一种有效缓解中子反照效应的堆坑小室通道屏蔽墙设计.pdf

收稿日期:作者简介:徐佳梁(),男,上海市人,工程师,硕士,从事辐射防护工作(E m a i l x u j i a l i a n g c n o s 敭 c n).一种有效缓解中子反照效应的堆坑小室通道屏蔽墙设计徐佳梁,贺晓刚(中原运维海外工程有限公司,上海 )摘要:本研究以中子与物质相互作用的基本原理为基础,通过推演的方式进一步探究了悬挑结构抑制反照中子产额的机理,并基于此机理,创造性地提出了一种新型屏蔽墙.该新型屏蔽墙在不改变原有墙体厚度和材料种类的前提下实现了抑制反照中子产额的功能.为验证该新型屏蔽墙对反照中子总数的影响,以百万千瓦级压水堆核电机组功率运行期间反应堆厂房内的中子能谱作为输入条件,采用蒙特卡罗模拟结合加权计算的方式进行研究,发现与平面屏蔽墙相比该新型屏蔽墙能够减少系统中约 的反照中子产额.关键词:中子屏蔽;反照中子;辐射防护;蒙特卡罗模拟;“华龙一号”中图分类号:TM 文献标志码:A文章编号:()T h eD e s i g no f t h eS h i e l d i n gW a l l o fR e a c t o rP i tC h a m b e rA d i t t h a tC a nE f f e c t i v e l yM i t i g a t e t h eN e u t r o nA l b e d oE f f e c tXUJ i a l i a n g,HEX i a o g a n g(O p e r a t i o na n dM a i n t e n a n c eE n g i n e e r i n gC o,L t d,C Z E C,S h a n g h a i ,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sa r t i c l e f u r t h e r e x p l o r e s t h em e c h a n i s mo f r e s t r a i n i n ga l b e d on e u t r o n sb y t h ec a n t i l e v e r s t r u c t u r et h r o u g hd e d u c t i o nb a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l eo fn e u t r o n s i n t e r a c t i o nw i t hm a t t e r s,a n dan e wt y p eo fw e l l s h a p e ds h i e l d i n gw a l l i sp r o p o s e db ys u mm a r i z i n gt h em e c h a n i s m T h i sn e wt y p eo fs h i e l d i n gw a l l r e a l i z e dt h ep u r p o s eo f r e s t r a i n i n ga l b e d on e u t r o n sw i t h o u t c h a n g i n g t h em a t e r i a l a n d t h i c k n e s so f t h eo r i g i n a lw a l l I no r d e rt ov e r i f y t h e i n f l u e n c eo f t h ew e l l s h a p e ds h i e l d i n gw a l l o n t h e t o t a l n u m b e ro f a l b e d on e u t r o n s,t h en e u t r o ne n e r g ys p e c t r u mi nt h er e a c t o rb u i l d i n gd u r i n gp o w e ro p e r a t i o no fa MW ep r e s s u r i z e dw a t e rr e a c t o rm e a s u r e d i nr e f e r e n c ei st a k e na st h e i n p u tc o n d i t i o n,a n dt h eM o n t e C a r l os i m u l a t i o nc o m b i n e dw i t hw e i g h t e dc a l c u l a t i o n i su s e d i nt h i ss t u d y I t f o u n dt h a t t h ea p p l i c a t i o no f t h ew e l l s h a p e ds h i e l d i n gw a l l i sa b l et or e d u c et h ea l b e d on e u t r o n sb y c o m p a r e dw i t ht h en o r m a l s h i e l d i n gw a l l K e yw o r d s:n e u t r o ns h i e l d i n g;a l b e d on e u t r o n;r a d i a t i o np r o t e c t i o n;M o n t e C a r l os i m u l a t i o n;H P R C 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:()堆坑小室通道屏蔽墙的中子反照效应堆坑小室通道屏蔽墙作为“华龙一号”机组的独有设计,其功能是允许工作人员在正常功率运行 工 况 下 有 限 制 地 接 近 堆 坑 开 展 工 作,如图所示.