“華龍一號(hào)”輻射防護(hù)相關(guān)孔洞封堵要求分析方法優(yōu)化

張麗瑩，李卓然，李曉靜，王曉霞，米愛(ài)軍

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

核電廠核島廠房各房間之間難免有各種物項(xiàng)相互貫穿，如管道、電纜等，在土建施工過(guò)程中根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在各廠房的土建結(jié)構(gòu)中預(yù)留大量孔洞，以確保機(jī)械設(shè)備安裝時(shí)各種管道通過(guò)。為保證廠房安全的完整性，對(duì)于各種孔洞或套管，在物項(xiàng)布置完畢后需要采用孔洞封堵材料對(duì)預(yù)留孔洞進(jìn)行封堵，以恢復(fù)土建結(jié)構(gòu)的安全功能，如：氣密、水密、防火、生物屏蔽等。核島廠房多數(shù)土建結(jié)構(gòu)承擔(dān)著輻射屏蔽的功能，土建結(jié)構(gòu)的開(kāi)孔會(huì)直接削弱其生物屏蔽功能，有可能導(dǎo)致墻體兩側(cè)劑量率超過(guò)原來(lái)的設(shè)計(jì)要求；為保證孔洞兩側(cè)房間的居留特性、工作人員職業(yè)照射滿足設(shè)計(jì)要求及相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，需要對(duì)某些墻體預(yù)留孔洞進(jìn)行生物屏蔽封堵。而對(duì)于機(jī)械管道貫穿孔洞，當(dāng)核電廠處于不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，某些管道受熱狀態(tài)不同，導(dǎo)致管道物項(xiàng)相對(duì)于所貫穿的孔洞發(fā)生熱位移，當(dāng)管道物項(xiàng)熱位移超過(guò)普通封堵材料的使用工況時(shí)，則需采用能夠吸納管道熱位移的特殊封堵材料。

目前，“華龍一號(hào)”核電項(xiàng)目采用的機(jī)械孔洞封堵材料包括：防火硅酮泡沫、高密度防火硅酮橡膠、柔性高密度防火硅酮橡膠。其中防火硅酮泡沫可用于貫穿有熱位移管道孔洞的封堵，能夠滿足氣密、水密、防火等功能要求，但是不能滿足生物屏蔽功能。高密度防火硅酮橡膠用于貫穿無(wú)熱位移管道孔洞或者貫穿極小熱位移管道孔洞的封堵，能夠同時(shí)滿足氣密、水密、防火、生物屏蔽等功能要求。柔性高密度防火硅酮橡膠可用于貫穿有熱位移管道的孔洞，且可滿足氣密、水密、防火、生物屏蔽等功能要求。三種材料的價(jià)格依次上升。

根據(jù)上述各種材料特性，防火硅酮泡沫和柔性高密度防火硅酮橡膠均能吸納機(jī)械管道的熱位移。對(duì)于貫穿有較大熱位移管道的孔洞，若無(wú)生物屏蔽要求，則可采用防火硅酮泡沫，成本較低；若同時(shí)需要滿足生物屏蔽要求，則只能采用柔性高密度防火硅酮橡膠，成本較高。

由于核電廠廠房結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)、設(shè)備的數(shù)量較多，施工過(guò)程中需要貫穿的物項(xiàng)也較多，預(yù)留的孔洞數(shù)量巨大。根據(jù)以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，生物屏蔽封堵要求的判斷是根據(jù)每個(gè)孔洞的大小、孔洞兩側(cè)房間的輻射分區(qū)以及孔洞相對(duì)樓板的高度等因素進(jìn)行封堵判斷，這種做法的優(yōu)點(diǎn)是判斷規(guī)則簡(jiǎn)單，但是判斷的結(jié)果偏保守。再加上“華龍一號(hào)”核電機(jī)組貫穿有較大熱位移管道的孔洞較多，柔性高密度防火硅酮橡膠用量大，生物屏蔽封堵工程投資過(guò)高。若能對(duì)生物屏蔽封堵需求判斷方法進(jìn)行優(yōu)化，減少需要進(jìn)行生物屏蔽封堵的貫穿有較大熱位移管道孔洞的數(shù)量，則可降低柔性高密度防火硅酮橡膠用量，孔洞封堵的工程造價(jià)將隨之降低。為解決上述問(wèn)題，開(kāi)展了輻射防護(hù)相關(guān)孔洞封堵要求判斷方法的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

