三門核電AP1000機組輻射防護設計分析

李 輝，臧義坤，胡屹鵬

(1.中核霞浦核電有限公司，福建 霞浦 355100； 2.三門核電有限公司，浙江 三門 317112； 3.福建福清核電有限公司，福州 350318)

三門核電一期工程建設的兩臺機組(1號、2號)均采用AP1000技術，為美國西屋公司設計的第三代核電機組，其在設計上廣泛引進一些先進的、成熟的輻射防護技術。比如一回路加鋅、蒸汽發生器一回路水室電解拋光、壓力容器采取一體化頂封頭設計、乏燃料轉運通道采用水囊屏蔽、采用非能動安全系統減少設備數量、核島允許無線信號傳輸便于開展無線劑量監測等。通過這些設計以期降低機組輻射水平和工作人員職業照射劑量。三門核電1號、2號機組已于2018年商運，目前已積累較多的輻射防護數據，本文結合這些數據，并對比國內CPR1000機組的相關數據，對AP1000機組的輻射防護設計進行分析，并給出三門核電AP1000機組在輻射防護運行管理及技術改進方面的建議。

1 三門核電AP1000機組輻射防護設計

1.1 一回路加鋅

三門核電1號、2號機組在首次熱態功能試驗期間(裝料前)就開始加鋅。加鋅的方式是通過鋅添加箱往一回路中連續注入20～5 000 ppm(10-6)的醋酸鋅(貧化鋅)，最大添加速率為0.01 m3/h，鋅添加箱中的醋酸鋅濃度主要根據系統中鋅濃度是否平衡、凈化流量和加鋅泵流量確定配置。三門核電AP1000機組一回路冷卻劑中的鋅濃度控制范圍為(10±5)ppb(10-9)。根據研究[1]，加鋅能明顯降低系統中的58Co和60Co，同類型機組加鋅運行幾個燃料循環后機組輻射水平比加鋅前最多能降低50%。

1.2 采用較高pH值運行

pH值是通過調節鋰-硼濃度進行控制的，pH值的優化也就是鋰-硼協調曲線的優化。水化學控制對劑量率的降低也起到了重要的作用，采用改進型Li-B協調曲線要優于Li-B協調曲線[2]。三門核電AP1000機組首循環采用改進型Li-B 協調曲線，如圖1所示。具體為：機組啟動加熱過程中維持4.5 ppm的鋰濃度，然后沿著pH值7.0進行協調變化，鋰濃度達到3.5 ppm后保持恒定，維持3.5 ppm直到目標pH值7.3，后續鋰濃度隨著硼濃度協調變化，維持目標pH值7.3，達到目標pH值后允許有0.1pH值的上下浮動空間。

圖1 三門核電AP1000機組首循環硼鋰協調曲線

1.3 停堆氧化操作

氧化操作是壓水堆核電站降低輻射源項的重要手段之一[3]。三門核電AP1000機組也執行停堆氧化操作，當一回路冷卻劑溫度降到82 ℃以下,往一回路冷卻劑中添加H2O2(濃度：30%，總量8 L左右)。為保證氧化過程的反應速度，添加過氧化氫時，一回路冷卻劑溫度盡量維持在75～82 ℃之間。一回路冷卻劑中過氧化氫的濃度要求控制在2～10 ppm，若濃度高于10 ppm,則需考慮隔離除鹽床(高于10 ppm可能導致除鹽樹脂分解)，直到其濃度低于10 ppm后再投運。氧化操作期間，維持化學和容積控制系統(CVS)最大下泄流速，進行主系統凈化。停主泵期望值為：58Co<25 000 Bq/g、133Xe<1 500 Bq/g、131I<100 Bq/g、110mAg<4 000 Bq/g，沒有設置停主泵限值，如果根據放射性核素活度濃度計算的停主泵運行時間遠遠超過大修計劃時間，則由生產計劃和保健物理部門評估對后續工期及人員受照劑量的影響，決定是否繼續凈化或者停運主泵。

1.4 蒸汽發生器一回路水室電解拋光

實踐表明電解拋光對于降低沸水堆的輻射場是有效的。對壓水堆蒸汽發生器重要部件使用電解拋光的實驗已經證明不會產生不良效果[4]。鑒于以上研究結論，AP1000機組對蒸汽發生器一回路水室進行了電解拋光處理，拋光后一回路水室內表面光潔度為0.63 μm，這為降低活化腐蝕產物沉積提供了良好基礎。AP1000機組的其他設備暫未應用電解拋光技術。

1.5 優化設備維修[5]

AP1000機組在設計上通過減少設備數量、提高設備免維護率、降低設備檢修復雜度等措施來實現設備檢修的最優化，降低檢修人員的受照劑量。

在減少設備數量方面，AP1000機組只有2個環路，且AP1000機組采用的是非能動安全系統，相比于國內其他類型的壓水堆機組，其安全系統的閥門、泵和管道分別減少了約50%、35%和80%。

