核電廠γ射線屏蔽材料優化及應用分析

楊威 魯栓

中圖分類號：TM623 文獻標識：A 文章編號：1674-1145（2019）3-186-02

摘 要 在核電站運行和停堆檢修期間，使用屏蔽裝置或設備對輻射熱點進行屏蔽是一種常見并且有效的外照射控制手段。針對核電站傳統使用的屏蔽材料存在的不足進行分析，通過對比分析新型屏蔽材料的應用范圍和優缺點，對輻射熱點進行分類并制定對應的屏蔽措施，找出利益-代價的最優方式，為核電站輻射防護屏蔽材料的使用和開發提供參考。

關鍵詞 屏蔽材料 應用 分析

一、前言

對于核電廠而言，為確保工作人員輻射照射盡可能低，通常會采取外照射屏蔽措施，以降低現場γ射線強度對人員的照射，所以價格相對較低、效果尚可的鉛及衍生合金作為屏蔽材料被廣泛應用。由于傳統的鉛屏蔽材料受其材料延展性、單體重量缺陷的制約，對于結構復雜的熱點設備、無支撐熱點管線或狹小空間管線，無法進行快速的屏蔽搭設，且對設備抗震承重產生影響，往往產生代價大于利益的情況。因此，為滿足ALARA原則，降低屏蔽搭設人員受照劑量，需對屏蔽材料性能及特點進行分析，提出優化改進建議。

二、γ射線屏蔽材料應用現狀

福清核電廠運行機組主要放射性系統（RCP、RCV、PTR等）均存在較多熱點或熱點管線，且位于主要人員通道和常規工作場所區域。通常的作法是使用鉛材料進行包裹屏蔽，但目前的鉛屏蔽材料在使用上存在較難包裹、作業人員受照劑量高、屏蔽的安全質量及效果難以保證等缺點，如：

1.采用鐵絲固定時，有塌陷或掉落時損傷人員和設備的風險，采用掛鉤進行懸掛需要有懸掛點。

2.采用傳統鉛皮對管道進行包裹，遇到管道支撐結構限制就無法對該處進行屏蔽，且受制于管道承重、抗震能力無法繼續覆蓋鉛皮，往往造成屏蔽效果無法達到預期。

3.無法完整的貼合熱點設備導致γ射線從屏蔽材料縫隙中泄露，導致屏蔽外輻射水平無法得到有效降低。

4.現場多數豎直管道位置無法直接進行屏蔽，需要人員進行貼身作業進行包裹，屏蔽人員受照劑量較高，且屏蔽材料在自身重力作用下，會逐漸滑動導致屏蔽效果不佳。

因此，需對現有的屏蔽材料進行優化，新型屏蔽材料需要具備更好地可塑性以及屏蔽性能。其至少應具備以下性能特點：

1.比傳統鉛屏蔽材料具有更好地屏蔽效果。

2.比傳統鉛屏蔽材料重量相對比較要更輕。

3.便于裝拆，節約工作時間，減少屏蔽實施人員受照劑量。

4.可塑性強，能滿足現場對規格尺寸所提出的特殊要求。

三、屏蔽材料應用分析

目前，滿足更具可塑性及較好屏蔽性能的γ射線屏蔽材料種類主要有三種，分別為橡膠基柔性屏蔽材料、軟鉛屏蔽材料、鎢柔性屏蔽材料。

（一）橡膠基柔性屏蔽材料

通過密煉（或開煉）工藝，利用合理的多組添加劑改善膠料的理化性能，并用混煉工藝將鉛粉均勻彌撒在丁苯橡膠基體中。橡膠基柔性屏蔽材料中鉛含量能達到75%以上，硬度遠小于傳統鉛材料，拉斷伸長率可達到650%以上，鉛當量可大于0.3mmPb。其產品分類較多，管道包布、膠帶、磁性材料均具備，且柔性材料的可塑性及單位體積的質量低于純鉛產品，且可添加磁鐵材料便于屏蔽的拆裝。其主要特點如下：

1.結構柔軟、化學性能穩定、耐酸堿腐蝕、力學性能和耐輻照老化性能良好。

2.鉛粉彌散包裹在高分子基體材料中，分布較為均勻，不易脫落，能在300度以下的環境溫度中使用。

3.實用性廣泛，既可直接作屏蔽材料使用，也可加工成屏蔽服和特殊屏蔽裝置使用。

4.具有一定的γ射線屏蔽功能。

根據橡膠基屏蔽材料屏蔽性能數據分析，雖其對γ射線的屏蔽效果弱于純鉛產品，但該類型的屏蔽材料可以依據現場熱點類型和設備結構進行定制，可以較好的契合設備表面且便于固定。針對管道、彎管等結構并依托熱點分布情況，可以對設備采用半包或全包方式進行屏蔽。

（二）軟鉛屏蔽材料

軟鉛屏蔽材料實質上仍為以鉛為主要成分的屏蔽材料。其采用獨有的鉛絲加工技術，鉛絲為圓柱形，直徑較小，提高了產品內部結構的連續性和柔韌性，保證產品具有較佳的彎折度，同時包覆面材料可以定制，不易沾附異物且易清潔去污，屏蔽效果可以根據需求進行定制，實現有效鉛厚度3～8mmPb 的變化要求。其較合適構建“平面式”屏蔽。其主要特點如下：

