乏燃料操作大廳的劑量場隨屏蔽水位的變化研究

楊臘臘，劉省勇，楊 煦，高擁軍，陳秋煬，張文利

(1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004； 2.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518124)

壓水堆核電廠乏燃料水池(以下簡稱“乏池”)貯存有大量的乏燃料組件，具有較強(qiáng)的放射性。正常狀況下乏燃料組件上方由滿足設(shè)計(jì)要求的水層覆蓋，可以確保正常運(yùn)行和換料期間乏燃料操作大廳的劑量率滿足電廠的輻射分區(qū)要求，從而確?，F(xiàn)場工作人員的安全。但在乏池完全喪失冷卻能力和補(bǔ)水的事故工況下，乏池水位將不斷降低，乏燃料操作大廳的劑量場也隨之增強(qiáng)，當(dāng)水位降低到某一臨界值時，乏燃料操作大廳的劑量率存在超出輻射分區(qū)限值要求的風(fēng)險(xiǎn)，從而威脅到現(xiàn)場工作人員的安全。

福島核事故后，國家核安全局發(fā)布的《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動通用技術(shù)要求》[1]對各個在建和運(yùn)行壓水堆核電廠乏池關(guān)鍵水位的監(jiān)測提出了新要求，其中包括滿足輻射屏蔽需要的水位。因此，有必要開展事故工況下，乏燃料操作大廳內(nèi)劑量場隨乏池水位變化的研究，并確定乏燃料操作大廳劑量率滿足電廠輻射分區(qū)限值要求所需的最低屏蔽水位，從而為乏池水位監(jiān)測儀表設(shè)置表征乏燃料操作大廳劑量率超限的臨界報(bào)警水位提供依據(jù)。

本文以一典型壓水堆核電廠的乏燃料水池為研究對象，采用QAD-CGGP程序計(jì)算并分析了乏燃料操作大廳內(nèi)的劑量場分布情況、乏池上方劑量率峰值隨屏蔽水層厚度的變化關(guān)系以及滿足電廠輻射分區(qū)要求所需的最低屏蔽水位。本文計(jì)算的是γ劑量率，基于工程經(jīng)驗(yàn)可忽略中子的影響。

1 建立模型

1.1 乏燃料組件結(jié)構(gòu)

本文研究的核電廠乏燃料水池屏蔽設(shè)計(jì)計(jì)算采用18個月?lián)Q料模式下4.45%富集度的17×17 AFA3G型乏燃料組件源項(xiàng)。圖1為單個燃料組件的示意圖，如圖所示組件沿著高度方向分為上端部、活性段和下端部三個部分。其中，上端部的體積為21.4 cm×21.4 cm×35 cm，主要金屬結(jié)構(gòu)包括上管座和彈簧裝置，材料構(gòu)成包括鋯合金、Inconel-718和AISI，除金屬結(jié)構(gòu)外，上端部其它間隙均充滿水；活性段體積為21.4 cm×21.4 cm×366 cm，除了264根外徑為9.5 mm的燃料棒外，其它空隙均充滿水，活性段的成分為二氧化鈾、鋯合金、Inconel-718和水；下端部體積為21.4 cm×21.4 cm×9.4 cm，包括下端塞和下管座等，其結(jié)構(gòu)材料主要是鋯合金、AISI和水。

圖1 燃料組件示意圖Fig.1 Diagram of fuel assembly

1.2 乏燃料水池組件布置方案

乏燃料組件位于乏池中的貯存格架內(nèi)，格架布置如圖2所示。乏燃料組件分兩個區(qū)域存放，I區(qū)格架相對稀疏，相鄰的兩個乏燃料組件的中心距離為280 mm，用于貯存新燃料組件以及未達(dá)到規(guī)定燃耗的乏燃料組件。II區(qū)格架相對密集，相鄰的兩個乏燃料組件的中心距離為240 mm，用于貯存達(dá)到指定燃耗的乏燃料組件。I區(qū)存放了3臺5×6乏燃料貯存格架和8臺6×6乏燃料貯存格架，I區(qū)共計(jì)378個貯存單元。II區(qū)存放了4臺6×9高密乏燃料貯存格架、1臺6×12高密乏燃料貯存格架和6臺10×9高密乏燃料貯存格架，II區(qū)共計(jì)828個貯存單元。

