基于MCNP模擬對“華龍一號”堆坑小室通道屏蔽墻的優化設計

徐佳梁

(中原運維海外工程有限公司,上海 200233)

1 背景和原理

堆坑小室通道屏蔽墻是“華龍一號”獨有設備，通過在堆坑通道與堆坑小室附近設置屏蔽敷設體，對功率運行條件下堆坑小室附近的中子進行有效屏蔽，降低功率運行期間堆坑小室內的劑量率水平，允許工作人員在正常功率運行工況下有限制地接近堆坑，如圖1所示。

圖1 堆坑小室通道Fig.1 The reactor pit passage

正常功率運行工況下堆芯中子通量密度高，雖然有層層防護，但難免還是會有中子泄漏出來。國際放射防護委員會(ICRP)制定的放射防護原則指出：人員的防護應做到最大化，即在合理可行盡量低(ALARA)的情況下盡量減少人員受到的電離輻射劑量。作為對這一要求的響應，核電廠中子屏蔽設計應使得工作人員受到的電離輻射劑量盡可能地少。

中子屏蔽的精細化設計是三代堆型核電廠區別于二代堆的主要放射防護設計特征之一，其設計優劣直接影響了輻射場內設備壽命及運行期間進入區域的工作人員的輻射安全[1]。中子因為其不帶電的特性而具有較強的穿透能力，是核電廠放射防護的重要目標之一。在中子束穿透反射層的過程中，有一部分會與反射層表面(或內部)的原子核發生散射，從而形成散射角大于90°的中子，其中順利地擺脫反射層又從入射表面逃逸出來的中子被稱為反照中子，該現象被稱為中子反照效應[2]。

根據中子的波粒二象性特性[3]，中子波的波長與其速度成反比，即λ∝1/v。由于該特性與機械波極為相似，故由此提出一個假設：在屏蔽材料表面增加凸起的懸挑結構將會減少反照中子的產生。

本研究通過使用MCNP程序模擬1 eV和100 eV中子入射到帶有懸挑結構的混凝土反射層表面，以對在屏蔽墻表面增加懸挑結構會減少反照的中子這一假設進行研究。MCNP程序構筑重復結構的功能為本課題的研究帶來了極大的便利。

2 優化的設計結構

對設計結構的優化是指在屏蔽墻表面增加凸出的懸挑結構以提高與中子相互作用的幾率，從而減少屏蔽結構產生的反照中子數。增加懸挑結構后屏蔽墻的外形如圖2所示。

圖2 增加懸挑結構的屏蔽墻Fig.2 The shielding wall with cantilever structure

在計算機模擬階段，表面增加的懸挑結構形狀分為圓柱、正六面體和圓錐體三類，按突出部幾何體寬高比的比值對應1/2、1、2分為低、中、高三種(底面尺度一致)。懸挑結構陣列密度是將屏蔽墻表面劃分為10×10、100×100、1000×1000的三種網格，其陣列模式分為1/2間隔和全布置兩種，1/2間隔就是像國際象棋棋盤那樣的相鄰空開，全布置就是圖2中所示的每一個小格的布置。

3 實驗方法

模擬實驗采用控制變量的方法進行。對所有輸入文件進行計算。模擬計算共耗時約27.5 h，得到110個輸出文件(如表1所示模擬分組情況)，按能量分布和空間分布提取了220組數據。

表1 模擬分組規劃Table 1 The plan for simulation grouping

對提取的220組數據按控制變量的原則進行分類。通過對比各組數據，重點研究懸挑結構的形狀、寬高比、分布模式、分布密度、粒子能量等變量的變化對系統中產生反照中子的計數空間分布和能量分布所造成的影響。

通過設置球面探測器,確保100%收集系統中所產生的反照中子，通過FRV卡記錄反照中子入射探測器表面時與X軸的夾角為收集0°到90°之間反照中子的空間分布信息。以此從能量分布和空間分布兩個角度開展對所產生中反照中子的研究。圖3為模擬實驗的幾何布置簡圖，圖中的正六面體為屏蔽墻體，它的一個面與坐標系的ZOY面重合，且該表面的幾何中心同時也是坐標系的原點以及球面探測器的球心，S點為中子源的位置。

