CAP1400核電廠堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計研究

黎 輝,王夢琪,鄭 征

(上海核工程研究設(shè)計院有限公司,上海200233)

正常滿功率運行時,核電廠反應(yīng)堆堆芯具有極強的放射性,包括中子和光子輻射,需要通過反應(yīng)堆一次側(cè)屏蔽設(shè)計以降低到達壓力容器及其以外區(qū)域的輻射水平。通常反應(yīng)堆一次側(cè)屏蔽由圍繞堆芯的堆內(nèi)構(gòu)件(如吊籃、圍板等)、水隙、壓力容器(RPV)以及混凝土結(jié)構(gòu)等部件組成[1]。由于反應(yīng)堆堆腔需要考慮通風(fēng)和事故后卸壓等,所以RPV與一次混凝土屏蔽墻之間需要留有一定的堆腔空間,設(shè)置冷卻通風(fēng)和事故泄壓通道等。因此,穿出RPV的中子和γ射線可經(jīng)由通風(fēng)和泄壓通道形成堆腔輻射漏束,泄漏至上部堆腔和下部堆腔相關(guān)區(qū)域,再經(jīng)由結(jié)構(gòu)間隙以及人員通道等到達反應(yīng)堆廠房各相關(guān)區(qū)域,形成對應(yīng)的中子及γ射線輻射場。由堆腔輻射漏束所形成的輻射場,一方面會限制正常運行和停堆后工作人員進入,以及增加設(shè)備壽期內(nèi)的受照劑量,另一方面會導(dǎo)致周圍設(shè)備和結(jié)構(gòu)材料被中子活化,進而限制設(shè)備維護和增加放射性廢物量。因此,通過合理的堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計,控制堆腔輻射漏束導(dǎo)致的輻射場至合理可接受水平十分重要。

與傳統(tǒng)的二代核電廠相比,三代非能動壓水堆核電廠CAP1400的反應(yīng)堆廠房空間布置更加緊湊,這加大了堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計難度。同時,為降低設(shè)備輻照鑒定代價、控制設(shè)備材料活化水平、降低集體劑量并提高人員可達性,CAP1400核電廠對功率運行期間反應(yīng)堆廠房內(nèi)的維修平臺、運行平臺等區(qū)域的輻射劑量水平控制在1 mSv/h以內(nèi),相比而言傳統(tǒng)二代電廠的輻射劑量率水平(例如秦山第一核電廠達到10 mSv/h)要求更加嚴(yán)格。因此,CAP1400核電廠通過設(shè)計研究,在近RPV區(qū)域關(guān)鍵的輻射漏束通道處設(shè)置堆腔輻射漏束屏蔽體達到控制輻射源頭的效果,優(yōu)化整體屏蔽設(shè)計。

近RPV區(qū)域屏蔽設(shè)計,其所處位置一般是冷卻通風(fēng)通道、事故泄壓通道及RPV保溫層等多功能交匯區(qū),且該區(qū)域環(huán)境條件(強輻照、高溫等)惡劣,屬于多專業(yè)高難度綜合性設(shè)計,設(shè)計過程中需兼顧安全性和經(jīng)濟性,同時確保各功能需求,使輻射場可合理達到的盡量低,是典型的輻射防護最優(yōu)化設(shè)計問題。

本文開展CAP1400核電廠堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計優(yōu)化研究,介紹CAP1400反應(yīng)堆堆腔特點和屏蔽設(shè)計及分析方法,介紹CAP1400堆腔屏蔽設(shè)計優(yōu)化方案,并對結(jié)論進行分析和說明。

1 CAP1400堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計的必要性

1.1 CAP1400堆腔特點

CAP1400是自主研發(fā)的第三代非能動先進壓水堆核電機組,為兩環(huán)路設(shè)置,熱功率為4 040 MW,反應(yīng)堆廠房采用雙層安全殼,內(nèi)層為鋼制安全殼,外層為混凝土安全殼。CAP1400采用模塊化設(shè)計和施工技術(shù),提高施工建造速度;CAP1400反應(yīng)堆廠房采用緊湊式設(shè)計和布置理念,以降低建造成本。因此,CAP1400堆腔相關(guān)區(qū)域的布置相對較為緊湊。