1.純鉛制造，特殊方法加工，結構柔軟，可任意折疊。

2.對γ射線的屏蔽效果較好。

3.有外包裝及安裝掛鉤，便于去污和裝拆。

此類產品近乎純鉛產品，其對γ射線的屏蔽效果較好，對于大面積的熱點或者熱點管道區域配合腳手架或者定制的支架產品使用，具有較好的便捷性和屏蔽效果。

（三）鎢柔性屏蔽材料

在航空和醫療領域，鎢合金作為主要的屏蔽件，已經得到廣泛應用。和傳統鉛屏蔽材料相比，鎢合金的高密度性（17.0-18.5g/cm3），使得鎢合金的屏蔽效果更佳，同時鎢合金材料體積比相同屏蔽效果的鉛小1/3。在氯丁橡膠里混入約10%的金屬粉而形成的無鉛高密度橡膠輻射屏蔽材料，通過加入鎢、鉍、氧化鉍等三種添加料而獲得高密度橡膠，該材料不含鉛、重量較輕，其屏蔽效果優于鉛材料。其主要特點如下：

1.屏蔽性能高，對高能射線的屏蔽性能優于鉛及鉛合金。

2.無毒環保，可循環回收利用。

3.密度可控：可根據使用要求調整材料的密度和屏蔽性能。

4.柔韌性高，加工成型快捷。

核電廠目前已使用鎢柔性屏蔽材料作為外照射防護用品，其制成的鎢衣屏蔽效果遠高于鉛衣；針對鎢柔性屏蔽材料，其屏蔽效果較好且其可塑性和設備的貼合性能遠強于傳統鉛皮。其對小口徑的管道較為實用，大大減輕管道承受的重力，且屏蔽效果優于同等厚度的純鉛制品。

（四）屏蔽材料性能對比分析

通過對同等厚度的屏蔽材料的屏蔽性能進行對比分析（詳見下表），軟鉛屏蔽材料、鎢系柔性屏蔽材料在同等厚度情況下，其減弱效果較為明顯，且鎢系柔性屏蔽材料其重量較輕。

四、輻射場熱點分類及合理屏蔽方式分析

在考慮提升屏蔽效果的同時還需要考慮不同熱點的設備結構和管道布置以及管道的承重能力、屏蔽材料的采購成本。為此針對部分大型熱點設備的屏蔽還需要定制的模型支架進行搭配使用，才可以達到更好的屏蔽效果的同時降低屏蔽搭設的作業時間，以及控制采購成本，從而達到輻射防護最優化的目的。以M310堆型機組為例：

1.永久性熱點設備：如REA011FI PTR005FI，針對過濾器腔室形狀制作鎢屏蔽材料直接進行包裹。

2.豎管：如主泵間測溫旁路豎管，配合長方體模型支架外掛柔性屏蔽材料，支管處采用柔性屏蔽材料定制屏蔽圈。

3.閥門：大型閥門—圍欄式模型支架，外掛柔性屏蔽材料。中小型—直接覆蓋或定制屏蔽圈；折邊柔性屏蔽材料。

4.法蘭：大型法蘭—圍欄式模型支架，外掛軟鉛；無沿帽式覆蓋。

5.彎管：專用定制屏蔽圈。

6.懸空管道：懸空箱體以承載軟鉛或屏蔽圈。

7.T型管道：專用T型屏蔽圈。

8.閥/管匯集區：墻面/屏風式屏蔽結合定點定型屏蔽圈。

9.貼近地面管道：專用管道罩結合軟鉛或直接套合定型屏蔽圈。

10.一側靠近墻面管道：專用管道罩結合軟鉛或直接套合定型屏蔽圈。

五、應用分析

考慮橡膠基柔性屏蔽材料在屏蔽性能上弱于同等厚度的傳統鉛皮，故暫不作應用分析。在結合現場熱點分布和熱點所處設備的結構特點（多為閥門或管道結構變化處），分析考慮主要使用軟鉛屏蔽材料和鎢柔性屏蔽材料，兩者配合使用，以確保現場屏蔽效果，并引進模型支架，來進一步降低裝拆人員受照劑量。

1.軟鉛屏蔽材料主要用于：具備獨立支撐的大型管道、貼近墻體的熱管或熱點位置、細小管道匯集的高輻射區域，但其使用一般需要配合腳手架或專用模型支架。

2.鎢柔性屏蔽材料主要用于：DN≤200mm的豎直或水平管道，管道彎頭或支管等變徑處、閥門等不規則設備、狹小空間無法布置支架的區域。彎管、設備處采用定制的管道包布，直管采用屏蔽膠帶，對于高輻射水平的管道可采用磁性材料，便于快速安裝，減少屏蔽布置人員受照劑量。由于鎢產品價格高于鉛材料，全部替換鉛材料不滿足經濟代價最小化，應針對特殊位置使用。

六、結語

福清核電通過現場使用實踐表明，使用軟鉛屏蔽材料和鎢柔性屏蔽材料代替傳統鉛屏蔽材料對放射性熱點屏蔽和劑量控制是具有較好效果的。根據現場熱點分布和熱點類型，大多為管道結構不規則處（支管、彎管、管道變徑位置）及閥門設備處，軟鉛屏蔽材料對于管道的承重能力要求略高，故鎢柔性屏蔽材料應該作為γ射線屏蔽材料提升優化的首選，并結合現場實際與軟鉛屏蔽材料配合使用，以達到經濟代價最小化和輻射防護最優化。