針對(duì)核電廠輻射防護(hù)封堵要求判斷方法，通過(guò)編制小程序提高初判效率；綜合考慮孔洞兩側(cè)輻射源的放射性介質(zhì)及其在不同運(yùn)行狀態(tài)下的充滿情況、輻射源的分布及射線類型、輻射源與孔洞的相對(duì)位置關(guān)系、孔洞開(kāi)孔方向、孔洞周圍區(qū)域人員的到達(dá)情況等因素，對(duì)貫穿熱位移物項(xiàng)的孔洞進(jìn)行生物屏蔽封堵判斷優(yōu)化。

1 輻射防護(hù)相關(guān)孔洞封堵要求

基于對(duì)工作人員的外照射和內(nèi)照射的防護(hù)需求，輻射防護(hù)相關(guān)孔洞封堵要求主要考慮兩個(gè)方面：

（1） 防止降低原屏蔽墻體對(duì)中子和 γ射線的屏蔽效果影響現(xiàn)有防護(hù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行生物屏蔽封堵。

（2） 防止氣載放射性物質(zhì)的擴(kuò)散，進(jìn)行氣密性封堵。

孔洞封堵要求的判斷主要基于孔洞兩側(cè)房間內(nèi)輻射源的形態(tài)及分布，生物屏蔽封堵主要考慮輻射源項(xiàng)發(fā)出的射線類型以及射線通過(guò)孔洞可能的貫穿情況，氣密性封堵則主要考慮氣載放射性物質(zhì)的分布。同時(shí)應(yīng)考慮功率運(yùn)行、停堆檢修、事故等各類工況，考慮各種工況下人員的通行、操作、檢修、事故應(yīng)急操作等過(guò)程中的防護(hù)。

2 輻射防護(hù)孔洞封堵要求設(shè)計(jì)改進(jìn)

輻射防護(hù)孔洞封堵需求判斷方法設(shè)計(jì)改進(jìn)主要包括兩個(gè)方面：孔洞封堵要求初判方法優(yōu)化和熱位移孔洞封堵要求判斷方法優(yōu)化。

2.1 孔洞封堵要求初判方法

根據(jù)“華龍一號(hào)”核島廠房輻射分區(qū)原則（見(jiàn)表 1），區(qū)域內(nèi)輻射分區(qū)情況反映了該區(qū)域內(nèi)輻射源項(xiàng)的分布情況，或者相鄰區(qū)域內(nèi)輻射源對(duì)該區(qū)域的輻射貢獻(xiàn)。在判斷孔洞封堵功能類型時(shí)，可根據(jù)孔洞兩側(cè)房間（房間1和房間2）的輻射分區(qū)來(lái)進(jìn)行初步判斷。由于通風(fēng)量、換氣次數(shù)等通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差異，監(jiān)督區(qū)與控制區(qū)以及高輻射區(qū)之間存在壓差，為避免氣載放射性物質(zhì)的擴(kuò)散，位于上述區(qū)域邊界的孔洞應(yīng)進(jìn)行氣密性封堵（氣密性封堵通常以“A”標(biāo)示）。不同輻射分區(qū)房間內(nèi)輻射源及其導(dǎo)致的劑量率水平不同，為保證原有生物屏蔽功能的完整性，高輻射區(qū)及超高輻射區(qū)房間邊界上的孔洞初判應(yīng)進(jìn)行生物屏蔽封堵（生物屏蔽封堵通常以“B”標(biāo)示）?；谳椛浞謪^(qū)的孔洞封堵初判原則如表2所示。

表2 基于輻射分區(qū)的孔洞封堵初判原則[1]Table 2 The preliminary judgment principles for the hole plugging needs based on radiation zoning