而在机组正常功率运行状态下中子辐射场将覆盖反应堆厂房包括堆坑小室通道在内的绝大部分区域.在当量剂量的估算过程中,辐射权重因数wR是一个非常重要的参数,在国际放射防护委员会(I C R P)的 号出版物所推荐的辐射权重因数表(见表)中,中子在特定能量下可以达到与粒子、裂变碎片和重离子相同的辐射权重因数,而与后三者不同的是中子作为非带电粒子,在生物组织和器官中的射程远比重带电粒子要长,也就意味着其对生物组织有着更大的威胁.图堆坑小室通道示意图F i g T h er e a c t o rp i t c h a m b e ra d i t表 I C R P推荐的辐射权重因数T a b l eR a d i a t i o nw e i g h t i n g f a c t o r s r e c o mm e n d e db yI C R P辐射种类辐射权重因数/wR光子电子和介子质子和带电介子粒子,裂变碎片,重离子 中子不同能量中子对应的辐射权重因数见图图不同能量中子的辐射权重因数wRF i g R a d i a t i o nw e i g h t i n gf a c t o r,wR,f o rn e u t r o n sv e r s u sn e u t r o ne n e r g y在中子束穿透屏蔽墙的过程中,有一部分会与屏蔽墙表面(或内部)的原子核发生散射,从而形成散射角大于 的中子,其中顺利地摆脱屏蔽墙又从入射表面逃逸出来的中子被称为反照中子,该现象被称为中子反照效应.反照中子的产生使得处于中子场内的人员面临受到更大中子剂量的风险.根据文献 的研究,当在屏蔽墙表面增加悬挑结构时,辐射场内的中子反照效应会受到抑制,其主要表现之一为系统中反照中子数量的减少.得益于此,处于辐射场内的人员所受到的来自中子的剂量也会相应地减小,从而有利于辐射防护最优化地实现.原理和设计思路中子与屏蔽墙之间的相互作用分为三类:吸收、穿透和散射.其中吸收和穿透的任一种情况只要出现一次,该中子就不会被当作反照中子计数.根据反照中子的定义,只有不断地经历散射直到从入射表面逃逸出来才会被记作反照中子.在排除了穿透这种情况后,只要在中子的入射点与探测器连线上适当增加悬挑结构,增加已经从入射表面逃逸出屏蔽体的中子被悬挑结构的材料吸收或慢化后吸收的概率,就可以达到减少系统中反照中子的目的.基于此规律对文献 中原本呈柱形分散分布的悬挑结构进行优化,新方案将柱形悬挑结构的几何体分别向水平和垂直方向进行扩展,最终形成了一种新型屏蔽墙结构,由于该结构形状远看酷似汉字的“井”字,故以下简称其为“井型屏蔽墙”.新方案设计本节将详细介绍井型屏蔽墙的结构尺寸.以图为例,每一个正方形单元格的边长为 c m(L),位于其上的小十字尺寸为c m宽(W)、c m高(H),整体外形效果图如图所示.在将其应用到堆坑小室通道的场景中时,考虑到屏蔽墙表面增加悬挑结构后不易清洁的问题,可以选用 C r N i 的mm不锈钢板将屏蔽墙有悬挑结构的一侧进行封装,封装前应对井型表面的各个小隔间进行充分清洁.该方案选取的材料为含硼聚乙烯,该种材料价格便宜、加工技术成熟且对热中子有较高的吸收截面,可以在有效抑制反照中子产生的同时,进一步强化屏蔽效果.图改进后的单元格示意图F i g T h e i m p r o v e dc e l l图井型屏蔽墙表面外形F i g T h es u r f a c eo f t h ew e l l s h a p e ds h i e l d i n gw a l l模拟实验结果的对比与分析 试验方法介绍反应堆工作场所中子辐射来源于燃料棒内的 U裂变中子经过重生物屏蔽材料的慢化和散射形成,一般中子能量范围为热能 M e V.通常包 括 三 部 分:)e V以 下(热 中 子 能区);)e V k e V(/En依赖的散射中子,En为中子能量);)k e V M e V(裂变中子及发生散射的中子).由于缺少“华龙一号”堆坑小室通道内的中子能谱数据,本研究中假设通道内的中子能谱与反应堆厂房内的中子能谱相似,根据文献 的实测数据选取了表中的几个典型能量作为入射中子的初始能量以及相应能级中子的份额信息.表模拟实验中子能量及其份额T a b l eN e u t r o ne n e r g ya n d i t s s h a r e i nt h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t类别入射中子能量E/M e V中子计数n中子份额 e V以下 e e e e V k e V e e e e k e V M e V e 进行比较的两种墙面为平面屏蔽墙与井型屏蔽墙,墙体厚度均为c m,井型屏蔽墙的悬挑结构外形尺寸按图所示,两种屏蔽墙均以含硼聚乙烯为材质.以多种不同能量的中子分别垂直入射屏蔽墙中心位置,每次模拟 个入射中子,然后计算平均一个中子所产生的反照中子数量,再通过一个位于x轴正向的半球型探测器收集反照中子.