壓水堆核電站集體劑量控制策略

朱元理, 張志強, 馬來山

(廣西防城港核電有限公司， 廣西 防城港， 538001)

核電站輻射風險最直接的表征之一就是工作人員的受照劑量，包括個人劑量和集體劑量。核電站在生產運營中須遵循輻射防護最優化原則，合理可行、持續不斷的降低人員受照劑量。

集體劑量是核電運行的重要安全指標之一。圖1給出了1995—2019年我國中核集團、中廣核集團壓水堆核電站單機組年集體劑量與WANO先進值的對比[1]。

由圖1可見，我國壓水堆核電機組單機組年集體劑量與WANO先進值相比還存在差距。

1 集體劑量影響因素及控制策略

1.1 影響因素

核電站集體劑量的高低，是在各種因素影響下的綜合表現。集體劑量的影響因素其實在設計階段就存在，例如集體劑量設計值、反應堆功率大小、設備材料應用、屏蔽設計等；機組運行階段對集體劑量的影響因素就更直接，例如機組運行控制策略、維修策略和技術改進等。集體劑量的影響因素總體上有兩個方面：一是現場輻射水平(主要指輻射源項)，機組輻射水平越低，集體劑量越低；二是放射性作業人工時，人工時越短，集體劑量越低，尤其是高劑量作業人工時。

圖1 我國中核集團、中廣核集團壓水堆核電站單機組集體劑量(年均值)和WANO先進值對比[1]

1.2 控制策略

針對集體劑量的影響因素，集體劑量的控制策略也主要從兩個方面入手：一是降低機組輻射源項；二是減少放射性作業人工時。在這兩個方面除了需要采取有效的技術措施外，在組織管理上也要足夠的重視和給予管理政策的支持。

2 組織管理

2.1 意識的提升

降低集體劑量是核電站所有工作人員共同的責任。從安全管理的角度講，降低集體劑量屬于安全生產責任的范疇，即核電站各層級、涉及的各專業、每個員工均有降低集體劑量的責任和義務。要通過各種措施強化提升全員主動降低集體劑量的意識：例如，輻射防護三原則的普及宣傳；在基本安全授權培訓中，增加集體劑量控制的相關內容；結合安全生產日、安全生產月活動宣傳集體劑量控制相關的內容等。實現集體劑量控制從“要我降低”向“我要降低”的意識轉變。

2.2 組織的優化

集體劑量與能力因子、安全系統性能等指標不同，它與經濟性、核安全不直接相關，其改進的迫切性要相對弱一些。因此，集體劑量實現持續降低取決于運營電廠(特別是高級管理層)的改進意愿，這也決定了組織管理的支持以及資源的投入[1]。

降低集體劑量不能僅靠輻射防護人員，須得到電廠所有工作人員的全面支持，特別是管理層的支持。需從三個層級來主導提升集體劑量業績指標：第一個層級是集團公司層面，由專職機構或群廠組織來制定戰略和推進計劃；第二個層級是電廠層面，成立由高層領導主持的最優化委員會或工作組，承接戰略計劃，協調相關專業推進和落實降低集體劑量的措施[1]；第三個層級是業務部門層面，各個業務部門要將降低集體劑量作為部門業績考核的指標之一，憑借自身對檢修作業流程較為熟悉的優勢，制定更有效的降低集體劑量的措施。

3 輻射源項控制

3.1 輻射源項簡介

3.1.1組成

壓水堆核電機組輻射源項分為兩部分：①裂變產物輻射源項，包括核燃料裂變反應直接產生的裂變中子、裂變γ和裂變產物衰變釋放的γ射線；②活化產物輻射源項，包括冷卻劑中部分核素的活化、一回路雜質的活化和一回路設備管線腐蝕物的活化等。壓水堆核電機組輻射源項組成見圖2所示。

3.1.2影響因素

壓水堆核電機組輻射源項的影響因素有：

(1)機組功率。機組功率越大，反應堆裝載的核燃料越多，總體上輻射源項的體量也越大、活化能力也越強。

圖2 壓水堆核電機組輻射源項組成

(2)燃料包殼的完整性。燃料包殼不發生破損，裂變產物輻射源項就不會對機組輻射水平和集體劑量產生直接影響。

(3)設備材料。活化產物輻射源項與一回路設備材料易活化核素的成分多少有關，易活化核素量越多，機組輻射水平越高。

(4)機組運行狀況。機組狀態越穩定，一回路熱沖擊就越小，一回路的系統設備就越不容易產生應力腐蝕，活化產物的產生量就越小。

(5)維修過程中一回路及其輔助系統異物控制良好，也會間接促使輻射水平降低。

壓水堆核電機組輻射源項影響因素見圖3。

圖3 壓水堆核電機組輻射源項影響因素

3.2 設備材料控制

60Co、58Co和110mAg是壓水堆核電站一回路主要的放射性核素，122Sb和124Sb在部分核電站也出現過。這些放射性核素基本上都是由一回路的系統設備材質的某種核素活化而來。因此控制一回路及其輔助系統設備材料中的鈷、鎳、銀和其它一些易活化核素的含量，可降低輻射源項。

