郭雨非,章航洲,劉水清,劉艷芳,吳 耀,王 力,肖 峰
(1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院,成都 610005;2.四川省退役治理工程實(shí)驗(yàn)室,成都 610005)
在核電廠退役過程中,退役現(xiàn)場(chǎng)的放射性源項(xiàng)給人員防護(hù)和環(huán)境保護(hù)帶來了難題,同時(shí)在強(qiáng)放射性水平的退役作業(yè)環(huán)境下,需對(duì)退役裝備的耐輻照性能進(jìn)行特殊的考慮。因此,退役現(xiàn)場(chǎng)的輻射場(chǎng)水平是影響退役策略、退役工藝決策的重要因素之一,同時(shí)也是開展輻射防護(hù)活動(dòng)的主要依據(jù)之一[1-2]。確定輻射場(chǎng)水平有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和理論計(jì)算兩種手段,但現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量給出的是退役作業(yè)特定狀態(tài)下的測(cè)量結(jié)果,由于部分現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)的不可達(dá)性,造成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量存在較大局限性,而且強(qiáng)輻射場(chǎng)給工作人員造成很大輻射風(fēng)險(xiǎn);而理論計(jì)算可以預(yù)測(cè)不同退役工況下的輻射場(chǎng),還能給出全空間各點(diǎn)的輻射水平,解決了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的時(shí)空局限問題,所以輻射場(chǎng)計(jì)算是確定輻射場(chǎng)水平的重要方法[3-4]。
在核電廠退役現(xiàn)場(chǎng)中,既存在幾何簡(jiǎn)單的區(qū)域也存在幾何復(fù)雜的區(qū)域,如結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的管道和結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜的壓力容器內(nèi)部;同時(shí),退役過程中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)量、位置、放射性源項(xiàng)等都在不斷變化,導(dǎo)致輻射場(chǎng)也在不斷變化,因此需快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出輻射場(chǎng)[5-6]。而輻射場(chǎng)計(jì)算有三種基本方法:(1)離散縱標(biāo)法:適用于求解幾何簡(jiǎn)單的、三維可轉(zhuǎn)化為一維或二維幾何的問題;(2)點(diǎn)核積分法:半經(jīng)驗(yàn)方法,計(jì)算速度快,但求解復(fù)雜幾何問題時(shí)計(jì)算結(jié)果一般比真實(shí)值大1~2個(gè)數(shù)量級(jí);(3)蒙特卡羅方法:概率論方法,計(jì)算時(shí)間長(zhǎng),適用于求解幾何復(fù)雜的、沒有厚屏蔽的問題。綜上,三種基本方法各有優(yōu)勢(shì)和不足,單獨(dú)使用無法滿足快速、準(zhǔn)確的計(jì)算要求。因此本文將分別適用于復(fù)雜幾何和簡(jiǎn)單幾何的蒙卡和點(diǎn)核積分方法耦合起來,形成蒙卡-點(diǎn)核積分耦合方法,并將其應(yīng)用于秦山一期的退役輻射場(chǎng)計(jì)算。
蒙卡-點(diǎn)核積分耦合方法的基本思想是:在幾何復(fù)雜的區(qū)域使用蒙特卡羅方法求解,在幾何簡(jiǎn)單的區(qū)域使用點(diǎn)核積分法求解,在耦合面上進(jìn)行粒子參數(shù)的轉(zhuǎn)換?;诖耍瑢⒑穗姀S退役現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)的設(shè)備分為源項(xiàng)設(shè)備和屏蔽設(shè)備:源項(xiàng)設(shè)備是具有放射性源項(xiàng)的設(shè)備,如壓力容器、堆內(nèi)構(gòu)件等;屏蔽設(shè)備是含有的放射性源項(xiàng)可以忽略的設(shè)備,可認(rèn)為其僅具有屏蔽作用,如工藝房間墻體。設(shè)置一個(gè)包絡(luò)面將所有源項(xiàng)設(shè)備包絡(luò)起來,同時(shí)該包絡(luò)面不會(huì)包絡(luò)屏蔽設(shè)備或與屏蔽設(shè)備相交,如圖1所示。該包絡(luò)面即可作為耦合計(jì)算的耦合面,其內(nèi)部即為蒙卡計(jì)算區(qū)域,外部即為點(diǎn)核計(jì)算區(qū)域。
