CAP1400核電廠堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計(jì)研究

黎 輝,王夢(mèng)琪,鄭 征

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,上海200233)

正常滿功率運(yùn)行時(shí),核電廠反應(yīng)堆堆芯具有極強(qiáng)的放射性,包括中子和光子輻射,需要通過(guò)反應(yīng)堆一次側(cè)屏蔽設(shè)計(jì)以降低到達(dá)壓力容器及其以外區(qū)域的輻射水平。通常反應(yīng)堆一次側(cè)屏蔽由圍繞堆芯的堆內(nèi)構(gòu)件(如吊籃、圍板等)、水隙、壓力容器(RPV)以及混凝土結(jié)構(gòu)等部件組成[1]。由于反應(yīng)堆堆腔需要考慮通風(fēng)和事故后卸壓等,所以RPV與一次混凝土屏蔽墻之間需要留有一定的堆腔空間,設(shè)置冷卻通風(fēng)和事故泄壓通道等。因此,穿出RPV的中子和γ射線可經(jīng)由通風(fēng)和泄壓通道形成堆腔輻射漏束,泄漏至上部堆腔和下部堆腔相關(guān)區(qū)域,再經(jīng)由結(jié)構(gòu)間隙以及人員通道等到達(dá)反應(yīng)堆廠房各相關(guān)區(qū)域,形成對(duì)應(yīng)的中子及γ射線輻射場(chǎng)。由堆腔輻射漏束所形成的輻射場(chǎng),一方面會(huì)限制正常運(yùn)行和停堆后工作人員進(jìn)入,以及增加設(shè)備壽期內(nèi)的受照劑量,另一方面會(huì)導(dǎo)致周圍設(shè)備和結(jié)構(gòu)材料被中子活化,進(jìn)而限制設(shè)備維護(hù)和增加放射性廢物量。因此,通過(guò)合理的堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計(jì),控制堆腔輻射漏束導(dǎo)致的輻射場(chǎng)至合理可接受水平十分重要。

與傳統(tǒng)的二代核電廠相比,三代非能動(dòng)壓水堆核電廠CAP1400的反應(yīng)堆廠房空間布置更加緊湊,這加大了堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計(jì)難度。同時(shí),為降低設(shè)備輻照鑒定代價(jià)、控制設(shè)備材料活化水平、降低集體劑量并提高人員可達(dá)性,CAP1400核電廠對(duì)功率運(yùn)行期間反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的維修平臺(tái)、運(yùn)行平臺(tái)等區(qū)域的輻射劑量水平控制在1 mSv/h以內(nèi),相比而言傳統(tǒng)二代電廠的輻射劑量率水平(例如秦山第一核電廠達(dá)到10 mSv/h)要求更加嚴(yán)格。因此,CAP1400核電廠通過(guò)設(shè)計(jì)研究,在近RPV區(qū)域關(guān)鍵的輻射漏束通道處設(shè)置堆腔輻射漏束屏蔽體達(dá)到控制輻射源頭的效果,優(yōu)化整體屏蔽設(shè)計(jì)。

近RPV區(qū)域屏蔽設(shè)計(jì),其所處位置一般是冷卻通風(fēng)通道、事故泄壓通道及RPV保溫層等多功能交匯區(qū),且該區(qū)域環(huán)境條件(強(qiáng)輻照、高溫等)惡劣,屬于多專業(yè)高難度綜合性設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)過(guò)程中需兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)確保各功能需求,使輻射場(chǎng)可合理達(dá)到的盡量低,是典型的輻射防護(hù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。

本文開展CAP1400核電廠堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化研究,介紹CAP1400反應(yīng)堆堆腔特點(diǎn)和屏蔽設(shè)計(jì)及分析方法,介紹CAP1400堆腔屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化方案,并對(duì)結(jié)論進(jìn)行分析和說(shuō)明。

1 CAP1400堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計(jì)的必要性

1.1 CAP1400堆腔特點(diǎn)

CAP1400是自主研發(fā)的第三代非能動(dòng)先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組,為兩環(huán)路設(shè)置,熱功率為4 040 MW,反應(yīng)堆廠房采用雙層安全殼,內(nèi)層為鋼制安全殼,外層為混凝土安全殼。CAP1400采用模塊化設(shè)計(jì)和施工技術(shù),提高施工建造速度;CAP1400反應(yīng)堆廠房采用緊湊式設(shè)計(jì)和布置理念,以降低建造成本。因此,CAP1400堆腔相關(guān)區(qū)域的布置相對(duì)較為緊湊。

