某研究堆輻射防護(hù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

馮建　張劍巍　曾波　譚晶華　宋良軍　白曉峰　王野

【摘 要】輻射防護(hù)最優(yōu)化是輻射防護(hù)的基本原則之一。本文對(duì)某研究堆考慮的最優(yōu)化設(shè)計(jì)原則進(jìn)行介紹，從材料選擇、水質(zhì)控制、分區(qū)限制、合理布局、設(shè)備可靠及可維修、管理優(yōu)化等多個(gè)方面采取措施，確保某研究堆在后續(xù)設(shè)計(jì)中有效貫徹輻射防護(hù)最優(yōu)化原則。

【關(guān)鍵詞】輻射防護(hù)；最優(yōu)化；設(shè)計(jì)原則

中圖分類號(hào)： TL752 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）08-0273-002

Optimization Design Principles of Radiation Protection in a Certain Research Reactor

FENG Jian ZHANG Jian-wei ZENG Bo TAN Jing-hua SONG Liang-jun BAI Xiao-feng WANG Ye

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu 610213，China）

【Abstract】The optimization of radiation protection is one of the basic principles of radiation protection.This paper introduces the optimization design principles of radiation protection in a certain research reactor，from various aspects including material selection，liquid quality control，radiological zoning，reasonable layout，reliable equipment and management optimization，which can ensure the effective implementation of radiation protection optimization principles in the following reactor design.

【Key words】Radiation protection；Optimization；Design principles

0 引言

輻射防護(hù)的基本原則之一是輻射防護(hù)最優(yōu)化，即確保在各種運(yùn)行狀態(tài)下，工作人員及公眾的所有輻射照射劑量保持在規(guī)定限值內(nèi)并合理可行盡量低。根據(jù)國家相關(guān)法規(guī)和導(dǎo)則的要求，輻射防護(hù)最優(yōu)化須貫穿核設(shè)施設(shè)計(jì)、運(yùn)行和退役的全過程。

某研究堆在設(shè)計(jì)過程中，從多個(gè)方面對(duì)輻射防護(hù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則加以考慮。本文將對(duì)此進(jìn)行簡要介紹，并初步探討其合理性。

1 源項(xiàng)控制

可有效控制壓水堆輻射源項(xiàng)的措施主要是控制反應(yīng)堆冷卻劑中腐蝕產(chǎn)物、活化產(chǎn)物的產(chǎn)生。根據(jù)法國壓水堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，90%以上的集體劑量來自于腐蝕產(chǎn)物和活化產(chǎn)物[1]。因此，某研究堆在設(shè)計(jì)時(shí)考慮采取多種措施控制輻射源項(xiàng)。

1）材料選用

某研究堆在堆芯組件、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、主泵、主冷卻器、容補(bǔ)器、冷卻劑管道等系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，考慮對(duì)所用鋁材、鈹材、不銹鋼等材料的化學(xué)成分加以嚴(yán)格控制，特別是Co、Ag、Sb、Cu等雜質(zhì)的含量。比如，所用T6060Al合金中Co含量限制在不超過0.001%，其余材料Co含量限制在不超過0.05%；Be材中Ag含量限制在不超過5μg/g；堆內(nèi)構(gòu)件鎳基合金棒材中Sb含量限制在0.0025%；主泵材料中Cu含量限制在不超過1.0%。

通過嚴(yán)格控制材料中化學(xué)成分的方式，可有效降低Co-60、Sb-122、Ag-110等活化產(chǎn)物的產(chǎn)生。而根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，這些活化產(chǎn)物對(duì)個(gè)人劑量的貢獻(xiàn)甚至可高達(dá)90%[2]。

2）反應(yīng)堆冷卻劑水質(zhì)控制[3]

某研究堆考慮對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑水質(zhì)提出明確要求，以減少反應(yīng)堆燃料元件、結(jié)構(gòu)材料以及傳熱設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢。