模拟结果对比通过蒙特卡罗模拟软件MC N P分别对平面屏蔽墙和井型平面墙进行模拟实验后得到结果见表,模 拟 结 果 的 方 差 在 到 (M e V中 子 源 对 井 型 平 面 墙)之 间,可 以接受.表蒙特卡罗软件对平面屏蔽墙和井型平面墙模拟结果对比表T a b l eC o m p a r i s o no f e x p e r i m e n t a l r e s u l t so fp l a n e s h i e l d i n gs t r e n g t ha n dw e l l s h a p ep l a n e s t r e r g t hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n tb yM o n t e C a r t os o f t w a r e类别入射中子能量E/M e V平面屏蔽墙中平均一个中子所产生的反照中子数量P井型屏蔽墙中平均一个中子所产生的反照中子数量W平面屏蔽墙所产生的反照中子总数PP 井型屏蔽墙所产生的反照中子总数WW 中子份额 e V以下 e e e V k e V e e e k e V M e V 模拟结果分析对表中的模拟结果进行处理,分别计算两种屏蔽墙的反照中子生成率以及减少率,得到表.表两种屏蔽墙的反照中子生成率以及减少率分析表T a b l eA n a l y s i s t a b l eo f t w o s t r o n g l ys h i e l d e dc o n t i r e f l e c t i o nn e u t r o ng e n e r a t i o nr a t e sa n dr e d u c t i o nr a t e s类别入射中子能量E/M e V对数坐标l o gE平面屏蔽墙反照中子生成率PP/井型屏蔽墙反照中子生成率WW/应用井型屏蔽墙后反照中子的减少率D(PW)/P 中子份额 e V以下 e e e V k e V e e e k e V M e V 对表中的入射中子能量一列取对数坐标,得到图平面屏蔽墙与井型屏蔽墙对各个能级入射中子所产生的反照中子生成率的对比.在图中,横轴为对入射中子能量的对数坐标,蓝线为平面屏蔽墙的反照中子生成率,红线为井型屏蔽墙的反照中子生成率,绿线为应用了井型屏蔽墙后的反照中子减少率.图平面屏蔽墙与井型屏蔽墙对各个能级入射中子所产生的反照中子总数的对比F i g C o m p a r i s o no f t h e t o t a l n u m b e ro f a l b e d on e u t r o n sp r o d u c e db y i n c i d e n tn e u t r o n sa t e a c he n e r g yl e v e lb yt h en o r m a l s h i e l d i n gw a l l a n dt h ew e l l s h a p e ds h i e l d i n gw a l l结论综上可知:)随着入射中子能量的增加,系统中产生的反照中子数量整体呈现下降趋势;)在所选取的 M e V能量范围内,井型屏蔽墙所产生的反照中子数总小于平面屏蔽墙;)应用井型屏蔽墙后反照中子的减少率呈上升趋势.此外,在反应堆功率运行期间反应堆厂房内的中子能谱分布是不均匀的,根据文献 测得的数据分别进行了类中子份额的计算,占比分别为 、和 .结合表的模拟结果,在考 虑 中 子 份 额 加 权 后 计 算 可 知:M e V能量范围内,与平面屏蔽墙相比井型屏蔽墙减少了系统中约 的反照中子数.总结本研究在文献 的研究成果基础上,根据中子与物质相互作用的原理,通过推演的方式进一步研究了悬挑结构抑制反照中子产生的原因,总结规律并提出了一种新型的井型屏蔽墙;以百万千瓦级压水堆核电厂机组功率运行期间反应堆厂房内所测得的中子能谱为输入选取了共计类、种不同能量的中子源,分别对平面屏蔽墙和新型的井型屏蔽墙进行蒙特卡罗模拟以计算各个系统中所产生的反照中子数量,并对模拟结果进行了分析.最后,通过加权计算得出堆坑小室通道在应用新型井型屏蔽墙的情况下将比使用普通平面屏蔽墙减少约 的反照中子数.本研究中的井型屏蔽墙所使用的含硼聚乙烯材料,其采购价格低廉,制造工艺成熟,也不会额外增加对设备制造和现场安装的负担,具有一定的推广价值.参考文献:徐佳梁基于MC N P模拟对“华龙一号”堆坑小室通道屏蔽 墙 的 优 化 设 计 J中 国 核 电,():I C R P,T h e R e c o mm e n d a t i o n so f t h e I n t e r n a t i o n a lC o mm i s s i o no nR a d i o l o g i c a lP r o t e c t i o nR I C R PP u b l i c a t i o n A n n I C R P()W a d eE S e l p h N e u t r o na n dG a mm a r a yA l b e d o sRT e n n e s s e eO a kR i d g eN a t i o n a lL a b o r a t o r y,曲冰,刘保生,李秀川,等 C P R 型核电机组反应堆厂房 的 中 子 能 谱 测 量 与 分 析 J辐 射 防 护 通 讯,():