某研究堆輻射防護最優(yōu)化設(shè)計原則

馮建　張劍巍　曾波　譚晶華　宋良軍　白曉峰　王野

【摘 要】輻射防護最優(yōu)化是輻射防護的基本原則之一。本文對某研究堆考慮的最優(yōu)化設(shè)計原則進行介紹，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)化等多個方面采取措施，確保某研究堆在后續(xù)設(shè)計中有效貫徹輻射防護最優(yōu)化原則。

【關(guān)鍵詞】輻射防護；最優(yōu)化；設(shè)計原則

中圖分類號： TL752 文獻標識碼： A 文章編號： 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

輻射防護的基本原則之一是輻射防護最優(yōu)化，即確保在各種運行狀態(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，輻射防護最優(yōu)化須貫穿核設(shè)施設(shè)計、運行和退役的全過程。

某研究堆在設(shè)計過程中，從多個方面對輻射防護最優(yōu)化設(shè)計的原則加以考慮。本文將對此進行簡要介紹，并初步探討其合理性。

1 源項控制

可有效控制壓水堆輻射源項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)法國壓水堆運行經(jīng)驗，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)計時考慮采取多種措施控制輻射源項。

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)動機構(gòu)、主泵、主冷卻器、容補器、冷卻劑管道等系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計時，考慮對所用鋁材、鈹材、不銹鋼等材料的化學(xué)成分加以嚴格控制，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，這些活化產(chǎn)物對個人劑量的貢獻甚至可高達90%[2]。

2）反應(yīng)堆冷卻劑水質(zhì)控制[3]

某研究堆考慮對反應(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，維持其保護性氧化膜的穩(wěn)定性。

某研究堆將嚴格控制反應(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)，并對凈化流量進行充分考慮。在滿足反應(yīng)堆運行要求的前提下，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，某研究堆還考慮設(shè)置除氣系統(tǒng)，對反應(yīng)堆冷卻劑中的放射性惰性氣體進行連續(xù)去除。

2 輻射防護分區(qū)

2.1 分區(qū)標準

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分區(qū)，以實施差別化的工程和管理措施，這是貫徹輻射防護最優(yōu)化理念的重要設(shè)計內(nèi)容之一。

某研究堆根據(jù)國家相關(guān)標準的要求，結(jié)合工程自身實際情況，將工作場所分為監(jiān)督區(qū)和控制區(qū)。為加強管理，考慮將控制區(qū)進一步劃分為控制Ⅰ區(qū)、控制Ⅱ區(qū)、控制Ⅲ區(qū)[4]，具體分區(qū)標準見表1。

通過對不同輻射防護分區(qū)的居留特征進行限制，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 輻射防護分區(qū)標準

2.2 通風(fēng)設(shè)計

某研究堆對工作場所的所有房間和各區(qū)域進行逐一考慮，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、優(yōu)化。

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

2.3 通道設(shè)計

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，進出互不交叉，在出口處進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標時方才允許淋浴洗消，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，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。對于不可避免的人流和物流交叉區(qū)域，在進行放射性物質(zhì)運輸時，實施設(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用。

在廠房布局設(shè)計中，盡量考慮將放射性物項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，其在運行后期輻射水平較高，故考慮將其布置于獨立的設(shè)備間，通過閥門遠傳等措施，在操作間實現(xiàn)工作人員對設(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，對設(shè)備設(shè)計與布置進行合理優(yōu)化。比如，盡量采用電動閥代替氣動閥，以降低檢修頻率；高輻射區(qū)域的部分閥門具備遠程操作功能以及部分儀表具備數(shù)據(jù)遠傳功能，降低人員現(xiàn)場檢修、監(jiān)測等作業(yè)需求；對于部分安裝位置較高的設(shè)備，設(shè)計固定的鋼平臺，避免臨時搭建作業(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)，對于易形成沉積的部件，在設(shè)計和安裝時預(yù)留搭建臨時屏蔽所需的空間；設(shè)備布置時保證充足的維修空間，對于空間不足的設(shè)備，設(shè)計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)移至開闊處進行維修等。

5 結(jié)束語

某研究堆在設(shè)計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)化等方式實施輻射防護最優(yōu)化，可有效降低輻射風(fēng)險，保障人員和環(huán)境安全。

【參考文獻】

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

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

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

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