在提高設備免維護率方面，AP1000機組有2個典型的例子：一個是主泵，AP1000機組采用的是全密封式的屏蔽電機泵，理論上在60年內不需要解體檢修，而國內其他類型機組的主泵在運行一段時間后均需要進行解體檢修；另一個是AP1000機組用永久性的堆腔密封環取代了常規機組用的臨時膨脹式橡膠密封環，后者在每次換料期間都需要安裝和拆卸，有時因為泄漏還需要對其進行改裝。

在降低設備檢修復雜度方面，AP1000機組典型的例子是反應堆壓力容器采用一體化頂封頭，相比于國內一些運行機組的非一體化頂封頭，其拆卸與安裝工作量減少了很多，檢修時間大大減少。

1.6 優化輻射源屏蔽[5]

AP1000機組的乏燃料轉運通道屏蔽采用的是水囊屏蔽，即在乏燃料轉運通道混凝土模塊與鋼制安全殼之間寬5.08 cm的地震縫中安裝水囊。因為水形狀可變，可以充滿整個地震縫。而且水囊還設計有充排水管線，這使得水囊的維護變得很簡單。

AP1000機組水囊屏蔽效果十分理想，三門核電1號機組在首次大修裝換料過程中，乏燃料組件經過時，水囊上部外表面接觸劑量率基本為本底輻射水平。

1.7 無線劑量監測

AP1000機組允許在核島內進行無線信號傳輸，且AP1000機組還設計了一套無線電話系統，這為AP1000機組應用無線劑量監測(RMT)技術提供了良好基礎。RMT技術在國外的一些核電廠中已得到較為廣泛的應用，大量實踐表明，RMT技術的應用能減少輻射防護人員現場監督的工作量和受照劑量，有助于輻射工作人員職業照射劑量的精細化管理，有助于輻射調查[6]。

三門核電2018年已開發并應用了RMT，RMT的信號通過無線電話系統傳輸。目前三門核電RMT系統實現了電子式個人劑量計、γ劑量率探頭、移動式空氣污染監測儀及攝像頭無線數據傳輸功能，并開發了配套的管理軟件。從應用情況來看，已具備初步使用功能，但因AP1000機組無線電話系統在局部區域信號質量較差，導致RMT在局部區域應用效果不佳。

2 三門核電AP1000機組輻射防護設計分析

三門核電1號、2號機組相繼于2018年6月、8月并網發電，兩臺機組商運至今，積累了較多的輻射防護數據，通過對這些數據進行整理，并對比CPR1000機組(福清核電3號、4號機組)相關測量數據，從輻射水平以及職業照射劑量兩個方面對AP1000機組輻射防護設計進行分析。

2.1 機組輻射水平

機組在運行期間和停堆大修期間的輻射水平是輻射防護設計效果最直觀的體現。選取三門核電AP1000機組部分典型區域的輻射水平與福清核電3號、4號機組相應區域的輻射水平進行對比，分析AP1000機組輻射防護設計效果。

2.1.1滿功率運行期間機組輻射水平

(1) 核島廠房

滿功率運行期間，三門核電AP1000機組核島廠房典型區域輻射水平與福清3號、4號機組相應區域輻射水平列于表1。

表1 滿功率運行期間AP1000機組與CPR1000機組核島廠房典型區域輻射水平

通過與CPR1000機組的輻射水平數據對比，可以看出，滿功率運行期間AP1000機組與CPR1000機組主泵附近環境劑量率相近；AP1000機組安注箱房間環境劑量率為CPR1000機組的5倍；CPR1000機組換料操作平臺上的環境劑量率約為AP1000機組的30倍。通過輻射水平對比可以看出，AP1000機組核島廠房部分區域(主要是換料操作平臺)的生物屏蔽效果比CPR1000機組好。

(2) 輔助廠房

AP1000機組設計文件給出，滿功率運行期間，輔助廠房共有41個房間的設計輻射分區為橙區以上，根據三門核電AP1000機組的日常運行輻射調查數據，實際僅除鹽床/過濾器間(12151)、廢樹脂暫存間(12373)、廢物處理罐區域(12374)及核島液體廢物系統泵房間(12268)部分區域的輻射水平曾超過1 mSv/h，其他房間的輻射水平還未發現超過1 mSv/h的情況，大部分房間的環境劑量率處于本底～10 μSv/h的水平。

(3) 附屬廠房及放射性廢物廠房

滿功率運行期間，在未存放放射性物質的情況下，附屬廠房及放射性廢物廠房的輻射水平基本為本底水平。

2.1.2停堆大修期間機組輻射水平

三門核電1號機組與福清核電3號、4號機組首次大修氧化運行結束(停主泵)后核島廠房及余熱排出系統主要設備間典型測量位置的輻射水平列于表2。

從表2可以看出，停堆大修期間，AP1000機組主泵附近的劑量率與CPR1000機組相近；AP1000機組安注箱A/B間的劑量率約為CPR1000機組的17倍(兩個房間劑量率平均值的比值)；AP1000機組蒸汽發生器一回路人孔附近劑量率是CPR1000機組的14倍；AP1000機組余熱排出系統主要設備平均輻射水平約為CPR1000機組的1/2。