反應(yīng)堆冷卻劑的pH值是影響材料腐蝕的重要因素。某研究堆考慮將反應(yīng)堆冷卻劑pH值（25℃）嚴(yán)格控制在5.5～6.5，有利于降低燃料包殼材料鋁合金的腐蝕速率，維持其保護(hù)性氧化膜的穩(wěn)定性。

某研究堆將嚴(yán)格控制反應(yīng)堆冷卻劑中雜質(zhì)離子的濃度，將氯離子、氟離子、硫酸根離子濃度限制在不超過0.1mg/kg，將銅離子、鉛離子濃度限制在不超過0.01mg/kg，可有效降低鋁合金的點(diǎn)腐蝕以及不銹鋼應(yīng)力腐蝕。

某研究堆考慮將懸浮物濃度限制在不超過1.0mg/kg，可有效減少活化腐蝕產(chǎn)物在燃料包殼表面的沉積以及反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的放射性累積。

3）凈化

凈化是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆冷卻劑pH值控制以及有害離子、雜質(zhì)去除的重要措施。某研究堆設(shè)置凈化系統(tǒng)，并對(duì)凈化流量進(jìn)行充分考慮。在滿足反應(yīng)堆運(yùn)行要求的前提下，盡可能選取較大的凈化流量，以保證反應(yīng)堆冷卻劑水質(zhì)更優(yōu)。同時(shí)，某研究堆還考慮設(shè)置除氣系統(tǒng)，對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑中的放射性惰性氣體進(jìn)行連續(xù)去除。

2 輻射防護(hù)分區(qū)

2.1 分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

在主導(dǎo)及潛在情況下，工作場所的輻射水平和污染水平在各區(qū)域之間是有差別的。根據(jù)這種差別，劃分出不同的輻射防護(hù)分區(qū)，以實(shí)施差別化的工程和管理措施，這是貫徹輻射防護(hù)最優(yōu)化理念的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。

某研究堆根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合工程自身實(shí)際情況，將工作場所分為監(jiān)督區(qū)和控制區(qū)。為加強(qiáng)管理，考慮將控制區(qū)進(jìn)一步劃分為控制Ⅰ區(qū)、控制Ⅱ區(qū)、控制Ⅲ區(qū)[4]，具體分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

通過對(duì)不同輻射防護(hù)分區(qū)的居留特征進(jìn)行限制，可有效保證工作人員的職業(yè)照射劑量水平在安全可控范圍內(nèi)。

表1 輻射防護(hù)分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 通風(fēng)設(shè)計(jì)

某研究堆對(duì)工作場所的所有房間和各區(qū)域進(jìn)行逐一考慮，根據(jù)其可能的污染水平大小確定適宜的換氣次數(shù)。在保證空氣污染水平滿足相關(guān)要求的前提下，換氣次數(shù)盡量經(jīng)濟(jì)、優(yōu)化。

對(duì)于不同的輻射分區(qū)，設(shè)定不同的負(fù)壓值。在保證氣流由低污染區(qū)域向高污染區(qū)域流動(dòng)的同時(shí)，盡量選定較低的負(fù)壓值，可有效降低通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備、材料的用量及費(fèi)用。因此，某研究堆考慮控制Ⅰ區(qū)負(fù)壓保持在（-30～-50）Pa，控制Ⅱ區(qū)負(fù)壓保持在（-50～-100）Pa，控制Ⅲ區(qū)負(fù)壓保持在（-150～-450）Pa[4]。

2.3 通道設(shè)計(jì)

某研究堆考慮在監(jiān)督區(qū)和控制區(qū)之間設(shè)置衛(wèi)生通道，進(jìn)出互不交叉，在出口處進(jìn)行人體表面沾污測量。與部分在用研究堆不同的是，某研究堆擬限定，離開衛(wèi)生通道的工作人員只有在表面沾污測量不達(dá)標(biāo)時(shí)方才允許淋浴洗消，以減少洗消廢水產(chǎn)生量和處理量，滿足廢物最小化原則。