1.2 CAP1400堆腔屏蔽設(shè)計(jì)的重要性

根據(jù)CAP1400設(shè)計(jì)特點(diǎn),若在堆腔中不設(shè)置中子屏蔽組件,反應(yīng)堆廠房中子劑量率、光子劑量率和總劑量率水平的分布如圖1所示。由圖1可知,在未設(shè)置中子屏蔽組件情況下,反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的操作平臺(tái)有大部分區(qū)域的劑量率水平在1.0 mSv/h以上,部分區(qū)域甚至在10 mSv/h以上。即使在遠(yuǎn)離堆芯的操作平臺(tái)區(qū)域,其中子劑量率的貢獻(xiàn)仍然十分明顯,這導(dǎo)致相關(guān)區(qū)域的活化水平不可忽略,不利于正常運(yùn)行人員進(jìn)入和設(shè)備耐輻照控制,以及停堆后該區(qū)域的輻射水平控制。

對(duì)于劑量率水平在1.0～10 mSv/h區(qū)域,根據(jù)CAP1400設(shè)計(jì)要求,相關(guān)區(qū)域需張貼“注意-高輻射區(qū)”或“危險(xiǎn)-高輻射區(qū)”的標(biāo)志,且應(yīng)該鎖住大門或使用其他適合的方式控制或監(jiān)督人員進(jìn)入。同時(shí),該輻射水平下區(qū)域停留時(shí)間是非常有限的,進(jìn)入前需要預(yù)先監(jiān)測(cè)其輻射水平以確定安全允許的停留時(shí)間。

因此,CAP1400電廠在堆腔中進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì),通過(guò)設(shè)置中子屏蔽組件降低操作平臺(tái)在功率運(yùn)行時(shí)的輻射水平。一方面能夠增加人員進(jìn)出的便利性,并降低停堆后相關(guān)區(qū)域的輻射水平,另一方面能夠使相關(guān)區(qū)域的設(shè)備輻射環(huán)境條件大為改善,有利于核電廠先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性的提升。

圖1 中子、光子及總劑量率分布(未設(shè)置堆腔屏蔽)Fig.1 The distribution of neutron,photon and total dose rate (without neutron shielding modules)

2 CAP1400堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計(jì)

2.1 CAP1400堆腔屏蔽設(shè)計(jì)方案介紹

CAP1400核電廠堆腔輻射漏束有三個(gè)主要途徑,分別為:

(1)從RPV底部堆腔與反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱(RCDT)的通道,進(jìn)入RCDT隔間,再經(jīng)過(guò)垂直通道進(jìn)入維修平臺(tái)和操作平臺(tái);

(2)從RPV支座處堆腔經(jīng)主管道貫穿件進(jìn)入蒸汽發(fā)生器隔間,之后經(jīng)蒸汽發(fā)生器隔間頂部或垂直通道進(jìn)入維修平臺(tái)和操作平臺(tái);

(3)從RPV支座處堆腔通過(guò)換料腔底部密封圈,進(jìn)入換料腔,并最終進(jìn)入操作平臺(tái)。

為有效降低堆腔輻射漏束對(duì)CAP1400核電廠反應(yīng)堆廠房輻射場(chǎng)的影響,根據(jù)對(duì)堆腔輻射漏束特點(diǎn)和途徑,結(jié)合源頭控制理念,在近RPV區(qū)域關(guān)鍵的輻射漏束通道處設(shè)置了三處中子屏蔽組件(含硼材料),具體如圖2所示。

(1)上部中子屏蔽組件:靠近RPV頂封頭附近。

(2)中部中子屏蔽組件:位于主管道下方RPV與一次屏蔽墻之間堆腔。

(3)下部中子屏蔽組件:靠近RPV底封頭,位于RPV與一次屏蔽墻之間堆腔。

2.2 屏蔽設(shè)計(jì)方法

2.2.1 設(shè)計(jì)過(guò)程考慮

根據(jù)CAP1400堆腔中子屏蔽組件設(shè)置需求可知,在設(shè)置中子屏蔽組件的最佳位置,需要綜合考慮各方設(shè)計(jì)需求。在近RPV區(qū)域設(shè)置的中子屏蔽組件,在區(qū)域上與RPV保溫層重疊,尤其是中部和下部中子屏蔽組件,并且還需要考慮事故和通風(fēng)冷卻通道需求,其中靠近RPV側(cè)為熔融物堆內(nèi)滯留(IVR)流道,另外一側(cè)為安全殼再循環(huán)冷卻系統(tǒng)(VCS)冷卻通風(fēng)流道。同時(shí),考慮到此處嚴(yán)苛的環(huán)境條件,在中子屏蔽材料選材時(shí),除需要考慮中子屏蔽性能外,還要考慮耐輻照、耐高溫、壽期穩(wěn)定等,即在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮屏蔽設(shè)計(jì)、保溫層設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、傳熱分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通風(fēng)設(shè)計(jì)和IVR流道設(shè)計(jì)等聯(lián)合協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。