表2 停堆大修期間AP1000機組與CPR1000機組典型區域輻射水平

AP1000機組安注箱A/B間劑量率高的主要原因是停堆氧化操作結束后房間內的PXS-V123 A/B(爆破閥)、PXS-V125 A/B(爆破閥)下游管道出現熱點，熱點管道接觸劑量率為2 mSv/h以上。蒸汽發生器一回路人孔附近劑量率高的原因也是附近存在熱點管道，熱點管道接觸劑量率為1 mSv/h以上。三門核電1號機組大修氧化操作結束后，除了11206、11207、11301、11302存在熱點管道外，11300維修平臺也存在兩處熱點管道。這些管道基本為非能動堆芯冷卻系統(PXS)管道，均是在氧化操作結束后形成，經過初步調查，形成熱點的原因是這些管道存在盲端、彎管及管道變徑，管道內介質流動性太差，氧化操作期間這些管道內介質沒有得到充分凈化，腐蝕活化產物容易在這些管道內沉積。而且這些管道的位置在整個一回路中處于偏低位置，氧化操作結束后，這些管道內的高放射性物質無法及時排出。

2.2 機組職業照射劑量

三門核電1號機組已經歷了一個完整的燃料循環(2018年6月30日至2020年1月19日，近18個月)，期間經歷了一次50%平臺小修，一次100%平臺小修，兩次調停，以及首次大修(工作量相當于10年大修)，其職業照射劑量數據具有一定代表性。根據統計，1號機組一個燃料循環的集體照射劑量為377.5 人·mSv，其中首次大修集體照射劑量為361.4 人·mSv，集體照射劑量年化值為251.7 人·mSv(一個燃料循環集體劑量×12/18)。AP1000機組劑量預估文件給出一個燃料循環的集體照射劑量為468.0 人·mSv，集體照射劑量年化值為312.0 人·mSv[7]。三門核電1號機組職業照射劑量實際值比設計預估值低19.3%。

大修集體劑量通常占機組一個燃料循環集體劑量的90%以上，結合海陽核電1號、2號機組及福清3號、4號機組首次大修集體劑量及工期(具體見表3)，可以看出AP1000機組首次大修的集體劑量及工期均約為CPR1000機組的1/2。

表3 AP1000機組與CPR1000機組首次大修集體劑量

此外，初步統計了大修期間AP1000機組11206、11207、11301、11302四個房間(此四個房間也是輻射水平明顯高于CPR1000機組的典型區域)內開展的檢修工作的集體劑量，約為100.0人·mSv，約占整個機組大修集體劑量的27.7%。這四個房間內開展的檢修工作的集體劑量較高的原因除了環境劑量率較高外，還有一個原因是房間內設備布局十分緊湊，檢修空間狹小。如11206、11207房間，此次1號機組大修只需要檢修底層兩個爆破閥，但是這兩個爆破閥要吊出檢修必須拆掉其上方的兩個爆破閥，增加了近一倍的工作量，同時增加了近一倍的受照劑量。又如11301、11302房間一回路人孔附近，空間十分狹小，搭建核空氣隔離間(SAS棚)較為困難，耗時較多，且檢修人員在SAS內活動范圍十分小(約1 m2)，嚴重影響工作效率，導致同樣的工作比國內其他類型機組耗時都要多。

雖然大修期間AP1000機組部分主要檢修工作場所的輻射水平明顯高于CPR1000機組，但AP1000機組的大修集體劑量卻明顯低于CPR1000機組，其主要原因是工作量少。據統計，三門核電1號機組首次大修總工單數量為5 763個，其中輻射工作工單870個；而福清3號、4號機組首次大修平均總工單數為9 186個，輻射工作工單數約5 500個。AP1000機組首次大修輻射工作工單數量約為CPR1000機組的1/6。

3 AP1000機組輻射防護管理及技術改進建議

從AP1000機組實際運行輻射防護數據來看，AP1000機組實現了預期的輻射防護設計目標，機組實際的職業照射劑量低于設計值。而且，AP1000機組的職業照射劑量低于CPR1000機組。雖然AP1000機組最終輻射防護設計效果較好，但要實現輻射防護最優化，仍需從以下幾個方面加以改進：

(1)根據機組實際輻射水平數據，逐步申請調整按照設計分區劃分為橙、紅區房間的分區等級，減少橙、紅區數量，以減輕現場輻射防護運行管理的工作負擔。

(2)優化PXS管道、閥門布置，減少盲端、彎管及管道變徑，提高停堆氧化操作期間PXS管道內介質的流動性，并且可以考慮增加PXS管道內介質快速排空功能，以減少停堆氧化操作結束后PXS熱點管道的數量。

(3)優化設備布局，預留足夠的檢修空間，特別是高劑量率設備的布置，以提高檢修工作效率，降低檢修工作人員的受照劑量。

(4)優化無線電話系統的設計，在不影響核安全的前提下提高無線電話系統的信號質量，為RMT應用提供良好基礎。