孔洞兩側(cè)房間的輻射分區(qū)是輻射防護(hù)專業(yè)判斷孔洞封堵要求的重要依據(jù)。原設(shè)計(jì)方法需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)該工程項(xiàng)目的輻射分區(qū)圖逐一查找孔洞兩側(cè)房間所在位置以及對(duì)應(yīng)的輻射分區(qū)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率不高，因此對(duì)孔洞封堵要求初判方法進(jìn)行優(yōu)化。

現(xiàn)場(chǎng)施工階段，輻射分區(qū)已經(jīng)固化，基于核島廠房輻射分區(qū)圖，通過(guò)編制輻射分區(qū)表與孔洞表之間的接口小程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀取孔洞兩側(cè)房間輻射分區(qū)，并將其填充在孔洞表中?；谳椛浞雷o(hù)專業(yè)孔洞封堵初判原則編制輻射防護(hù)專業(yè)孔洞封堵要求判斷小程序，實(shí)現(xiàn)初判孔洞封堵要求的自動(dòng)填充，提高了設(shè)計(jì)效率，也降低了人因出錯(cuò)的可能性。

2.2 熱位移孔洞封堵要求判斷方法優(yōu)化

孔洞封堵要求初判可以滿足大部分孔洞的封堵要求，但是對(duì)于含有熱位移管道同時(shí)具有生物屏蔽封堵需求的孔洞，為降低柔性高密度硅酮材料的使用量，降低工程投資、縮短施工周期，需要對(duì)封堵要求判斷方法進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

2.2.1基于孔洞兩側(cè)輻射源在不同運(yùn)行狀態(tài)下的分布優(yōu)化

此類孔洞主要分布在反應(yīng)堆廠房。功率運(yùn)行工況下，反應(yīng)堆廠房無(wú)人員進(jìn)入，只有在停堆工況下，才有相關(guān)工作人員陸續(xù)進(jìn)入反應(yīng)堆廠房進(jìn)行檢修等工作。因此，對(duì)于反應(yīng)堆廠房相關(guān)預(yù)留孔洞的生物屏蔽封堵要求分析可基于停堆工況下系統(tǒng)管道內(nèi)的輻射源狀況進(jìn)行分析。

典型的如R312和R215（兩房間輻射分區(qū)見(jiàn)圖1）之間的 5RX03TT0039T孔洞，該孔洞正對(duì)R312房間內(nèi)的主管道。功率運(yùn)行工況下，主管道內(nèi)介質(zhì)為一回路主冷卻劑，劑量率水平達(dá)到了紅區(qū)（＞100 mSv/h），如不封堵則由該孔洞的輻射漏束造成的 R215房間劑量率水平超過(guò)該房間黃區(qū)輻射分區(qū)的劑量率控制值。在本次設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，考慮到工作人員大量接近 R215房間的時(shí)間為維修冷停堆階段的低低水位期間，此時(shí)主管道內(nèi)已經(jīng)沒(méi)有主冷卻劑介質(zhì)，主要輻射源為主管道內(nèi)的活化腐蝕產(chǎn)物沉積源項(xiàng)。經(jīng)調(diào)研國(guó)內(nèi)已運(yùn)行 M310機(jī)組低低水位期間主管道表面劑量率水平均小于1.0 mSv/h，也即處于黃區(qū)水平，此時(shí)R312房間主管道輻射源通過(guò)該預(yù)留孔洞的輻射漏束對(duì) R215房間造成的劑量率水平變化將很小，因此分析判斷該孔洞可取消生物屏蔽要求。

圖1 功率運(yùn)行工況下R312和R215房間輻射分區(qū)Fig.1 Radiation zoning of R312 and R215 during power operation conditions

2.2.2基于孔洞兩側(cè)輻射源在不同運(yùn)行狀態(tài)下的分布優(yōu)化

對(duì)于某些孔洞，雖然其位于工作人員可接近區(qū)域且孔洞兩側(cè)房間輻射分區(qū)等符合原有的生物屏蔽封堵要求，但是孔洞位置距離主要輻射源位置較遠(yuǎn)，如經(jīng)過(guò)計(jì)算分析孔洞位置處的劑量率水平由孔洞的輻射漏束導(dǎo)致的增加量很小，則可以取消生物屏蔽封堵要求。