圖2 乏燃料貯存格架布置(俯視圖)Fig.2 Spent fuel storage rack layout (top view)

1.3 計(jì)算模型

基于QAD-CGGP程序的建模原理，并結(jié)合乏池和組件結(jié)構(gòu)、組件在乏池中的布置方案以及不同區(qū)域的材料差異，本文建立的計(jì)算模型如圖3所示。模型中包含組件區(qū)、屏蔽水體、轉(zhuǎn)運(yùn)井閘門、轉(zhuǎn)運(yùn)井空腔、裝載井閘門、裝載井空腔、混凝土墻和乏燃料水池周圍的空氣區(qū)域等。

針對組件區(qū)域，在XY平面上將I區(qū)組件細(xì)分為I1區(qū)、I2區(qū)和I3區(qū)，將II區(qū)組件細(xì)分為II1區(qū)、II2區(qū)和II3區(qū)。同時，基于燃料組件的結(jié)構(gòu)，上述每個組件區(qū)域沿高度Z方向上又分別細(xì)分為上端部、活性段和下端部3個子區(qū)域，詳見圖3(b)。

圖3 計(jì)算模型Fig.3 Computation model

1.4 輸入?yún)?shù)

1.4.1乏燃料組件源項(xiàng)

計(jì)算采用電廠18個月?lián)Q料模式下，4.45%富集度的乏燃料組件冷卻4天(快速卸料的最短時間)的γ源項(xiàng)數(shù)據(jù)。乏池I區(qū)和II區(qū)用于貯存不同燃耗深度的乏燃料組件，其γ源項(xiàng)分別列于表1和表2。

表1 I區(qū)單個乏燃料組件γ源項(xiàng)(冷卻4天后)Tab.1 Gamma source item for a single spent fuelassembly in region I (after cooling 4 Days)

表2 II區(qū)單個乏燃料組件γ源項(xiàng)(冷卻4天后)Tab.2 Gamma source item for a single spent fuelassembly in region II (after cooling 4 Days)

1.4.2屏蔽材料

模型中假設(shè)每個區(qū)域僅采用一種假定材料均勻填充，假定材料中每種元素的密度按照均勻化的方法計(jì)算，即：

ρ=m/V

(1)

式中，ρ為某種元素在指定區(qū)域的元素密度，g/cm3；m為指定區(qū)域內(nèi)對應(yīng)元素的總質(zhì)量， g；V為指定區(qū)域的總體積，cm3。

乏池水面下方空隙部分(不包括組件區(qū)域外)由水填充，乏池四周和底部的墻體由混凝土組成，轉(zhuǎn)運(yùn)井閘門和裝載井閘門為8 mm的不銹鋼板，乏池水面上方、乏池側(cè)墻周圍及裝載井空腔、轉(zhuǎn)運(yùn)井空腔及轉(zhuǎn)運(yùn)通道均由空氣填充。水、混凝土、不銹鋼的元素密度列于表3。

表3 屏蔽材料的元素密度(g/cm3)Tab.3 Element density in shielding materials (g/cm3)

組件區(qū)域定義了12種假定的材料，分別命名為：組件I1、I2和I3區(qū)的上端部、活性段和下端部；組件II區(qū)的上端部、活性段和下端部(II1、II2和II3的材料近似)。表4給出了乏燃料組件各個區(qū)域的元素密度。

表4 乏燃料組件區(qū)域的元素密度(g/cm3)Tab.4 Element density in spent fuel assembly regions (g/cm3)

