核电厂生物屏蔽门优化研究.pdf

收稿日期:作者简介:杨京科(),男,四川内江人,助理工程师,硕士,从事核能技术研究工作(E m a i l q q 敭 c o m).核电厂生物屏蔽门优化研究杨京科,和述洲,匡力超,曾伟,赵彦(中核国电漳州能源有限公司,福建漳州 ;连云港市环境监测中心站,江苏连云港 )摘要:利用MC N P 程序构建了核电厂生物屏蔽门中子屏蔽装置,模拟了质量分数 的含硼聚丙烯、铜、石墨、钨镍合金等材料对中子的慢化和屏蔽效果,得到不同材料在不同厚度下的粒子屏蔽效果.MC N P 程序结果表明:选取 c m的三层复合屏蔽结构,第一层屏蔽材料选用 c m厚的铜,第二层屏蔽材料选用 c m厚的含硼聚丙烯,第三层屏蔽材料选用 c m厚的铅.三层复合屏蔽 结 构 对 中 子 屏 蔽 率 达 到 ,对射线屏蔽率达到 ,可提供连续性生物屏蔽,保证电厂辐射防护安全.关键词:MC N P;核电厂;生物屏蔽门中图分类号:TM 文献标志码:A文章编号:()S t u d yo nt h eO p t i m i z a t i o no f t h eB i o l o g i c a l S h i e l d i n gG a t eo fN u c l e a rP o w e rP l a n tYAN GJ i n g k e,HES h u z h o u,KUAN GL i c h a o,Z E N G W e i,Z HAOY a n(G u o d i a nZ h a n g z h o uE n e r g yC o,L t d,C NN P,Z h a n g z h o u,F u j i a nP r o v ,C h i n a;L i a n y u n g a n gE n v i r o n m e n t a lM o n i t o r i n gC e n t e r,L i a n y u n g a n g,J i a n g s uP r o v ,C h i n a)A b s t r a c t:An e u t r o ns h i e l d i n gd e v i c e f o r t h eb i o l o g i c a l s h i e l d i n gg a t e so fn u c l e a rp o w e rp l a n t sw a sc o n s t r u c t e db yu s i n gt h eMC N P p r o g r a m T h en e u t r o nm o d e r a t i o na n ds h i e l d i n ge f f e c t so f b o r o n c o n t a i n i n gp o l y p r o p y l e n e,c o p p e r,g r a p h i t e,t u n g s t e n n i c k e la l l o ya n do t h e rm a t e r i a l sw e r es i m u l a t e d,a n dt h ep a r t i c l es h i e l d i n ge f f e c to fd i f f e r e n tm a t e r i a l sa td i f f e r e n tt h i c k n e s s e sw e r eo b t a i n e d T h er e s u l t so ft h eMC N P p r o g r a ms h o wt h a ta c mt h r e e l a y e r c o m p o s i t e s h i e l d i n gs t r u c t u r e i s s e l e c t e d,t h e f i r s t l a y e r o f t h e s h i e l d i n gm a t e r i a l i s c o p p e rw i t ha t h i c k n e s so f c m,t h e s e c o n d l a y e ro f t h e s h i e l d i n gm a t e r i a l i s s e l e c t e d f r o mb o r o n c o n t a i n i n gp o l y p r o p y l e n ew i t ha t h i c k n e s so f c m,a n dt h e t h i r d l a y e ro f t h es h i e l d i n gm a t e r i a l i ss e l e c t e df r o ml e a dw i t hat h i c k n e s so f c m T h e t h r e e l a y e rc o m p o s i t es h