反應(yīng)堆壓力容器退役包裝屏蔽方案初探

陳杏子，王旭宏，呂 濤，康寶偉，王 馨，夏加國(guó)

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

在核電退役廢物中，反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的大型設(shè)備放射性最強(qiáng)，其中以反應(yīng)堆壓力容器中段和堆內(nèi)構(gòu)件最為突出。此類(lèi)核電大型設(shè)備，具有尺寸大、質(zhì)量大、放射性強(qiáng)、較難處理整備的特點(diǎn)。為保證安全運(yùn)輸和處置，必須考慮其包裝屏蔽方案，使工作人員和公眾的受照劑量低于劑量限值并進(jìn)行優(yōu)化。基于此，本文以秦山核電一期工程機(jī)組數(shù)據(jù)為參考，提出核電退役反應(yīng)堆壓力容器(壓力容器筒體)的兩種包裝屏蔽方案，并從容器制造、運(yùn)輸、處置和經(jīng)濟(jì)等方面分析對(duì)比，為國(guó)內(nèi)核電站反應(yīng)堆壓力容器退役提供支持。

1 反應(yīng)堆壓力容器源項(xiàng)數(shù)據(jù)

1.1 反應(yīng)堆壓力容器基本結(jié)構(gòu)

秦山一期反應(yīng)堆壓力容器系圓柱形容器，由球型上、下封頭、螺接連接的可拆卸頂蓋及筒體組成。容器最大直徑約5 430 mm，總高10 705 mm，筒體外徑3 740 mm，內(nèi)徑3 340 mm，高度8 020 mm，壁厚194 mm。內(nèi)壁堆焊一層6 mm厚度的不銹鋼，主要材料為ASMESA508-Ⅲ高強(qiáng)度低合金鋼[1]。

1.2 壓力容器表面劑量分布

在核電單元運(yùn)行的第6個(gè)燃料循環(huán)階段(1998年)，測(cè)量了堆內(nèi)構(gòu)件(吊籃、堆芯底板等)、壓力容器和反應(yīng)堆頂蓋由于中子活化及活化腐蝕產(chǎn)物沉積產(chǎn)生的照射劑量，測(cè)得的壓力容器劑量率列于表1和圖1。

表1 壓力容器劑量率測(cè)量值與估算值(mSv/h)

圖1 壓力容器筒體各區(qū)域劑量分布情況(1998年)

調(diào)研相關(guān)資料可得，壓力容器的γ輻射源核素主要有Co-60、Fe-55[2]。停堆5～10年后，F(xiàn)e-55活度比Co-60低6～7個(gè)數(shù)量級(jí)，且Fe-55衰變放出的X射線能量較低，僅有5.9 keV，故壓力容器γ輻射源的主要核素為Co-60。估算壓力容器退役時(shí)劑量，具體如下：

(1)核電退役通常在停堆5～10年后開(kāi)始，在此期間，設(shè)備的劑量率會(huì)有所降低。Co-60的半衰期為5.272 a，用Co-60的半衰期可算出停堆10年后壓力容器表面劑量衰減倍數(shù)為0.268。

(2)參考反應(yīng)堆中堆內(nèi)吊籃在運(yùn)行中期(2008年)測(cè)得的表面劑量率約為1 000 Sv/h，前期測(cè)得的表面劑量率約為600 Sv/h(1998年),中期劑量率約為前期劑量率的1.6倍。基于此，將運(yùn)行后期(即停堆時(shí))壓力容器劑量估定為前期測(cè)量值(1998年)的3倍。由這兩點(diǎn)得到壓力容器退役階段經(jīng)去污后的劑量率估算值列于表1。

2 包裝屏蔽方案

反應(yīng)堆壓力容器的退役策略有兩種[3]，一種是整體退役處理；另一種是現(xiàn)場(chǎng)解體、包裝、處理后運(yùn)至處置設(shè)施處置，其具體方案有三種：保留壓力容器完整(單獨(dú)處理堆內(nèi)構(gòu)件)、保留壓力容器完整(堆內(nèi)構(gòu)件與壓力容器一起處理處置)、切割壓力容器。