1.4.3γ射線注量率-劑量率轉(zhuǎn)換因子

γ射線注量率-劑量率轉(zhuǎn)換因子參考《用于光子外照射放射防護(hù)的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)》(GBZ/T 144—2002)[2]選取。計(jì)算中使用的8能群γ射線注量率-劑量率轉(zhuǎn)換因子如圖4所示。

圖4 γ射線注量率-劑量率轉(zhuǎn)換因子Fig.4 Conversion coefficient fromphoton flux to dose rate

1.4.4劑量點(diǎn)選取

參考核電廠乏燃料廠房屏蔽設(shè)計(jì)中乏池水面上方劑量點(diǎn)的選取原則并結(jié)合乏燃料組件在乏池中的布置特點(diǎn)，本文模型中保守選取距離乏池滿水水面上方5 cm平面上的64個點(diǎn)作為劑量點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，劑量點(diǎn)的分布如圖3(a)所示。通過將劑量點(diǎn)的數(shù)量由64個點(diǎn)逐漸加密為187個點(diǎn)的計(jì)算分析表明，上述64個劑量點(diǎn)中的最大劑量率能夠包絡(luò)乏池水面上方的劑量率峰值點(diǎn)。

如圖3(a)所示，XY平面上沿乏燃料水池X軸方向選取8組間隔點(diǎn)，它們分別為位于I3區(qū)中軸線、II2區(qū)中軸線和II3區(qū)中軸線以及上述3組特征間隔點(diǎn)之間的5組間隔點(diǎn)；沿著乏燃料水池Y軸方向選取了8組間隔點(diǎn)，它們分別位于II1區(qū)起始點(diǎn)、I1區(qū)中軸線、I3區(qū)中軸線、偏離I3區(qū)中軸線60 cm、120 cm、180 cm、240 cm的軸線上以及II3區(qū)終點(diǎn)處，上述劑量點(diǎn)覆蓋了乏燃料組件相對密集區(qū)域上方具有代表性的劑量點(diǎn)。此外，因人員操作平臺正對于轉(zhuǎn)運(yùn)井閘門，非換料期間轉(zhuǎn)運(yùn)井閘門處僅由8 mm的鋼板提供屏蔽，操作平臺處的劑量率可能高于乏池水面正上方峰值點(diǎn)的劑量率。因此，模型中還選取了位于轉(zhuǎn)運(yùn)通道邊緣且正對轉(zhuǎn)運(yùn)井閘門+21 m標(biāo)高處的劑量點(diǎn)(位于操作平臺地面上方1 m)進(jìn)行計(jì)算分析，保守考慮模型中忽略平臺附近一些遮擋物的屏蔽作用。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 乏燃料操作大廳劑量場隨水位的變化

核電廠乏燃料操作大廳設(shè)計(jì)為綠區(qū)，綠區(qū)的劑量率上限為25 μSv/h[3]。本文基于綠區(qū)的劑量率上限值，采用逼近的方法計(jì)算了10種不同水位工況下(具體見表5)，乏燃料操作大廳的劑量場的分布情況，并分析了其隨水位的變化規(guī)律，從而確定了乏燃料操作大廳內(nèi)滿足分區(qū)要求所需的最低屏蔽水位。

表5 不同屏蔽水層厚度下乏池上方劑量率峰值和操作平臺處的劑量率Tab.5 Peak dose rate above spent fuel pool anddose rate of operating platform underdifferent water thickness