1.2 CAP1400堆腔屏蔽設(shè)計的重要性

根據(jù)CAP1400設(shè)計特點,若在堆腔中不設(shè)置中子屏蔽組件,反應(yīng)堆廠房中子劑量率、光子劑量率和總劑量率水平的分布如圖1所示。由圖1可知,在未設(shè)置中子屏蔽組件情況下,反應(yīng)堆廠房內(nèi)的操作平臺有大部分區(qū)域的劑量率水平在1.0 mSv/h以上,部分區(qū)域甚至在10 mSv/h以上。即使在遠離堆芯的操作平臺區(qū)域,其中子劑量率的貢獻仍然十分明顯,這導(dǎo)致相關(guān)區(qū)域的活化水平不可忽略,不利于正常運行人員進入和設(shè)備耐輻照控制,以及停堆后該區(qū)域的輻射水平控制。

對于劑量率水平在1.0～10 mSv/h區(qū)域,根據(jù)CAP1400設(shè)計要求,相關(guān)區(qū)域需張貼“注意-高輻射區(qū)”或“危險-高輻射區(qū)”的標(biāo)志,且應(yīng)該鎖住大門或使用其他適合的方式控制或監(jiān)督人員進入。同時,該輻射水平下區(qū)域停留時間是非常有限的,進入前需要預(yù)先監(jiān)測其輻射水平以確定安全允許的停留時間。

因此,CAP1400電廠在堆腔中進行屏蔽設(shè)計,通過設(shè)置中子屏蔽組件降低操作平臺在功率運行時的輻射水平。一方面能夠增加人員進出的便利性,并降低停堆后相關(guān)區(qū)域的輻射水平,另一方面能夠使相關(guān)區(qū)域的設(shè)備輻射環(huán)境條件大為改善,有利于核電廠先進性和經(jīng)濟性的提升。

圖1 中子、光子及總劑量率分布(未設(shè)置堆腔屏蔽)Fig.1 The distribution of neutron,photon and total dose rate (without neutron shielding modules)

2 CAP1400堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計

2.1 CAP1400堆腔屏蔽設(shè)計方案介紹

CAP1400核電廠堆腔輻射漏束有三個主要途徑,分別為:

(1)從RPV底部堆腔與反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱(RCDT)的通道,進入RCDT隔間,再經(jīng)過垂直通道進入維修平臺和操作平臺;

(2)從RPV支座處堆腔經(jīng)主管道貫穿件進入蒸汽發(fā)生器隔間,之后經(jīng)蒸汽發(fā)生器隔間頂部或垂直通道進入維修平臺和操作平臺;

(3)從RPV支座處堆腔通過換料腔底部密封圈,進入換料腔,并最終進入操作平臺。

為有效降低堆腔輻射漏束對CAP1400核電廠反應(yīng)堆廠房輻射場的影響,根據(jù)對堆腔輻射漏束特點和途徑,結(jié)合源頭控制理念,在近RPV區(qū)域關(guān)鍵的輻射漏束通道處設(shè)置了三處中子屏蔽組件(含硼材料),具體如圖2所示。

(1)上部中子屏蔽組件:靠近RPV頂封頭附近。

(2)中部中子屏蔽組件:位于主管道下方RPV與一次屏蔽墻之間堆腔。

(3)下部中子屏蔽組件:靠近RPV底封頭,位于RPV與一次屏蔽墻之間堆腔。

2.2 屏蔽設(shè)計方法

2.2.1 設(shè)計過程考慮

根據(jù)CAP1400堆腔中子屏蔽組件設(shè)置需求可知,在設(shè)置中子屏蔽組件的最佳位置,需要綜合考慮各方設(shè)計需求。在近RPV區(qū)域設(shè)置的中子屏蔽組件,在區(qū)域上與RPV保溫層重疊,尤其是中部和下部中子屏蔽組件,并且還需要考慮事故和通風(fēng)冷卻通道需求,其中靠近RPV側(cè)為熔融物堆內(nèi)滯留(IVR)流道,另外一側(cè)為安全殼再循環(huán)冷卻系統(tǒng)(VCS)冷卻通風(fēng)流道。同時,考慮到此處嚴(yán)苛的環(huán)境條件,在中子屏蔽材料選材時,除需要考慮中子屏蔽性能外,還要考慮耐輻照、耐高溫、壽期穩(wěn)定等,即在設(shè)計過程中需要考慮屏蔽設(shè)計、保溫層設(shè)計、材料設(shè)計、傳熱分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、通風(fēng)設(shè)計和IVR流道設(shè)計等聯(lián)合協(xié)調(diào)設(shè)計。