在平面圖布置階段，某研究堆需從多角度考慮通道設(shè)計(jì)的合理性，經(jīng)多方案比較后選定最優(yōu)的通道布局，最大限度地保證通道盡量短，避免不必要的迂回曲折。同時(shí)，將人流、物流通道盡量分開，避免工作人員受到不必要的照射。對(duì)于不可避免的人流和物流交叉區(qū)域，在進(jìn)行放射性物質(zhì)運(yùn)輸時(shí)，實(shí)施設(shè)置警示隔離帶的管理措施，禁止不相關(guān)人員通過該區(qū)域。

3 廠房與布局

某研究堆采用低泄漏率的密閉廠房設(shè)置方案，以控制事故工況下放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放。然而，泄漏率越低，密閉廠房承壓要求越高，這都導(dǎo)致建筑成本極大地提高。因此，在設(shè)計(jì)中經(jīng)反復(fù)比較，選取2.0%/d作為合適的泄漏率數(shù)值，既可確保非居住區(qū)邊界公眾照射劑量滿足要求，又可降低工程建造費(fèi)用。

在廠房布局設(shè)計(jì)中，盡量考慮將放射性物項(xiàng)的布置與操作隔離開來。比如，某研究堆反應(yīng)堆冷卻劑的凈化系統(tǒng)使用了離子交換柱等設(shè)備，其在運(yùn)行后期輻射水平較高，故考慮將其布置于獨(dú)立的設(shè)備間，通過閥門遠(yuǎn)傳等措施，在操作間實(shí)現(xiàn)工作人員對(duì)設(shè)備的操作，可大大降低人員的受照劑量。

4 維修優(yōu)化

某研究堆充分考慮后期維修的需求，對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)與布置進(jìn)行合理優(yōu)化。比如，盡量采用電動(dòng)閥代替氣動(dòng)閥，以降低檢修頻率；高輻射區(qū)域的部分閥門具備遠(yuǎn)程操作功能以及部分儀表具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，降低人員現(xiàn)場檢修、監(jiān)測等作業(yè)需求；對(duì)于部分安裝位置較高的設(shè)備，設(shè)計(jì)固定的鋼平臺(tái)，避免臨時(shí)搭建作業(yè)導(dǎo)致人員受到不必要的照射；設(shè)備盡量選用易于去污的材料和結(jié)構(gòu)，對(duì)于易形成沉積的部件，在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)預(yù)留搭建臨時(shí)屏蔽所需的空間；設(shè)備布置時(shí)保證充足的維修空間，對(duì)于空間不足的設(shè)備，設(shè)計(jì)上盡量考慮易于裝拆，并設(shè)置專門的吊具和吊裝孔道，便于后期將其轉(zhuǎn)移至開闊處進(jìn)行維修等。

5 結(jié)束語

某研究堆在設(shè)計(jì)上考慮通過選用高品質(zhì)材料、優(yōu)化水質(zhì)及分區(qū)控制、限制停留時(shí)間、合理布局、提高設(shè)備可靠性及可維修性、管理優(yōu)化等方式實(shí)施輻射防護(hù)最優(yōu)化，可有效降低輻射風(fēng)險(xiǎn)，保障人員和環(huán)境安全。

【參考文獻(xiàn)】

[1]任學(xué)明，等CEPR核電廠輻射防護(hù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].核動(dòng)力工程，2015，36（1）：49-62.

[2]方嵐，等.壓水堆核電站一回路活化腐蝕產(chǎn)物源項(xiàng)控制措施探討[J].輻射防護(hù)，2012，32（1）：008-014.

[3]謝楊.反應(yīng)堆冷卻劑水化學(xué)技術(shù)條件，中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，2013.

[4]胡一非，等.反應(yīng)堆輻射防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，2015.