圖1 核電廠退役現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算區(qū)域劃分Fig.1 Decommissioning site division for nuclear power plants
認(rèn)為蒙卡區(qū)域是純發(fā)射體,使用Boltzmann方程[7]可得:
(1)
可以看出,耦合面外表面的γ光子流量率即點(diǎn)核區(qū)域的面源源項(xiàng)。由此可得耦合面上粒子參數(shù)的轉(zhuǎn)換過程:
(1)首先對(duì)耦合面的外表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到離散面源;
(2)用蒙卡方法計(jì)算得到通過各個(gè)面源的γ光子流量率;
(3)再將每個(gè)面源等效轉(zhuǎn)換為一個(gè)點(diǎn)源,其光子向耦合面外發(fā)射,放射性均勻分布于朝耦合面外的2π角范圍內(nèi),其每秒發(fā)射的γ光子數(shù)等于該面源光子流量率、出射光子的能譜與從該面源出射光子一致、位置位于該面源中心,該點(diǎn)源即可作為點(diǎn)核積分計(jì)算的輸入源項(xiàng),如圖2所示;
圖2 耦合面面源轉(zhuǎn)換為點(diǎn)源示意圖Fig.2 The diagram for the coupling surface from surface sources to points sources
(4)用式(2)所示的點(diǎn)核積分公式[8]計(jì)算得到點(diǎn)源對(duì)空間各點(diǎn)的劑量率貢獻(xiàn);
(5)最后對(duì)所有點(diǎn)源的劑量率貢獻(xiàn)求和,即可得到空間各點(diǎn)的劑量率。
(2)
針對(duì)蒙卡方法選用MCNP5程序及基于ENDF/B-Ⅵ的連續(xù)能量截面數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行。MCNP5是美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的多功能通用蒙卡計(jì)算軟件,由FORTRAN語言編制;使用了組合幾何技術(shù),可以使用一次、二次甚至四次曲面來描述三維幾何結(jié)構(gòu),具有較強(qiáng)的幾何通用性;提供了點(diǎn)源、面源和體源等多種源分布及相關(guān)參數(shù),用戶可靈活定義;提供了γ光子的6種基本計(jì)數(shù),并留有修改計(jì)數(shù)的接口,可以滿足用戶的各種計(jì)數(shù)需求;減方差技巧比較齊全,用戶界面也相對(duì)友好,是目前使用較為廣泛的蒙卡計(jì)算程序。
針對(duì)點(diǎn)核積分法選用QAD-CG程序進(jìn)行。QAD-CG程序由美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā),使用數(shù)值積分方法來求解點(diǎn)核積分式。與MCNP5一樣,QAD-CG也采用了組合幾何技術(shù),帶有9種基本體元素,大大減少了輸入幾何模型所需的時(shí)間。
基于C#語言和窗體應(yīng)用程序的形式,開發(fā)了蒙卡-點(diǎn)核積分耦合計(jì)算程序。可以根據(jù)用戶輸入,建立退役現(xiàn)場(chǎng)的輻射場(chǎng)計(jì)算幾何模型;實(shí)現(xiàn)了對(duì)耦合面的選取,并通過調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)耦合面進(jìn)行網(wǎng)格劃分;并將MCNP5和QAD-CG耦合了起來,實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞。
2.1.1單體源計(jì)算模型建立