3.2.1減少設備材料中的鈷含量

60Co是由鈷基合金(Stellite合金)中的59Co吸收熱中子，經(n，γ)反應生成。由于Stellite合金有質硬的特性，因此核電站一回路及其輔助系統中對硬度有要求的設備、管線都會優先使用Stellite合金[2]，最具代表性的是閥門的硬質層密封面，這是一回路中鈷的主要來源。

由于設備性能的要求，部分結構材料中的鈷是不能減少的，但是設備中還有一部分鈷是以雜質的形式存在，并不是結構材料性能要求的核素。以雜質形態存在的鈷理論上是可以減少的，例如在后續的閥門檢修活動中，如果有閥門更換或者部件更換，就可以更換低鈷的設備。這就需要維修部門、設備管理部門和合同采購部門聯合開展一些基礎性工作，例如梳理現有含鈷設備清單，調研收集低鈷或無鈷的同功能、同型號產品和備件，在設備采購活動中提出相應的技術規范要求，進而采購到低鈷或無鈷的設備。

3.2.2減少設備材料中的鎳含量

58Co是由鎳基合金中的58Ni吸收熱中子，經(n，p)反應生成。在壓水堆核電站中，鎳基合金使用最多的是蒸汽發生器的“倒U”形傳熱管，所用鎳基合金材料為Inconel690，其中鎳的含量約60%，因此蒸汽發生器傳熱管是靶物質58Ni的主要來源[3-4]。

目前，鎳基合金Inconel690是最理想的蒸汽發生器傳熱管材料，尚沒有替代材料。但是一回路及其輔助系統其它一些設備中，以雜質形式存在的鎳還是可以通過材料替代去除的。

3.2.3減少或控制材料中的銀含量

天然銀中的109Ag吸收熱中子，經(n，γ)反應生成110mAg。壓水堆核電站一回路中110mAg主要來自于一回路設備所用含銀墊片和控制棒中109Ag的活化。

減少一回路中的110mAg的措施有： ①用其他材質的墊片替代含銀墊片(例如使用石墨墊片)；②改變控制棒的材料(例如使用B4C)；③改進控制棒工藝(例如增加厚度，降低破損率)等。

3.2.4減少或控制材料中的銻含量

自從我國成功研發出這兩種食品香料后，中國就開始成為多國的含硫香料進口地，而我國也徹底擺脫了純粹依賴進口的局面，成為迄今為止世界范圍內能夠生產這兩類香料的國家之一。

銻(122Sb和124Sb)對輻射源項也有影響。壓水堆核電站122Sb和124Sb主要來自于泵軸中的銻(銻可以增加耐磨度)、二次中子源(Be/Sb源)和燃料組件鋯合金包殼(含123Sb)。

銻污染的降低措施有：①含銻泵的替代換型[5]；②控制其他合金材料中121Sb和123Sb核素的含量；③在二次中子源棒材料不能替代的情況下，盡可能保證源棒不破損，例如包殼材料改進和異物控制等。

3.3 一回路水化學控制

3.3.1冷卻劑pH 值控制

一回路冷卻劑的pH值越小，其對一回路及其輔助系統設備的腐蝕性越強；冷卻劑pH值過大，其又會對燃料組件產生苛性腐蝕。因此，需要合理控制一回路冷卻劑的pH值。

pH值的控制在時間段上需進一步精細化。冷卻劑pH 值的優化調整主要有兩個方向：一是燃料循環初期盡早實現高pH值環境運行；二是大修期間精準實施水化學控制(即在大修期間，對放射性核素的沉積行為進行研究，獲得行為特征之后根據行為特征進行水化學控制優化)。

3.3.2停堆過程的溫度和氧化控制

反應堆在大修停閉時，一回路冷卻劑pH值會隨著溫度和壓力的下降而變小，當變化到酸性環境后，一回路活化產物會快速溶解，腐蝕產物也容易脫落。為了避免活化產物和腐蝕產物在一回路管線的再次沉積，一方面快速降溫并穩定至活化產物溶解度最大的溫度平臺，防止再次沉積形成輻射“熱點”；另一方面優化雙氧水的加注量和加注次數，增大腐蝕產物和活化產物的溶解量[6-7]。