4 模擬結果的對比與分析

4.1 模擬結果的對比

以100 eV的中子源為例，通過比較無懸挑結構的普通屏蔽墻與布置有懸挑結構的屏蔽墻之間的模擬結果，從總計數、空間分布和能量分布3個角度進行討論分析。表2記錄的分別是普通屏蔽墻和布置有懸挑結構的屏蔽墻所產生的反照中子的空間分布數據，表3記錄的分別是普通屏蔽墻和布置有懸挑結構的屏蔽墻所產生的反照中子的能量分布數據。

圖3 模擬實驗幾何布置簡圖Fig.3 The geometric layout of simulation experiment

表2 空間分布數據Table 2 Data of space distribution

表3 能量分布數據Table 3 Data of energy distribution

4.1.1 總計數的影響

從總計數來看,以平面墻為屏蔽體的系統中產生的反照中子與增加了懸挑結構的屏蔽體系統所產生的反照中子分別為64.73%和55.94%。模擬計算結果顯示，增加懸挑結構減少了近8.79%反照中子。

4.1.2 空間分布的影響

將表2模擬空間分布數據轉化為曲線圖,如圖4所示。

圖4 空間分布的對比Fig.4 Comparison of space distribution

圖4中藍色曲線為普通屏蔽墻所產生的反照中子計數隨空間的分布，紅色曲線為增加懸挑結構后的屏蔽墻所產生的反照中子數的空間分布情況。觀察圖4能夠發現，屏蔽墻表面增加懸挑結構后顯著減少了30°～90°的中子計數，略微提升了0°到30°之間的中子計數。

4.1.3 能量分布的影響

將表3模擬空間分布數據轉化為曲線圖如圖5所示。

圖5 能量分布的對比Fig.5 Comparison of energy distribution

圖5中藍色曲線為普通屏蔽墻所產生的反照中子計數隨能量的分布，紅色曲線為增加懸挑結構后的屏蔽墻所產生的反照中子數的能量分布情況。觀察圖5能夠發現，屏蔽墻表面增加懸挑結構后略微減少了2×10-5～7×10-5MeV的中子計數，顯著減少了8×10-5MeV到1×10-4MeV之間的中子計數，而在1×10-5MeV附近可以看到增加懸挑結構后的屏蔽墻所產生的反照中子計數反而略高于平面屏蔽墻的系統。總體而言，懸挑結構的引入有效降低了系統中大多數反照中子的能量。

4.2 模擬結果的分析

在對所有數據進行處理、分類、比較后發現：不論是對于1 eV低能中子源還是100 eV能量較高的入射中子，有懸挑結構的屏蔽墻總是產生更少的反照中子，且反照中子的數量與所增加的懸挑結構體積存在反比的趨勢，即Na；除了總體數量的減少，懸挑結構的存在還改變了反照中子的空間分布趨勢，在較顯著地減少了中、高角度區域反照中子數的同時，略微增加了低角度區域的反照中子數；懸挑結構的存在也改變了反照中子的能量分布趨勢，在較顯著地減少了中、高能量區域反照中子數的同時略微增加了低能量區域的反照中子數。

5 結論

通過對MCNP模擬結果進行的比較和分析可以發現，懸挑結構對系統中的反照中子產生了抑制作用，尤以總計數的減少最為明顯。據此現象可以判斷：理論上在堆坑小室通道屏蔽墻表面增加懸挑結構可以減少系統中反照中子的總數，從而有利于進一步降低功率運行期間堆坑小室內的劑量水平。

本文以優化“華龍一號”堆坑小室通道屏蔽墻設計為目的，由中子的波粒二象性特征出發提出假設：在屏蔽墻表面增加懸挑結構有助于減少系統中反照中子的數量。使用MCNP軟件對54種不同形狀的懸挑結構屏蔽墻進行模擬，通過對比增加懸挑結構前、后屏蔽墻所產生反照中子的總計數、空間分布和能量分布三個方面的變化，分析變化趨勢。發現在屏蔽墻表面增加懸挑結構后：1)屏蔽墻產生的反照中子數量有所減少(MCNP模擬結果顯示減少8.79%)；2)球面探測器的中、高緯度區域(30°～90°)中子數顯著減少，低緯度區域(0°～30°)中子數略微增加；3)高能量區域的中子數顯著減少，低能量區域的中子數略微增加。上述三條結論并不違背中子與物質相互作用的一般規律，從理論上證實了在屏蔽墻表面增加懸挑結構有助于減少反照中子這一假設，并在此基礎上提出：在屏蔽墻表面增加懸挑結構是一種可以進一步降低功率運行期間堆坑小室內劑量水平的優化設計。