首先建立一個(gè)單體源的計(jì)算模型對(duì)耦合計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證。如圖3所示,單體源材料為波特蘭水泥的圓柱形水泥固化,每秒發(fā)射1.0×106個(gè)γ光子、放射性均勻分布、能量1.33 MeV,體源位于一個(gè)屏蔽房間中;圓柱體源的底面中心坐標(biāo)為(0,0,0),半徑150 cm,高200 cm;房間邊界x=(-800~1 000)cm,y=(-800~800)cm,z=(0~300)cm;屏蔽墻位于x=(480~500)cm處,材料為普通混凝土。
圖3 單體源計(jì)算模型Fig.3 The single source calculation model
2.1.2計(jì)算結(jié)果分析
在屏蔽墻外選取10個(gè)計(jì)算點(diǎn),用耦合方法、蒙卡方法和點(diǎn)核方法分別進(jìn)行計(jì)算,三種方法的計(jì)算結(jié)果及相對(duì)偏差列于表1。進(jìn)行耦合計(jì)算時(shí),耦合面設(shè)置為底面中心坐標(biāo)(0,0,0)、半徑150 cm、高200 cm的圓柱體。
表1 單體源模型下耦合方法和單一方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of calculation results of the coupling method and the single methods in the single source model
從表1 可以看出,對(duì)于選取的計(jì)算點(diǎn),點(diǎn)核方法和蒙卡方法的計(jì)算結(jié)果較接近,相對(duì)偏差小于10%;耦合方法和蒙卡方法的計(jì)算結(jié)果也較接近,相對(duì)偏差也小于10%。這是由于單體源計(jì)算模型的幾何簡(jiǎn)單、點(diǎn)核積分法適用造成的;受此影響,耦合計(jì)算結(jié)果也很接近蒙卡計(jì)算結(jié)果。同時(shí)可以注意到,對(duì)于選取的計(jì)算點(diǎn),點(diǎn)核方法的計(jì)算結(jié)果均大于蒙卡方法的計(jì)算結(jié)果,這是因?yàn)辄c(diǎn)核積分使用的積累因子B是基于γ射線在無限均勻介質(zhì)中的輸運(yùn)結(jié)果進(jìn)行擬合得到的[9],而實(shí)際上屏蔽體是有限體積的,在邊界面上γ射線會(huì)發(fā)生反射,造成參考點(diǎn)處的實(shí)際劑量率較點(diǎn)核積分計(jì)算值偏??;屏蔽體厚度越大,輸運(yùn)至邊界面的光子能量越小,反射越嚴(yán)重,點(diǎn)核積分法的計(jì)算偏差也就越大[10]。
在計(jì)算時(shí)間方面,在雙核CPU、單核頻率3.7 GHz、內(nèi)存4 GB的個(gè)人計(jì)算機(jī)上,蒙卡方法用3 h得到了計(jì)算結(jié)果,統(tǒng)計(jì)誤差均小于5%;而耦合方法用30 min完成了蒙卡部分的計(jì)算,統(tǒng)計(jì)誤差小于1.5%,又用約10 min進(jìn)行了點(diǎn)核部分的計(jì)算,計(jì)算速度提高了3.5倍。
綜上,在單體源模型下,耦合方法相比于點(diǎn)核方法計(jì)算準(zhǔn)確度沒有太大優(yōu)勢(shì),但相比于蒙卡方法具有計(jì)算時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。
2.2.1多體源計(jì)算模型建立
在單體源模型的基礎(chǔ)上增加一個(gè)圓柱體源,形成多體源計(jì)算模型,如圖4 所示。增加的圓柱體源能量也為1.33 MeV,每秒發(fā)射1.0×106個(gè)γ光子,放射性均勻分布,材料也為波特蘭水泥,底面中心坐標(biāo)(-400,400,0),半徑150 cm,高200 cm。
圖4 多體源計(jì)算模型Fig.4 The multi-body source calculation model
2.2.2計(jì)算結(jié)果分析
計(jì)算點(diǎn)選取與單體源模型一致。由于QAD-CG程序無法計(jì)算多體源問題,因此本節(jié)僅用耦合方法和蒙卡方法進(jìn)行計(jì)算,兩種方法的計(jì)算結(jié)果及相對(duì)偏差列于表2。進(jìn)行耦合計(jì)算時(shí),耦合面設(shè)置為底面中心坐標(biāo)(-200,200,0)、半徑440 cm、高200 cm的圓柱體。