考慮到堆內(nèi)構(gòu)件劑量率高，且其長(zhǎng)壽命核素活度高，與壓力容器一起處理不利于后續(xù)運(yùn)輸、處置，本文暫不對(duì)保留壓力容器完整(堆內(nèi)構(gòu)件與壓力容器一起處理處置)的方案進(jìn)行深入探討，僅考慮保留壓力容器完整(單獨(dú)處理堆內(nèi)構(gòu)件)與切割壓力容器兩種方案。

2.1 壓力容器完整件包裝屏蔽方案

反應(yīng)堆壓力容器中部劑量率較高，設(shè)計(jì)壓力容器完整件屏蔽方案重點(diǎn)在于壓力容器中部的輻射屏蔽及壓力容器整體的包裝。在保證后續(xù)運(yùn)輸、處置階段輻射安全前提下，選擇合適的容器材料與固定材料設(shè)計(jì)包裝屏蔽容器，降低壓力容器完整件廢物包的體積與質(zhì)量，以減輕運(yùn)輸與處置負(fù)擔(dān)。

2.2 壓力容器切割件包裝屏蔽方案

切割處理壓力容器需按照不同部位表面劑量進(jìn)行分類(lèi)切割，切割后將不同放射性水平的切割件分類(lèi)裝入標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)，再送到新建廢物處理設(shè)施分類(lèi)處理整備。中部切割件劑量率較高，需選擇合適的容器材料與固定材料，為其設(shè)計(jì)包裝屏蔽方案，保證滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，且整備后體積盡可能小。剩余劑量率較低的壓力容器上部、中部、下部，可用FA-II鋼箱裝載，并注漿固定。

3 輻射屏蔽材料篩選

反應(yīng)堆壓力容器中段靠近堆芯燃料棒的部位，受中子活化的反應(yīng)影響，在反應(yīng)堆運(yùn)行期間有微弱中子射線。停堆一段時(shí)間后，殘留中子射線耗盡，其劑量來(lái)自于中子活化反應(yīng)產(chǎn)生的γ射線，故輻射防護(hù)屏蔽的重點(diǎn)是γ射線。其屏蔽材料應(yīng)符合原子序數(shù)大、密度高和衰減系數(shù)高的要求，同時(shí)還需兼顧經(jīng)濟(jì)和環(huán)保因素。

常見(jiàn)屏蔽γ射線材料有水、土壤、鐵礦石、混凝土、鉛、鎢等以及高比重合金材料。考慮到退役壓力容器廢物尺寸大、質(zhì)量大，對(duì)屏蔽容器的承重能力要求較高。另外，參考相關(guān)研究成果[4]，根據(jù)材料特性，將金屬材料作為包裝容器的制造材料，可考慮常用的屏蔽材料——不銹鋼、鉛、鎳基合金[5]、鎢鎳合金[6]；廢物容器固定材料,主要考慮鋼段碎石防輻射混凝土[7]與42.5#硅酸鹽水泥[8]。鑒于鎳基合金、鎢鎳合金雖屏蔽效果佳，但價(jià)格昂貴，不將其列入模擬計(jì)算的考慮范圍。另外，鉛屏蔽效果好，但經(jīng)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，鋼材加鋼段碎石防輻射混凝土的組合即可滿足屏蔽要求，故此處選用不銹鋼作為屏蔽容器制造材料。

4 模擬計(jì)算

4.1 屏蔽計(jì)算依據(jù)

壓力容器的γ輻射源核素主要為Co-60[2]，其衰變放出的射線能量為1.33 MeV與1.173 MeV[9]，在模擬計(jì)算時(shí)可將Co-60作為輻射源的唯一核素，對(duì)不同屏蔽方案效果進(jìn)行分析計(jì)算。