3.3.3一回路注鋅技術應用

1994年美國首先應用一回路注鋅技術，截至2010年美國約56%的壓水堆核電機組實施了加鋅技術，加鋅技術在德國、巴西和日本的壓水堆核電站也有著廣泛的應用[8]。

圖4為美國Vogtle 2號機組實施注鋅后，蒸汽發生器下封頭冷、熱端輻射水平變化圖。由圖4可見，注鋅后機組輻射水平呈下降趨勢。從國外注鋅技術運行實踐經驗來看，注鋅技術是一項成熟的技術，國內核電站應盡快推動、落地實施。

3.4 腐蝕活化產物遷移控制

3.4.1設備表面的預處理

核電站在設計階段就要全面考慮一回路設備表面處理要求，包括設計階段的表面處理要求、設備制造階段的表面處理要求、工程調試階段的表面處理要求和運營階段的表面處理要求。例如電站在工程熱試階段，一回路可通過添加LiOH(Li的質量濃度1～2 mg/kg)，保持pH值9.8～10.5的堿性環境，使一回路系統設備表面在熱態下(290 ℃)鈍化300 h以上，生成致密保護膜[9]；運營階段則只能對更換的設備提出表面處理要求，例如設備采購時增加進行設備表面處理的技術要求，或者電廠在維修設備時，盡量清理干凈設備內表面的附著物，同時保護設備內表面不被劃傷、磕碰等。

(a) 下封頭冷端

(b) 下封頭熱端

3.4.2保持機組功率穩定運行

保持機組功率穩定運行，減少機組啟停堆的次數和升降功率的深度和頻次，減少熱沖擊的作用。熱沖擊會使沉積和吸附在堆芯內的活化腐蝕產物轉移到一回路及其它相關的系統中去。另外，在機組啟動過程中不可避免地會有(冷卻劑中)雜質進入一回路，從而增加了活化產物的生成量。

3.4.3防止異物進入一回路及輔助系統

異物對輻射源項的影響，一是威脅燃料包殼的完整性，導致裂變產物釋放；二是增加活化產物量。因此需要采取措施控制異物進入一回路，異物的控制措施要從兩方面制定：①從管理的角度建立防異物規章制度、落實防異物責任制等；②要采取一些具體的技術措施，例如防異物塞的使用、利用吸塵器吸取管道內打磨異物等。

3.4.4提高過濾凈化能力

減小一回路過濾器孔徑。核電站剛開始運行階段，為防止一回路過濾器頻繁堵塞，其過濾器孔徑一般都相對較大，隨著運行時間的增長，一回路冷卻劑水質逐漸變好并趨于穩定，這時候可根據過濾器的更換頻率，適當優化減小過濾器孔徑，以提高凈化效率。目前我國核電站均在逐步開展過濾器孔徑升級工作。

凈化流量的運行優化。在確保機組安全的前提下，大修前盡可能早的投運雙孔板保持最大凈化流量。同時在氧化凈化階段要盡可能保持主泵全流量運行，避免活化產物或者腐蝕產物在系統設備中再沉積。

3.5 放射性污染去除

3.5.1系統設備在線去污

(1) 化學方法去污。根據系統設備材質，選用合適的化學去污劑，將去污劑注入系統對單個或多個系統進行在線去污，該方法可以全面的降低系統的輻射水平。

(2) 物理方法去污。合理可行盡量多的使用動力排水裝置(ORFO)，執行專業人員需要進一步開發適用性更強、過濾效果更好、操作更方便的ORFO裝置；其次從流程上需要進一步規范ORFO的使用要求，擴大使用范圍，使其能真正發揮到應有的作用。

3.5.2系統設備離線去污

日常檢修或者停堆大修時，對拆卸下來的一回路設備盡量進行去污和常規清潔，例如閥瓣在研磨前進行去污，可大幅降低閥瓣的輻射水平，閥瓣研磨后，再對閥瓣進行去污和常規擦拭，既可以再次去除污染物，又可以盡可能少的將研磨碎屑帶入系統中。還有一些設備，如果可以使用超聲波去污的，盡量使用超聲波去污，可進一步提升去污效果。去污結束后如能再進行表面處理(例如鈍化)，則可進一步減少腐蝕產物的產生[10]。