i e l d i n gs t r u c t u r eh a san e u t r o ns h i e l d i n gr a t eo f a n dag a mm ar a ys h i e l d i n gr a t eo f ,w h i c hc a np r o v i d ec o n t i n u o u sb i o l o g i c a l s h i e l d i n ga n de n s u r et h er a d i a t i o np r o t e c t i o ns a f e t yo f t h ep o w e rp l a n t K e yw o r d s:MC N P;n u c l e a rp o w e rp l a n t;b i o l o g i c a l s h i e l d i n gg a t eC L Cn u m b e r:TM A r t i c l e c h a r a c t e r:AA r t i c l e I D:()前言核电厂是应对严峻能源危机的重要手段之一,其设计、建造、运行、屏蔽均采用纵深防御原则,从设备、措施上提供多重保护,以确保核电站放射性物质不发生泄漏.核屏蔽设计的主要任务是屏蔽中子和射线,.生物屏蔽门作为核电厂中的重要设备,它的中子屏蔽性能由中子能力、屏蔽材料、屏蔽厚度共同决定,生物屏蔽门的屏蔽能力对于核电厂安全具有重要意义.为保证核电厂安全,加强屏蔽门性能,文献进行了深入研究,门板采用“灌铅”,门玻璃选用Z F 铅玻璃,做模拟实验时将中子源视为点源,若考虑到中子源的中子能谱、中子角分布和屏蔽体与中子发生(n,)、(n,n,)反应等因素,会使屏蔽效果更优化.本文针对核电站生物屏蔽门需求,利用蒙特卡罗(MC)方法对屏蔽门采用三层复合设计,并使中子源具有特定的中子能谱和中子角分布,根据屏蔽材料的物理特性,获得不同粒子通过不同材料的屏蔽门后能量和反应截面分布,计算出不同材料在不同厚度下的粒子屏蔽效果,从科学的角度实现了对生物屏蔽门的优化.原理与材料 生物屏蔽门原理屏蔽原理为:高能快中子入射后,第一层屏蔽材料与之发生非弹性散射,此时需要选用非弹性散射截面足够大的屏蔽材料,在经过 次非弹性散射后,中子能量大幅降低,达到发生弹性散射的阈值;第二层屏蔽材料对能量小于M e V的中子进行弹性散射,需要选用原子序数低的材料,将中子能量降低至热中子能区,方便碳化硼的吸收;第三层屏蔽材料选用铅,对第一层和第二层屏蔽材料中产生的次级射线进行屏蔽 .屏蔽材料选择生物屏蔽门的材料物理参数如表所示,图为I A E A核数据库中不同物质与中子反应的非弹性散射截面示意图.由图和文献 可知:中子能量较高时,重核屏蔽效果好,第一层选取铁、铜、铅、钨为研究对象;中子能量低时,轻核屏蔽效果好,第二层选取石墨、石蜡、聚丙烯、碳化硼、含硼聚丙烯为研究对象;第三层用铅吸收中子与屏蔽材料发生中子俘获而产生的射线.表屏蔽材料的物理参数T a b l eP h y s i c a lp a r a m e t e r so f t h e s h i e l d i n gm a t e r i a l材料铁铜铅钨石墨聚丙烯碳化硼石蜡分子式F eC uP bWC(C H)nBCCnH n 密度/(g/c m)图不同物质中子反应非弹性散射截面图F i g I n e l a s t i cc r o s ss e c t i o n so fn e u t r o nr e a c t i o n so fd i f f e r e n t s u b s t a n c e sMC模型构建为研究不同材料对中子的屏蔽能力,建立生物屏蔽门装置模型如图所示.在屏蔽模型基本参数中,伽马探测器使用 mm mm碘化钠探测器(N a I),采用竖立法进行放置,中子源(M e V)到入射面距离为 c m,另一侧为透过面,透过面到探测器入射面距离为 c m.中子源与材料外的介质为空气,不考虑其他元素,复合屏蔽材料孔隙率为.生物屏蔽门结构由内向外依次是第一层、第二层、第三层屏蔽材料.为更精确描述中子源,采用何雄英 所描述的中子能谱和角分布,按照公式()将中子角分布转化为中子角产额数据并输入到MC N P 程序中,抽 样 粒 子,利 用F 卡 计 数,误 差 低于.dYd s i ndYd()()式中,dYd为中子角产额,为中子出射角,dYd为中子角分布.图生物屏蔽门示意图F i g T h es c h e m a t i co f t h eb i o l o g i c a l s h i e l d i n gg a t e 生物屏蔽门三层复合材料屏蔽结果对比与讨论 第一层种屏蔽材料对快中子慢化效果对比实验过程中第一层屏蔽材料依次填充铁、铜、铅、钨种材料,厚度梯度为、c m,模拟得到穿过屏蔽层的中子屏蔽率随慢化层厚度变化的规律如图所示.设置能量截断为 M e V,因为中子能量低于 M e V,相互作用截面变小,此时发生弹性散射,第二层轻核材料作为屏蔽体效果更佳.