圖5給出了乏池水位從+19.50 m(滿水水位)降到+15.72 m(劑量率首次超限的水位)的6種水位工況下乏池上方劑量場的分布情況。由圖5可知，事故工況下隨著乏池水位的降低，乏池水面上方的劑量率逐漸升高，但乏池上方劑量場的分布規(guī)律基本一致，且劑量率的峰值點(diǎn)均位于II3區(qū)6臺10×9高密格架的正上方的劑量點(diǎn)處，主要由于該區(qū)域內(nèi)乏燃料組件布置的密度相對較大。乏池水面上方劑量峰值點(diǎn)的劑量率與操作平臺處劑量點(diǎn)的劑量率的計(jì)算結(jié)果列于表5。由表5可知，當(dāng)乏池水位降低到+15.72 m標(biāo)高時，乏池上方的劑量率峰值達(dá)28 μSv/h，超出綠區(qū)的劑量率上限值(25 μSv/h)12%，當(dāng)乏池水位為+15.77 m時，乏池上方的劑量率峰值為22.4 μSv/h，略低于綠區(qū)劑量率上限值，且當(dāng)乏池水位高于+15.77 m時，操作平臺處劑量點(diǎn)的劑量率均滿足綠區(qū)的要求?；谏鲜鲇?jì)算結(jié)果，保守選取+15.77 m標(biāo)高的水位為確保乏燃料操作大廳內(nèi)劑量率不超過綠區(qū)劑量率上限值的最低屏蔽水位。

圖5 不同水位工況下乏池上方劑量率分布Fig.5 Dose rate distribution above spent fuel pool under different water levels conditions

按照《壓水堆核電廠輻射屏蔽設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》NB/T 20194—2012[4]相關(guān)要求，上述劑量率均在QAD-CGGP程序計(jì)算值的基礎(chǔ)上考慮了2倍的安全系數(shù)。

2.2 操作平臺處劑量率隨水層厚度的變化分析

由表5可知，當(dāng)3.786 m≤TW(水層厚度)≤7.736 m時，操作平臺處的劑量率隨水層厚度的變化不明顯，這是由于轉(zhuǎn)運(yùn)井空腔及轉(zhuǎn)運(yùn)通道均由空氣填充，當(dāng)TW≥3.786 m(+15.55 m水位以上)時，越靠近操作平臺劑量點(diǎn)處的乏燃料組件至操作平臺劑量點(diǎn)的路徑中穿過水的部分隨乏池水位的變化程度越小。如圖3(b)所示，當(dāng)TW≥3.786 m(+15.55 m水位以上)時，路徑1中穿過水的部分是不變，當(dāng)水位達(dá)到一定高度時路徑2和路徑3中穿過水的部分才會逐漸有所變化。

2.3 乏池上方劑量率峰值隨水層厚度的變化分析

乏池上方劑量率峰值D隨屏蔽水層厚度TW的變化滿足以下擬合公式：

lnD= -4.3317TW+20.5540，

R2=0.998 98

(2)

當(dāng)3.436 m≤TW≤4.736 m時，擬合值和QAD-CGGP程序的計(jì)算值的偏差小于13.8%?；谏鲜龇治?，在使用程序開展劑量率的精細(xì)計(jì)算之前，可先利用上述擬合公式快速確定最低屏蔽水位的大致范圍，從而可以有效降低搜索乏池上方劑量率超限的臨界報(bào)警水位的計(jì)算量。

3 結(jié)論

本文的主要分析結(jié)論如下：

(1)乏池上方的劑量率隨乏池水位的降低逐漸升高，但乏燃料水池上方劑量場的分布規(guī)律基本一致，且劑量率峰值均位于組件區(qū)II3區(qū)6臺10×9高密格架正上方的劑量點(diǎn)。

(2)確保乏燃料操作大廳內(nèi)的劑量率滿足綠區(qū)劑量率限值要求所需的最低屏蔽水位為+15.77 m，該值可為事故工況下乏池水位測量儀表設(shè)置表征劑量率超限的臨界報(bào)警水位提供依據(jù)。

(3)當(dāng)3.786 m≤TW≤7.736 m時，操作平臺處的劑量率隨水層厚度的變化不明顯。

(4)當(dāng)3.436 m≤TW≤4.736 m時，乏池上方劑量率峰值D的自然對數(shù)與屏蔽水層厚度TW呈近似線性關(guān)系，利用擬合公式可以快速確定最低屏蔽水位的大致范圍，可有效提高計(jì)算效率。