圖2 CAP1400核電廠堆腔內(nèi)中子屏蔽組件布置示意圖Fig.2 The arrangement schematic of neutron shielding modules in the CAP1400 reactor cavity

CAP1400核電廠堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計(jì)過(guò)程中,全面梳理核電廠壽期內(nèi)不同工況下的設(shè)計(jì)要求,結(jié)合屏蔽材料、屏蔽結(jié)構(gòu)和布置等優(yōu)化組合,通過(guò)隔熱設(shè)計(jì)、開展輻照和老化試驗(yàn)等,在確保中子屏蔽組件在滿足輻射屏蔽設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上,還能確保滿足其他各項(xiàng)工程設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 屏蔽計(jì)算方法介紹

堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計(jì)為復(fù)雜幾何深穿透問(wèn)題,中子注量率從堆芯到操作平臺(tái)等區(qū)域下降了十幾個(gè)量級(jí),具有計(jì)算尺度大和難收斂的特點(diǎn),并且在方案研究階段,需要進(jìn)行多專業(yè)聯(lián)動(dòng)迭代計(jì)算分析,對(duì)計(jì)算效率和時(shí)間提出了較高要求。

在CAP1400堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計(jì)中,采用了高精度的蒙特卡羅方法。蒙特卡羅方法由于其強(qiáng)大的幾何模擬能力和高精度數(shù)據(jù)庫(kù),是國(guó)際公認(rèn)的高精度屏蔽計(jì)算方法。但對(duì)于大尺度深穿透問(wèn)題,蒙特卡羅方法存在難收斂的計(jì)算特點(diǎn),在巨大的計(jì)算機(jī)時(shí)間下往往仍難以獲得可信的計(jì)數(shù)。為了解決MC方法在反應(yīng)堆廠房輻射場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中的深穿透和難收斂問(wèn)題,研發(fā)先進(jìn)的全局減方差方法[2,3],提升計(jì)算精度和效率,從而釋放計(jì)算方法上的保守性。

由上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司研發(fā)的基于三維離散縱標(biāo)的全局減方差方法[4,5],基于離散縱標(biāo)(SN)方法注量率的全局減方差方法利用源偏倚和權(quán)窗技巧能有效提高M(jìn)C計(jì)算深穿透問(wèn)題的計(jì)數(shù)效率,加速計(jì)算收斂。源偏倚可在重要的相空間內(nèi)抽樣產(chǎn)生更多的對(duì)探測(cè)器響應(yīng)貢獻(xiàn)較大的低權(quán)重源粒子。權(quán)窗根據(jù)空間或能量相關(guān)的重要性對(duì)粒子進(jìn)行分裂和輪盤賭,能增加到達(dá)重要相空間的粒子數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)全局分布量的加速。同時(shí),利用MC面源續(xù)算方法和運(yùn)行電廠實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,確保了方法的正確性。如圖3所示為全局減方差計(jì)算流程,主要計(jì)算步驟如下。

(1)建立三維正向SN計(jì)算模型,計(jì)算得到三維多群正向注量率分布。利用正向注量率計(jì)算共軛源強(qiáng)。

(2)建立三維共軛SN計(jì)算模型,計(jì)算得到三維多群共軛注量率分布。共軛計(jì)算源項(xiàng)空間分布在探測(cè)器位置,能譜為響應(yīng)函數(shù)能譜,而且能群與正向相反。

(3)讀取三維多群共軛注量率,根據(jù)共軛注量率計(jì)算源偏倚因子。根據(jù)共軛注量率計(jì)算MC計(jì)算所需的權(quán)窗下限。

(4)基于上述生成的權(quán)窗參數(shù),進(jìn)行MC正向輸運(yùn)計(jì)算。

圖3 全局減方差計(jì)算流程圖Fig.3 The flowchart of the global variance reduction calculation

圖4 CAP1400反應(yīng)堆廠房精細(xì)化模型示意圖Fig.4 The schematic of the fine model for the CAP1400 containment building