图能量高于M e V中子的屏蔽效果F i g T h es h i e l d i n ge f f e c to fn e u t r o n sw i t he n e r g i e sh i g h e r t h a nM e V由图可知,当第一层屏蔽物为钨和铜时,快中子屏蔽效果好,这是由于在 M e V高能区,屏蔽效果随原子序数的增加而增加(而且厚度增加到一定程度,屏蔽效果不再明显增加),也符合图的截面事实.当屏蔽材料增加到一定程度后屏蔽率的增长逐渐减缓,最终保持稳定,说明厚度只在一定区间内与屏蔽率成正比,因为厚度增加到一定程度时,中子能量会逐步减至M e V,此时发生弹性散射,上述种材料已不再适合作为下一层的屏蔽材料.考虑到屏蔽装置的实用与经济性,第一层选择与钨屏蔽效果相仿的铜 作 屏 蔽 物,厚 度 达 c m,其 屏 蔽 率 可达 .第二层种屏蔽材料对能量低于M e V中子屏蔽效果对比在第一层屏蔽材料为铜的基础上,第二层依次填充石墨、石蜡、聚丙烯、含硼聚丙烯种 材 料,厚 度 梯 度 为、c m,模拟得到穿过两层屏蔽体的中子注量率随第二层屏蔽材料厚度变化的规律如图所示.由图可知,铜与 含硼聚丙烯组合的热中子注量率最高,屏蔽率优于其他组合,但并不是第二层屏蔽物越厚,屏蔽效果越好,在 c m时,屏蔽率已超过 并保持稳定.图能量低于M e V中子的屏蔽效果F i g T h eS h i e l d i n ge f f e c to fn e u t r o n sw i t he n e r g i e sb e l o wM e V 第三层铅材料对中子及射线屏蔽效果为了彻底屏蔽中子和射线,将对射线屏蔽效果最好的铅设为屏蔽材料,其厚度梯度为、c m,模拟得到图(对中子的总屏蔽效果)和图(对射线注量率).图 生物屏蔽门对中子的总屏蔽效果F i g T h e t o t a l s h i e l d i n ge f f e c t o f t h eb i o l o g i c a ls h i e l d i n gg a t eo nn e u t r o n s图 生物屏蔽门(铅部分)对伽马屏蔽效果F i g T h eS h i e l d i n ge f f e c t o f t h eb i o l o g i c a ls h i e l d i n gg a t e(P b)o ng a mm a由图和图可以发现,生物屏蔽门对中子和射线的屏蔽率随着第三层铅材料的厚度增加而增加.为保证屏蔽效果,第三层铅材料的厚度选择 c m,对中子的屏蔽率为 ,对次级射线的屏蔽率为 ,达到生物屏蔽门的屏蔽要求.结论本文综合考虑了中子、辐射的影响和中子源 特 有 的 中 子 能 谱、中 子 角 分 布,通 过M C N P 模拟软件对不同中子屏蔽材料的屏蔽能力进行了对比,优化了生物屏蔽门的几何结构,可以得到如下结论:)每种材料对不同能量中子的慢化能力不同,生物屏蔽门中的屏蔽体采用三层结构最优,屏蔽体最佳厚度比为:.)第一层屏蔽材料选用铜来慢化快中子,第二层最佳屏蔽材料对M e V能量以下中子屏蔽效果最好的是含硼聚丙烯,第三层屏蔽材料选用对射线吸收能力极强的铅.)选取 c m的三层复合屏蔽结构,对中子屏蔽率达到 ,对射线屏蔽率达到 ,实现对高能中子的辐射防护.参考文献:H a i z h e n g W a n g,C a i d eP e n g()S t u d yo ni n t e g r a t e dd e v e l o p m e n ta n dh y b r i do p e r a t i o n m o d eo fn u c l e a rp o w e rp l a n t a n dp u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o nJ G l o b a lE n e r g yI n t e r c o n n e c t i o n ,():唐松乾,肖锋,谭怡,等“华龙一号”反应堆本体屏蔽设计J核动力工程,(S):李成武基于I n v e n t o r的某核电站反应堆本体设备吊装路径仿真优化J现代计算机,():杜思佳,刘余,李松蔚,等“华龙一号”反应堆本体结构C F D模型研究J热科学与技术,():张德,邹树梁,唐德文,等防辐射挖掘机屏蔽门的结构设计及其模态分析J南华大学学报(自然科学版),():赵新辉,谷德山,任万彬,等基于M C N P程序模拟的 M e V中子准直屏蔽材料的研究J东北师大学报(自然科学版),():曹琴琴 d D和d T中子源中子照相慢化准直屏蔽系统模拟设计D兰州:兰州大学,李冲核电站用热室屏蔽门设计及研究D扬州:扬州大学,彭凤梅复合材料对 M e V中子源屏蔽的M C模拟研究D上海:东华理工大学,郑彦包裹内爆炸物检测系统模拟和实验研究D长春:东北师范大学,何雄英中子密度测井及地层元素测井的蒙特卡罗模拟研究D兰州:兰州大学,