圖2 CAP1400核電廠堆腔內(nèi)中子屏蔽組件布置示意圖Fig.2 The arrangement schematic of neutron shielding modules in the CAP1400 reactor cavity

CAP1400核電廠堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計過程中,全面梳理核電廠壽期內(nèi)不同工況下的設(shè)計要求,結(jié)合屏蔽材料、屏蔽結(jié)構(gòu)和布置等優(yōu)化組合,通過隔熱設(shè)計、開展輻照和老化試驗等,在確保中子屏蔽組件在滿足輻射屏蔽設(shè)計要求的基礎(chǔ)上,還能確保滿足其他各項工程設(shè)計要求。

2.2.2 屏蔽計算方法介紹

堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計為復(fù)雜幾何深穿透問題,中子注量率從堆芯到操作平臺等區(qū)域下降了十幾個量級,具有計算尺度大和難收斂的特點,并且在方案研究階段,需要進行多專業(yè)聯(lián)動迭代計算分析,對計算效率和時間提出了較高要求。

在CAP1400堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計中,采用了高精度的蒙特卡羅方法。蒙特卡羅方法由于其強大的幾何模擬能力和高精度數(shù)據(jù)庫,是國際公認的高精度屏蔽計算方法。但對于大尺度深穿透問題,蒙特卡羅方法存在難收斂的計算特點,在巨大的計算機時間下往往仍難以獲得可信的計數(shù)。為了解決MC方法在反應(yīng)堆廠房輻射場計算過程中的深穿透和難收斂問題,研發(fā)先進的全局減方差方法[2,3],提升計算精度和效率,從而釋放計算方法上的保守性。

由上海核工程研究設(shè)計院有限公司研發(fā)的基于三維離散縱標(biāo)的全局減方差方法[4,5],基于離散縱標(biāo)(SN)方法注量率的全局減方差方法利用源偏倚和權(quán)窗技巧能有效提高MC計算深穿透問題的計數(shù)效率,加速計算收斂。源偏倚可在重要的相空間內(nèi)抽樣產(chǎn)生更多的對探測器響應(yīng)貢獻較大的低權(quán)重源粒子。權(quán)窗根據(jù)空間或能量相關(guān)的重要性對粒子進行分裂和輪盤賭,能增加到達重要相空間的粒子數(shù),從而實現(xiàn)對全局分布量的加速。同時,利用MC面源續(xù)算方法和運行電廠實際測量數(shù)據(jù),對計算方法進行了對比驗證,確保了方法的正確性。如圖3所示為全局減方差計算流程,主要計算步驟如下。

(1)建立三維正向SN計算模型,計算得到三維多群正向注量率分布。利用正向注量率計算共軛源強。

(2)建立三維共軛SN計算模型,計算得到三維多群共軛注量率分布。共軛計算源項空間分布在探測器位置,能譜為響應(yīng)函數(shù)能譜,而且能群與正向相反。

(3)讀取三維多群共軛注量率,根據(jù)共軛注量率計算源偏倚因子。根據(jù)共軛注量率計算MC計算所需的權(quán)窗下限。

(4)基于上述生成的權(quán)窗參數(shù),進行MC正向輸運計算。

圖3 全局減方差計算流程圖Fig.3 The flowchart of the global variance reduction calculation

圖4 CAP1400反應(yīng)堆廠房精細化模型示意圖Fig.4 The schematic of the fine model for the CAP1400 containment building