基于高分辨率國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的蒙特卡羅程序JMCT-S[6,7]建立的CAP1400反應(yīng)堆廠房輻射場(chǎng)計(jì)算精細(xì)化模型如圖4所示,通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)、模塊、設(shè)備、管道等精細(xì)化模擬,能夠得到高精度輻射場(chǎng),有效釋放由于計(jì)算模型近似帶來(lái)的設(shè)計(jì)保守裕量,確保CAP1400堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計(jì)方案在確保安全性基礎(chǔ)上,能夠有效提升經(jīng)濟(jì)性。

基于CPU主頻2.4 GHz,644核并行計(jì)算,源粒子數(shù)目為5.0×1010個(gè),單次計(jì)算時(shí)間7.8 h,全模型中人員可達(dá)區(qū)域計(jì)算結(jié)果收斂相對(duì)均方差小于0.1的網(wǎng)格份額超過(guò)90%(包括混凝土區(qū)域等人員不可達(dá)區(qū)域計(jì)算結(jié)構(gòu)收斂相對(duì)均方差小于0.1的網(wǎng)格份額超過(guò)66%)。

2.3 屏蔽設(shè)計(jì)結(jié)果評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)CAP1400核電廠堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計(jì)和計(jì)算分析,最終確定了如圖2的堆腔輻射漏束屏蔽方案。

CAP1400核電廠堆腔設(shè)置中子屏蔽組件之后,在正常滿功率運(yùn)行時(shí)由于堆腔輻射漏束導(dǎo)致的反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)各相關(guān)區(qū)域的輻射場(chǎng)如圖5所示。由圖5可知在滿功率運(yùn)行時(shí),CAP1400核電廠反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的操作平臺(tái)及維修平臺(tái)等區(qū)域劑量率水平基本在1.0 mSv/h以下。而由圖1可知,CAP1400核電廠堆腔未設(shè)置中子屏蔽組件時(shí),操作平臺(tái)有大部分區(qū)域劑量率水平基本在1.0 mSv/h以上,部分區(qū)域甚至在10 mSv/h以上。由圖5和圖1對(duì)比分析可知,CAP1400核電廠通過(guò)堆腔設(shè)置中子屏蔽組件,對(duì)正常滿功率運(yùn)行時(shí)上部換料腔區(qū)域、垂直通道區(qū)域、維修平臺(tái)及操作平臺(tái)區(qū)域等輻射水平均有明顯下降,其中由于堆腔輻射漏束導(dǎo)致的輻射水平下降超過(guò)1個(gè)量級(jí),能夠有效保障人員進(jìn)入相關(guān)區(qū)域的控制,降低相關(guān)區(qū)域設(shè)備的輻射環(huán)境條件,減少設(shè)備活化和放射性廢物量,有力提升電廠運(yùn)行和管理便利性和經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)論

在核電廠屏蔽設(shè)計(jì)中實(shí)施輻射防護(hù)最優(yōu)化,是多專業(yè)共同實(shí)施的過(guò)程,本文針對(duì)CAP1400核電廠堆腔屏蔽設(shè)計(jì)開展輻射防護(hù)最優(yōu)化應(yīng)用研究:

圖5 中子、光子及總劑量率分布(設(shè)置堆腔屏蔽)Fig.5 The distribution of neutron,photon and total dose rate(with neutron shielding modules)

(1)介紹了CAP1400機(jī)組堆腔特點(diǎn),并提出堆腔屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化的必要性。

(2)針對(duì)CAP1400堆腔屏蔽設(shè)計(jì),開展了多專業(yè)迭代設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮各相關(guān)專業(yè)需求,尋求最佳設(shè)計(jì)方案,使輻射場(chǎng)可合理達(dá)到的盡量低。

(3)基于蒙特卡羅屏蔽計(jì)算方法,建立CAP1400核電廠反應(yīng)堆廠房精細(xì)化模型,計(jì)算反應(yīng)堆廠房三維輻射場(chǎng),通過(guò)研發(fā)先進(jìn)的減方差方法提高計(jì)算精度和效率,進(jìn)而獲得最佳的設(shè)計(jì)方案,確保了設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。

(4)CAP1400核電廠通過(guò)在堆腔位置,協(xié)調(diào)保溫、IVR流道、通風(fēng)等其他功能需求,通過(guò)三組中子屏蔽組件的設(shè)置,使關(guān)鍵區(qū)域輻射場(chǎng)劑量率水平下降超過(guò)1個(gè)量級(jí),對(duì)電廠工作人員進(jìn)出入受照劑量控制、設(shè)備和重要構(gòu)筑物輻照安全、降低放射性廢物量和集體劑量等均有重要作用。