典型的如R211房間與R210房間之間的貫穿有熱位移管道的孔洞，R211房間內(nèi)主要輻射源為核島疏水排氣系統(tǒng)的管道、泵體及疏水坑，其余管線均為不含放射性介質(zhì)的系統(tǒng)管線，主要放射性管線如圖2所示。結(jié)合R211房間內(nèi)的放射性設(shè)備及管線布置情況、與孔洞的相對(duì)位置關(guān)系等，考慮不進(jìn)行生物屏蔽封堵，建立計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算分析，可以得到R211房間內(nèi)的輻射源對(duì)R210房間的劑量率貢獻(xiàn)微乎其微。因此對(duì)R211房間與R210房間的貫穿孔洞可以取消生物屏蔽封堵要求。

圖2 R211房間主要輻射源分布示意圖Fig.2 Radiation source distribution of R211

2.2.3基于孔洞周圍區(qū)域人員到達(dá)情況的優(yōu)化

對(duì)于某些孔洞，雖然孔洞兩側(cè)房間輻射分區(qū)、孔洞與輻射源的關(guān)系等符合原有的生物屏蔽封堵要求，但是孔洞位于工作人員不可接近區(qū)域，因此孔洞位置處的劑量率水平由孔洞處的輻射漏束導(dǎo)致的增加對(duì)于工作人員職業(yè)受照不產(chǎn)生任何影響，則可以取消生物屏蔽封堵要求。

典型的如核輔助廠房N411和N409之間的孔洞，N411和N409房間均為上下貫穿房間，房間樓板分別位于 N311和 N309房間，貫穿 + 0.0 m層和 + 4.8 m層，工作人員活動(dòng)區(qū)域位于 + 0.0 m層（N311和N309房間），N411和N409房間標(biāo)高處工作人員均不會(huì)直接接近，因此這兩個(gè)房間的貫穿孔洞均可以取消生物屏蔽要求（見(jiàn)圖3）。

圖3 N411與N409、N311與N309位置關(guān)系及輻射分區(qū)示意圖Fig.3 Relative location and radiation zoning of N411 and N409, N311 and N309

2.2.4基于孔洞開(kāi)孔方向的優(yōu)化

在進(jìn)行預(yù)留孔洞生物屏蔽封堵要求判斷過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，某些孔洞的開(kāi)孔方向并不垂直于墻體，而是上下或者左右斜穿墻體，如圖4所示。對(duì)于此類開(kāi)孔方式，由于屏蔽墻體并不是被直通貫穿，各類射線直接貫穿孔洞到達(dá)另一側(cè)房間內(nèi)的概率極小，因此對(duì)于原屏蔽體的局部削弱作用也較小。對(duì)于此類孔洞，通過(guò)進(jìn)一步的計(jì)算分析，可基于孔洞兩側(cè)的輻射源分布情況考慮取消生物屏蔽封堵要求。

典型的如R421房間與R441房間之間的貫穿有熱位移管道的孔洞，如圖5標(biāo)識(shí)熱位移管道貫穿孔洞。R421房間內(nèi)主要輻射源為蒸汽發(fā)生器，R441為管道間，此處生物屏蔽封堵需求主要考慮R421側(cè)蒸汽發(fā)生器輻射源對(duì)R441側(cè)房間的劑量率影響。由圖5所示，管道斜穿R4202墻體，不存在蒸汽發(fā)生器輻射直接貫穿孔洞現(xiàn)象，孔洞對(duì)原有屏蔽墻體有部分削弱，經(jīng)評(píng)估削弱作用較小，可以取消生物屏蔽封堵需求。

圖4 斜穿孔洞示意圖Fig.4 Schematic of inclined holes

圖5 R421房間與R441房間之間熱位移管道貫穿孔洞示意圖Fig.5 Schematic of the hole between R421 and R441 with thermal-deformation piping pass through

2.3 某些廠房的特殊考慮

不同廠房設(shè)置的放射性系統(tǒng)及功能不同，在進(jìn)行輻射防護(hù)相關(guān)封堵要求判斷的時(shí)候需要特殊考慮，主要包括以下幾種情形。