3.5.3燃料組件超聲清洗的應用

1999年3月，美國Callaway電廠首次實施燃料組件超聲清洗工作。截至2008年，美國有19臺機組(電站)實施過46次燃料超聲波清洗，清洗后總體上機組輻射水平呈下降趨勢。圖5是Callaway核電站燃料清洗后蒸汽發生器下封頭冷、熱端輻射水平變化趨勢，可看出明顯的下降。

燃料的超聲波去污技術在國外也已經有成熟應用，國內一些核電科研院所和運營單位也一直在研究分析該技術的應用，但至今國內還沒有電廠嘗試應用。該技術也是今后降低輻射源項應用研究的一個方向。

3.6 小結

輻射源項控制的各方法中，設備材料控制是降低輻射源項最本質的方法，但遇到的困難和挑戰也是最大的。材料控制涉及到系統設備的安全，需要進行詳細的分析論證才能實施，該措施可以作為長期優化改進項進行分析研究和實施。

一回路水化學控制是目前核電站輻射源項研究和推進的主要方向，也是各類源項控制措施中效果最好的。現階段也存在一些瓶頸，例如一回路pH值的優化、涉及到技術規范的修改等。注鋅技術雖然在國外應用成熟，但在國內(除AP1000機組)遲遲沒有應用。

腐蝕活化產物遷移控制方面，機組穩定運行對輻射源項的影響可以有效實施，也是電廠核安全的要求。近些年由于核電機組參與調峰越來越多，機組穩定運行對輻射源項的影響，也已引起了電廠輻射防護人員的關注。關于防異物控制關乎燃料的安全性，電廠也在積極做好該項工作。關于一回路凈化效率的提升，有人擔心會增加濾芯的堵塞幾率，但從實施改造電廠的運行經驗看，濾芯升級為小孔徑后，更換頻率并沒有明顯增加。一回路凈化效率的提升也是目前核電站源項控制方面開展的主要工作之一。

放射性污染去除方面，現階段應用最多的是系統設備離線去污，在線去污應用的較少。在線去污(包括燃料超聲清洗)對系統設備的影響評價較為困難，同時在線去污存在輻射水平反彈的問題，這也是目前尚未廣泛推廣應用的原因之一。

(a) 下封頭冷端

(b) 下封頭熱端

4 放射性作業人工時控制

與降低輻射源項的技術措施相比，降低放射性作業人工時更多是依靠管理。降低人工時可結合提升能力因子(減少維修量、縮短大修工期、降低大修成本)行動共同推進。減少放射性作業人工時主要從兩方面開展：①減少放射性工作總量；②提高放射性工作效率。在減少放射性作業人工時方面，設備管理和維修專業能發揮至關重要的作用。

4.1 減少放射性工作總量

集體劑量與放射性工作量是相關的，放射性檢修工作量越大，通常情況集體劑量就越高。關于檢修工作量，有專業人員對國內某AP1000與CPR1000首次大修(均為最優工期)工作量進行了對比分析，發現AP1000首次大修工作量少于CPR1000機組，CPR1000機組總工單數有1萬多張，但AP1000機組僅有4千多張，該統計數據為大修總工單數，包括放射性工作量和非放射性工作量，從類比定性分析看，AP1000放射性工作量也應該少于CPR1000工作量。

AP1000工作量少，使得RCD階段(即完全卸料階段，核島主要檢修工作都集中在該階段)時間也縮短，AP1000 RCD階段時間為140多小時，CRP1000 RCD階段時間為760多小時。該AP1000機組首次大修集體劑量低于200 人·mSv，但CPR1000機組首次大修集體劑量最低值接近500 人·mSv。由此可見，檢修工作量的多少對集體劑量有著很大的影響。機組不同所致的工作量差異，在運行階段不能改變，但可以通過下述思路減少工作量。

4.1.1優化維修大綱和在役檢查大綱，從文件要求上減少工作量

在滿足法律法規和國家監管部門要求的前提下，優化核電站維修大綱、在役檢查大綱，從文件要求上減少預防性維修工作量，例如1年檢優化成2年檢、2年檢優化成3年或4年檢等。關于維修大綱和在役檢查大綱的優化，這既是核電站維修管理的優化，也是輻射防護最優化的體現，可減少人員的受照劑量。

4.1.2提升系統設備的可靠性，降低故障率

提升系統設備的可靠性，降低設備故障率，也可以減少維修工作量，這對控制集體劑量也是有益的。舉個反面的事例，某核電站核取樣系統由于取樣流量不穩定，導致機械專業、儀控專業和化學專業人員多次進入現場處理缺陷，由于該房間輻射水平較高，使得集體劑量額外增加。

