMC/VisualDose 2.3的ITER PF4維修過程漫游仿真與實(shí)時(shí)劑量評(píng)估如圖5所示。

圖5 ITER PF4維修過程漫游仿真與實(shí)時(shí)劑量評(píng)估

2.2 檢修過程虛擬培訓(xùn)

依托中科院核能安全技術(shù)研究所·鳳麟團(tuán)隊(duì)的先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和安全仿真實(shí)驗(yàn)室，基于SuperMC/VisualDose2.3完成了ITER PF4維修虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境的建立，如圖6所示。用戶能在虛擬環(huán)境中控制虛擬任務(wù)的行走方向，可視化反應(yīng)堆模型和輻射場數(shù)據(jù)，并且體驗(yàn)維修過程。在該仿真環(huán)境中，劑量信息實(shí)時(shí)的顯示在仿真環(huán)境的投影屏幕當(dāng)中，支持用戶實(shí)時(shí)評(píng)估行走過程中所受到的輻射劑量，當(dāng)輻射劑量超過了劑量閾值則發(fā)出警報(bào)提示。

圖6 ITER PF4維修過程虛擬培訓(xùn)仿真示意圖

依托該虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境，核輻射環(huán)境下的運(yùn)行和維修方案在執(zhí)行之前，能夠先在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行模擬。通過計(jì)算機(jī)對核與輻射環(huán)境真實(shí)再現(xiàn)后，用戶借助虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)以真實(shí)世界一致的交互方式與虛擬仿真環(huán)境中的場景物體相互影響、交互操作，從而產(chǎn)生身臨其境般的真實(shí)感受和體驗(yàn)，更加直觀迅速地接受和處理各種信息。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)仿真的結(jié)果更好的完成應(yīng)用方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，使得設(shè)計(jì)的應(yīng)用方案盡可能地滿足ALARA原則的要求。

2.3 結(jié)果與討論

通過仿真發(fā)現(xiàn)，該維修任務(wù)人員接受的累積劑量為2.19 mSv，根據(jù)ITER的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[23]，人工維修過程中年均所有維修任務(wù)的累積劑量限值為500 mSv，可知此次維修活動(dòng)僅占全年累積劑量限值的0.438%，表明當(dāng)前ITER磁體維修策略安全可行。仿真結(jié)果為ITER核設(shè)計(jì)分析人員提供參考，針對該維修任務(wù)，如想降低維修工人所受到的照射劑量以便進(jìn)行多人多次維修活動(dòng)，可通過引入臨時(shí)屏蔽或者推遲人員進(jìn)入等措施。

3 結(jié)論

在國際合作框架協(xié)議的支持下，基于核與輻射安全仿真系統(tǒng)SuperMC/VisualDose2.3，開展了ITER PF4維修過程的工人職業(yè)照射劑量仿真分析。仿真結(jié)果表明，根據(jù)現(xiàn)有ITER核設(shè)計(jì)方案，ITER停堆106s后人員進(jìn)入低溫室開展ITER PF4檢修工作所受到的累積劑量為2.19 mSv，為ITER核設(shè)計(jì)分析人員提供了參考。仿真結(jié)果對輔助ITER 維修優(yōu)化具有指導(dǎo)意義，同時(shí)也表明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能有效地預(yù)評(píng)估輻射環(huán)境下人員的受照劑量。

后期將根據(jù)本次仿真結(jié)果，開展降低維修人員輻射劑量的措施分析，主要通過研究采用臨時(shí)屏蔽和推遲工人進(jìn)入時(shí)間來研究降低輻射劑量的措施。

致謝

本文工作中ITER PF4維修任務(wù)的制定得到了ITER職員Michael Loughlin博士和John Oldfield博士的指導(dǎo)，同時(shí)也得到了鳳麟團(tuán)隊(duì)其他成員的幫助，在此一并表示感謝。