（1） 反應(yīng)堆廠房

事故工況下若反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)高能管道發(fā)生破裂，管道內(nèi)的質(zhì)量、能量大量急劇地噴入隔室空間造成隔室升壓升溫，在隔室墻壁兩側(cè)產(chǎn)生較大的壓差，影響反應(yīng)堆廠房墻體的安全性。反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器、主泵及堆本體所在區(qū)域的孔洞，其中用于事故中壓力釋放的孔洞不考慮輻射防護(hù)相關(guān)封堵要求。

（2） 安全廠房

事故工況下若工作人員需要進(jìn)入的區(qū)域受相關(guān)系統(tǒng)管線中放射性物質(zhì)的影響，對(duì)這些系統(tǒng)管線分布的密集區(qū)域與人員操作、維修位置以及主要通道之間的孔洞需進(jìn)行生物屏蔽封堵。

（3） 燃料廠房

應(yīng)考慮在燃料組件操作期間，對(duì)燃料組件吊運(yùn)及運(yùn)輸過(guò)程中所途徑區(qū)域內(nèi)的孔洞進(jìn)行封堵判斷和處理。

（4） 輔助廠房及其他

應(yīng)考慮在放射性廢物轉(zhuǎn)運(yùn)期間，對(duì)放射性廢物轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中所途徑區(qū)域內(nèi)的孔洞進(jìn)行封堵判斷和處理。

3 優(yōu)化效果

本設(shè)計(jì)優(yōu)化一方面提高了孔洞封堵需求判斷效率，另一方面大大減少了貫穿有較大熱位移管道孔洞的生物屏蔽封堵需求，降低柔性高密度硅酮橡膠用量，進(jìn)而降低貫穿有較大熱位移管道孔洞的生物屏蔽封堵工程投資。

本次設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)施后，福清 5號(hào)機(jī)組核島廠房取消生物屏蔽封堵要求的孔洞共計(jì) 1 357個(gè)，取消生物屏蔽封堵要求后86個(gè)孔洞無(wú)需再進(jìn)行孔洞封堵，1 271個(gè)孔洞需要采用低密度硅酮泡沫進(jìn)行封堵以滿足氣密、防火等要求。本設(shè)計(jì)優(yōu)化方案為福清核電 5號(hào)機(jī)組帶來(lái)的有益效果包括以下兩點(diǎn)：

（1） 減少柔性高密度硅酮橡膠用量，大大降低貫穿有較大熱位移管道孔洞的生物屏蔽封堵工程投資。

（2） 減少柔性高密度硅酮橡膠用量，改用低密度硅酮泡沫，大大節(jié)約熱位移管道孔洞封堵施工時(shí)間。

4 結(jié)論

本次“華龍一號(hào)”核電廠核島廠房孔洞生物封堵的設(shè)計(jì)改進(jìn)工作，主要針對(duì)“華龍一號(hào)”示范工程福建福清核電5號(hào)機(jī)組，對(duì)于福清核電6號(hào)機(jī)組，核島廠房除了核廢物廠房之外，兩者預(yù)留孔洞基本相同，因此本次設(shè)計(jì)優(yōu)化成果可直接應(yīng)用于福清核電 6號(hào)機(jī)組的預(yù)留孔洞生物屏蔽封堵需求。在巴基斯坦K-2、K-3機(jī)組，多數(shù)預(yù)留孔洞基本相同，因此除個(gè)別孔洞需要重新分析外，本次優(yōu)化成果也可直接應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)于后續(xù)建設(shè)的核電站，設(shè)計(jì)優(yōu)化方法也可直接應(yīng)用于孔洞生物屏蔽需求判斷。

核島廠房孔洞生物屏蔽封堵設(shè)計(jì)方法已經(jīng)形成了中核集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并已正式發(fā)布，并且正在編制能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行推廣。此外，我部門目前也正在開(kāi)發(fā)基于核電廠三維模型的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)平臺(tái)，針對(duì)孔洞封堵要求分析工作，將結(jié)合上述需求，開(kāi)發(fā)專業(yè)的分析軟件，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)的輻射防護(hù)相關(guān)孔洞封堵要求判斷方案。