4.2 提高放射性工作效率

4.2.1完善技能培訓體系，提升人員技能水平

不論是電廠員工還是合作伙伴員工，均要提升專業技術能力，確保工作人員有足夠的技能和經驗高質量地開展放射性工作。

現場作業人員要持續加強輻射防護技能提升，要清楚控制個人劑量和集體劑量最基本的防護措施和防護要求，并能嚴格實施。

在培訓資源方面，可逐步建立完善的mock-up培訓設施設備，例如將維修實操場地、輻射防護實操場地一體化，建立更真實的實操環境，以提高培訓效果。

4.2.2檢修工藝改進

(1)通過自動化改進，實現少人化。例如，關反應堆大蓋期間使用激光對中工具，減少人員下堆池的次數；閥門盤根取出專用工具的開發使用(RCP001/002VP氣動頭檢修的彈簧回裝工序中，彈簧力釋放需3人圍繞閥門多個方向實施，配合絲桿均勻釋放彈簧力以保證氣動桿對中，使用彈簧力釋放專用工具，能保證更好的彈簧對中，僅需一人即可完成彈簧力釋放，工作時間可節約30%)等。

(2)通過智能化改進，實現無人化。智能化是輻射防護領域今后發展的一個方向，在高劑量區域使用智能化設備，盡可能減少高劑量區域人工作業時間。例如在高輻射區域安裝攝像頭，減少運行人員在高輻射區域就地巡檢；使用機器人進行高輻射區域輻射水平測量；使用動力型密封焊自動切割工具等。

4.2.3強化專業間的配合

作業現場檢修專業間、檢修專業與服務專業、檢修專業與運行專業以及檢修專業與輻射防護專業間要加強配合，提高工作效率，避免在高輻射區域做重復性工作。例如，大修期間，屏蔽搭設和場地布置，在大修前檢修專業、服務專業和輻射防護專業要溝通交流，提前梳理需求，確定方案(包括明確需要搭設屏蔽的數量、地點、方式和時間窗口等)，實現精準、及時搭設屏蔽和布置場地，實現多專業共享檢修場地，避免重復搭拆，減少現場服務人員工作量。

另外，在大修期間可以建立現場聯合辦公點，實現一站式服務，協調處理各專業在時間、空間上的交叉作業，提高工作效率。

4.2.4其他

建立集體劑量控制的獎懲制度。例如，大修專項獎中預留2個專用名額給集體劑量優化成效顯著的集體和個人；日常期間將降低輻射源項和控制集體劑量的良好實踐納入“安全之星”的評選范圍之內等，以鼓勵各專業人員積極主動控制集體劑量。

4.3 小結

放射性作業人工時控制的各項措施中，維修大綱、在役檢查大綱的優化，對減少工作量有很大幫助，但大綱的優化涉及到電廠的維修管理的改進，該措施工作量較大，且涉及多個專業，短時內不易實現，但可作為一項長期任務跟蹤逐步實施。

提高工作效率方面，這也是電廠追求經營業績的目標之一，不論是管理改進還是技術改進均可以有效推動實施，作為輻射防護專業人員，需要做好的就是不斷收集國內外同行的良好實踐，聯合各執行專業做好管理和技術上的改進創新，以提高工作效率。

5 結語

降低集體劑量是一個需要核電運營者持續關注的問題，目前在CPR1000機組集體劑量的降低方面，主要通過控制輻射源項和減少放射性作業人工時，已經逐步建立了較為成熟的控制措施，有效降低了CPR1000核電機組集體劑量。但是在進一步降低集體劑量方面，還需要采取更多技術改進和管理優化措施。具體可以從以下幾方面采取措施：

(1)通過維修大綱優化，合理可行延長設備維修周期，減少設備過度維修，減少設備維修工作量，進而減少放射性作業人工時。

(2)提高設備的可靠性(例如設備精準選型、提升維修質量等)，以減少放射性作業人工時。

(3)自動化、智能化的設備、工具等開發應用，在維修工作中盡可能實現少人化或無人化，提高工作效率，減少高劑量區域作業的人工時。

(4)在現有源項控制的基礎上，需采取一些突破性的技術措施(例如注鋅、燃料超聲清洗等)以降低機組輻射水平，后續需盡快推動實施一回路注鋅技術落地，尤其是新建的華龍一號機組，需結合AP1000的良好實踐，分析論證從熱試開始實施注鋅的可行性，并推動實施。