表2 多體源模型下耦合方法和蒙卡方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of calculation results of the coupling method and the MC method in the multi-body source model
從表2可以看出,對(duì)于選取的計(jì)算點(diǎn),耦合方法的計(jì)算結(jié)果與蒙卡方法相比最大可相差約36.46%,較單體源模型中的相對(duì)偏差明顯增大。這是因?yàn)樵趯Ⅰ詈厦骐x散面源轉(zhuǎn)換為點(diǎn)源的過程中(如圖2所示),實(shí)際通過耦合面的光子的出射方向是各向異性的,但對(duì)γ光子運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換僅考慮了相對(duì)耦合面向外,在點(diǎn)源發(fā)射光子的2π角范圍內(nèi),光子出射方向是各向同性的,這樣轉(zhuǎn)換的等效性是不足的。在單體源模型中,耦合面即體源的外表面,造成耦合面上光子運(yùn)動(dòng)方向接近各向同性分布,因此單體源模型下耦合方法具有很高的計(jì)算準(zhǔn)確度。但在多體源模型中,由于兩個(gè)體源的互相屏蔽作用,輸運(yùn)到耦合面的γ光子的運(yùn)動(dòng)方向具有很大的各向異性,所以多體源模型下耦合方法的計(jì)算準(zhǔn)確度有所降低。這個(gè)問題將在后續(xù)的研究中開展進(jìn)一步的分析并加以改進(jìn)。
在計(jì)算時(shí)間方面,與單體源模型相同的機(jī)器條件下,蒙卡方法用5小時(shí)得到了計(jì)算結(jié)果,統(tǒng)計(jì)誤差均小于5%;而耦合方法用40 min完成了蒙卡部分的計(jì)算,統(tǒng)計(jì)誤差小于1.5%,又用約22 min進(jìn)行了點(diǎn)核部分的計(jì)算,計(jì)算時(shí)間僅為蒙卡方法的1/5。
因此,對(duì)于多體源輻射場(chǎng)計(jì)算問題,耦合方法的計(jì)算速度快,相對(duì)偏差小于1個(gè)數(shù)量級(jí),可以認(rèn)為計(jì)算準(zhǔn)確度較高。
以秦山一期為例,將蒙卡-點(diǎn)核積分耦合方法應(yīng)用于實(shí)際工程。不考慮燃料組件具有的放射性源項(xiàng),對(duì)卸料后的秦山一期堆本體進(jìn)行簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化后的模型如圖5所示,包括壓力容器頂蓋、壓力容器筒體、壓力容器底蓋、各內(nèi)部構(gòu)件等17個(gè)源項(xiàng)設(shè)備,內(nèi)部構(gòu)件從上到下依次為導(dǎo)向筒組件、壓緊支撐結(jié)構(gòu)、吊籃筒體、吊籃圍板、下柵格板組件、防斷組件。緊靠壓力容器設(shè)置一個(gè)半徑190 cm、高1 022 cm的圓柱面作為耦合面,耦合面內(nèi)部是蒙卡計(jì)算區(qū)域,外部是點(diǎn)核積分計(jì)算區(qū)域。輸入源項(xiàng)為2018年大修后的活化源項(xiàng)[11],納入本次計(jì)算的放射性核素主要包括52V、51Cr、54Mn、56Mn、59Fe、58Co、60Co、65Ni等γ射線能量高、分支比高的核素;根據(jù)文獻(xiàn)[11],本計(jì)算模型的放射性主要分布于吊籃圍板,其放射性活度占總放射性活度的90%以上。該計(jì)算在14核CPU、單核頻率2.4 GHz、內(nèi)存64 GB的工作站上進(jìn)行。
在秦山一期計(jì)算模型中選取4個(gè)計(jì)算點(diǎn),如圖5所示。其中,1號(hào)點(diǎn)位于壓力容器最高點(diǎn)上方1 m處;2~4號(hào)點(diǎn)距壓力容器側(cè)面20 cm,點(diǎn)間距為150 cm。耦合方法和蒙卡方法的計(jì)算結(jié)果及相對(duì)偏差列于表3。由表3可以看出,所有計(jì)算點(diǎn)兩種方法的計(jì)算結(jié)果相差不超過一個(gè)數(shù)量級(jí),大部分計(jì)算點(diǎn)相差不超過100%,準(zhǔn)確度符合工程應(yīng)用要求。其中,2號(hào)點(diǎn)和4號(hào)點(diǎn)的相對(duì)偏差和多體源模型下的相對(duì)偏差相當(dāng),這是由于秦山一期模型內(nèi)多個(gè)體源的互相屏蔽作用造成的;但在1號(hào)點(diǎn)處,相對(duì)偏差達(dá)到200%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余3個(gè)點(diǎn),這不僅僅是因?yàn)槟P蛢?nèi)多個(gè)體源的互相屏蔽作用,還因?yàn)?