根據(jù)《放射性物品安全運(yùn)輸規(guī)程》(GB 11806—2019)，放射性廢物包在運(yùn)輸過(guò)程中表面劑量率通常不超過(guò)2 mSv/h。一般來(lái)說(shuō)，核電運(yùn)行低放廢物包表面劑量率若超過(guò)了該限值，可將其放置于帶有輻射屏蔽效果的運(yùn)輸容器中，保證運(yùn)輸過(guò)程的輻射安全。而鑒于壓力容器尺寸大，無(wú)法用運(yùn)輸容器對(duì)其進(jìn)行輻射屏蔽，便將壓力容器的包裝容器表面劑量率限值設(shè)為2 mSv/h，以此為包裝屏蔽模擬計(jì)算限值。

4.2 包裝屏蔽方案計(jì)算分析

下面用MCNP程序分別對(duì)壓力容器完整件包裝屏蔽方案與切割件包裝屏蔽方案進(jìn)行模擬計(jì)算。

4.2.1壓力容器完整件包裝屏蔽方案計(jì)算分析

壓力容器完整件屏蔽容器外形為一大型圓柱體，材料為不銹鋼，內(nèi)部固定材料為具輻射屏蔽作用的鋼段碎石混凝土。經(jīng)多次模擬計(jì)算，確定屏蔽方案，結(jié)果列于表2及表4。

表2 壓力容器完整件包裝前后表面劑量率

壓力容器上部、下部、底部表面劑量較低，實(shí)際退役壓力容器處理工作中可視具體情況調(diào)整固定材料的用量。

4.2.2壓力容器切割件包裝屏蔽方案計(jì)算分析

壓力容器中部，高約3.5 m，內(nèi)徑為3 340 mm，外徑約為3 740 mm，經(jīng)MCNP程序輻射屏蔽計(jì)算，可將其切割為16等份后裝入16個(gè)設(shè)計(jì)加工的箱型鋼屏蔽容器，容器尺寸為1.49 m×1.49 m×1.36 m，壁厚3.5 cm，采用具輻射屏蔽作用的鋼段碎石混凝土作為固定材料，模擬分析結(jié)果列于表3與表4。

表3 壓力容器切割件包裝前后表面劑量率(mSv/h)

壓力容器上部、底部的劑量率小于2 mSv/h，下部劑量率接近2 mSv/h。經(jīng)FA-II鋼箱承重計(jì)算，可將其切割為30等份放入30個(gè)FA-II鋼箱。由于壓力容器的上部、下部和底部劑量率低，固定材料只需起到固定廢物的作用，因此用42.5#硅酸鹽水泥作為壓力容器上、下、底部的固定材料。

4.2.3方案對(duì)比

從屏蔽容器、固定材料成本、運(yùn)輸成本、處置成本等幾方面，對(duì)比分析壓力容器完整件包裝屏蔽方案與壓力容器切割件包裝屏蔽方案(表4)。

表4 方案分析對(duì)比

壓力容器完整件屏蔽包裝設(shè)計(jì)更復(fù)雜、成本更高，運(yùn)輸、處置成本極高；壓力容器切割件的屏蔽包裝、運(yùn)輸、處置相對(duì)無(wú)技術(shù)難點(diǎn)，成本更低。

目前尚存在的不確定因素，即在秦山核電一期退役之時(shí)周邊有無(wú)可處置壓力容器的處置設(shè)施或場(chǎng)地，該問(wèn)題現(xiàn)階段很難做出精確預(yù)測(cè)。就包裝、運(yùn)輸、處置方面考慮，切割壓力容器的方案更為理想。

5 結(jié)論

(1)若選擇保留壓力容器完整的方案，需為壓力容器設(shè)計(jì)大型的包裝屏蔽容器。

(2)若選擇切割壓力容器的方案，需為壓力容器中部切割段設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的屏蔽容器，壓力容器上、下、底部切割件可用低放廢物鋼箱包裝，無(wú)需額外輻射屏蔽考慮。

(3)除包裝屏蔽方案外，壓力容器切割件對(duì)應(yīng)的運(yùn)輸方案與處置方案也優(yōu)于壓力容器完整件對(duì)應(yīng)的方案，后期核電退役設(shè)計(jì)工作可重點(diǎn)考慮切割壓力容器方案。