基于高分辨率國內(nèi)自主開發(fā)的蒙特卡羅程序JMCT-S[6,7]建立的CAP1400反應(yīng)堆廠房輻射場計算精細化模型如圖4所示,通過對結(jié)構(gòu)、模塊、設(shè)備、管道等精細化模擬,能夠得到高精度輻射場,有效釋放由于計算模型近似帶來的設(shè)計保守裕量,確保CAP1400堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計方案在確保安全性基礎(chǔ)上,能夠有效提升經(jīng)濟性。

基于CPU主頻2.4 GHz,644核并行計算,源粒子數(shù)目為5.0×1010個,單次計算時間7.8 h,全模型中人員可達區(qū)域計算結(jié)果收斂相對均方差小于0.1的網(wǎng)格份額超過90%(包括混凝土區(qū)域等人員不可達區(qū)域計算結(jié)構(gòu)收斂相對均方差小于0.1的網(wǎng)格份額超過66%)。

2.3 屏蔽設(shè)計結(jié)果評價

通過對CAP1400核電廠堆腔輻射漏束屏蔽設(shè)計和計算分析,最終確定了如圖2的堆腔輻射漏束屏蔽方案。

CAP1400核電廠堆腔設(shè)置中子屏蔽組件之后,在正常滿功率運行時由于堆腔輻射漏束導(dǎo)致的反應(yīng)堆廠房內(nèi)各相關(guān)區(qū)域的輻射場如圖5所示。由圖5可知在滿功率運行時,CAP1400核電廠反應(yīng)堆廠房內(nèi)的操作平臺及維修平臺等區(qū)域劑量率水平基本在1.0 mSv/h以下。而由圖1可知,CAP1400核電廠堆腔未設(shè)置中子屏蔽組件時,操作平臺有大部分區(qū)域劑量率水平基本在1.0 mSv/h以上,部分區(qū)域甚至在10 mSv/h以上。由圖5和圖1對比分析可知,CAP1400核電廠通過堆腔設(shè)置中子屏蔽組件,對正常滿功率運行時上部換料腔區(qū)域、垂直通道區(qū)域、維修平臺及操作平臺區(qū)域等輻射水平均有明顯下降,其中由于堆腔輻射漏束導(dǎo)致的輻射水平下降超過1個量級,能夠有效保障人員進入相關(guān)區(qū)域的控制,降低相關(guān)區(qū)域設(shè)備的輻射環(huán)境條件,減少設(shè)備活化和放射性廢物量,有力提升電廠運行和管理便利性和經(jīng)濟性。

3 結(jié)論

在核電廠屏蔽設(shè)計中實施輻射防護最優(yōu)化,是多專業(yè)共同實施的過程,本文針對CAP1400核電廠堆腔屏蔽設(shè)計開展輻射防護最優(yōu)化應(yīng)用研究:

圖5 中子、光子及總劑量率分布(設(shè)置堆腔屏蔽)Fig.5 The distribution of neutron,photon and total dose rate(with neutron shielding modules)

(1)介紹了CAP1400機組堆腔特點,并提出堆腔屏蔽設(shè)計優(yōu)化的必要性。

(2)針對CAP1400堆腔屏蔽設(shè)計,開展了多專業(yè)迭代設(shè)計,在設(shè)計過程中綜合考慮各相關(guān)專業(yè)需求,尋求最佳設(shè)計方案,使輻射場可合理達到的盡量低。

(3)基于蒙特卡羅屏蔽計算方法,建立CAP1400核電廠反應(yīng)堆廠房精細化模型,計算反應(yīng)堆廠房三維輻射場,通過研發(fā)先進的減方差方法提高計算精度和效率,進而獲得最佳的設(shè)計方案,確保了設(shè)計的經(jīng)濟性。

(4)CAP1400核電廠通過在堆腔位置,協(xié)調(diào)保溫、IVR流道、通風(fēng)等其他功能需求,通過三組中子屏蔽組件的設(shè)置,使關(guān)鍵區(qū)域輻射場劑量率水平下降超過1個量級,對電廠工作人員進出入受照劑量控制、設(shè)備和重要構(gòu)筑物輻照安全、降低放射性廢物量和集體劑量等均有重要作用。