號(hào)點(diǎn)正對(duì)的壓力容器頂蓋具有半球形外形,而1號(hào)點(diǎn)正對(duì)的耦合面又是一個(gè)平面,由于幾何面的變化,輸運(yùn)到上部耦合面的γ光子的運(yùn)動(dòng)方向具有很強(qiáng)的各向異性,所以在1號(hào)點(diǎn)處耦合方法的計(jì)算偏差較大;而3號(hào)點(diǎn)正對(duì)放射性活度占比90%以上的吊籃圍板,由于發(fā)射的γ光子能量高、數(shù)量多,輸運(yùn)至3號(hào)點(diǎn)附近耦合面時(shí),光子運(yùn)動(dòng)方向接近各向同性分布,因此3號(hào)點(diǎn)處耦合方法的計(jì)算準(zhǔn)確度很高。由此可以得出,計(jì)算模型中各體源的互相屏蔽情況、耦合面和模型外表面的契合程度、放射性活度的分布情況,都會(huì)對(duì)耦合方法的計(jì)算準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。
圖5 秦山一期簡(jiǎn)化模型Fig.5 The simplified model of Qinshan Phase I
表3 秦山一期計(jì)算模型下耦合方法和蒙卡方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of calculation results of the coupling method and the MC method in the calculation model of Qinshan Phase Ⅰ
在計(jì)算時(shí)間方面,蒙卡方法的計(jì)算時(shí)間為8小時(shí),統(tǒng)計(jì)誤差小于5%;而耦合方法用2小時(shí)完成了蒙卡部分的計(jì)算,又用約5分鐘完成了點(diǎn)核部分的計(jì)算,計(jì)算速度提高了約3倍。
綜上,蒙卡-點(diǎn)核積分耦合方法的計(jì)算準(zhǔn)確度和速度均滿足要求,可以解決核電廠退役輻射場(chǎng)計(jì)算中的幾何、更新問題。
本文從核電廠退役對(duì)輻射場(chǎng)計(jì)算速度和準(zhǔn)確度的要求出發(fā),結(jié)合核電廠退役現(xiàn)場(chǎng)的空間特點(diǎn),提出了蒙卡-點(diǎn)核積分耦合方法。首先用耦合方法和單一方法分別計(jì)算了單體源模型的三維輻射場(chǎng),結(jié)果表明耦合方法對(duì)于單體源模型在計(jì)算準(zhǔn)確度上沒有明顯優(yōu)勢(shì),但計(jì)算速度相比于蒙卡方法卻提高了3.5倍。然后建立了多體源計(jì)算模型,結(jié)果表明耦合方法結(jié)合了蒙卡和點(diǎn)核積分兩者的優(yōu)點(diǎn),計(jì)算準(zhǔn)確度較高,同時(shí)計(jì)算時(shí)間短,可以應(yīng)用于多體源問題的輻射場(chǎng)計(jì)算。但發(fā)現(xiàn)多體源模型的計(jì)算結(jié)果偏差高于單體源模型結(jié)果偏差,還發(fā)現(xiàn)了耦合方法對(duì)光子運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換不夠等效的問題。
針對(duì)秦山一期的堆本體建立了簡(jiǎn)化模型,并用耦合方法和蒙卡方法分別進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果相差不超過1個(gè)數(shù)量級(jí),滿足工程應(yīng)用要求,但在不同點(diǎn)位處相差較大,相對(duì)偏差最小為1.25%,最大可達(dá)202.74%,進(jìn)一步分析得出,造成該現(xiàn)象的因素包括計(jì)算模型中各體源的互相屏蔽情況、耦合面和模型外表面的契合程度以及放射性活度的分布情況。因此,雖然耦合方法對(duì)核電廠退役輻射場(chǎng)計(jì)算上的適用性得到了驗(yàn)證,但后續(xù)還需要對(duì)光子運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換方法、耦合面選取方法進(jìn)行研究和改進(jìn),以便基于耦合計(jì)算程序開發(fā)核電廠退役仿真系統(tǒng)中的輻射場(chǎng)計(jì)算模塊,為退役方案研究提供計(jì)算分析手段。