李 輝，臧義坤，胡屹鵬

(1.中核霞浦核電有限公司，福建 霞浦 355100； 2.三門核電有限公司，浙江 三門 317112； 3.福建福清核電有限公司，福州 350318)

三門核電一期工程建設(shè)的兩臺(tái)機(jī)組(1號(hào)、2號(hào))均采用AP1000技術(shù)，為美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)的第三代核電機(jī)組，其在設(shè)計(jì)上廣泛引進(jìn)一些先進(jìn)的、成熟的輻射防護(hù)技術(shù)。比如一回路加鋅、蒸汽發(fā)生器一回路水室電解拋光、壓力容器采取一體化頂封頭設(shè)計(jì)、乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)通道采用水囊屏蔽、采用非能動(dòng)安全系統(tǒng)減少設(shè)備數(shù)量、核島允許無(wú)線信號(hào)傳輸便于開(kāi)展無(wú)線劑量監(jiān)測(cè)等。通過(guò)這些設(shè)計(jì)以期降低機(jī)組輻射水平和工作人員職業(yè)照射劑量。三門核電1號(hào)、2號(hào)機(jī)組已于2018年商運(yùn)，目前已積累較多的輻射防護(hù)數(shù)據(jù)，本文結(jié)合這些數(shù)據(jù)，并對(duì)比國(guó)內(nèi)CPR1000機(jī)組的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)AP1000機(jī)組的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并給出三門核電AP1000機(jī)組在輻射防護(hù)運(yùn)行管理及技術(shù)改進(jìn)方面的建議。

1 三門核電AP1000機(jī)組輻射防護(hù)設(shè)計(jì)

1.1 一回路加鋅

三門核電1號(hào)、2號(hào)機(jī)組在首次熱態(tài)功能試驗(yàn)期間(裝料前)就開(kāi)始加鋅。加鋅的方式是通過(guò)鋅添加箱往一回路中連續(xù)注入20～5 000 ppm(10-6)的醋酸鋅(貧化鋅)，最大添加速率為0.01 m3/h，鋅添加箱中的醋酸鋅濃度主要根據(jù)系統(tǒng)中鋅濃度是否平衡、凈化流量和加鋅泵流量確定配置。三門核電AP1000機(jī)組一回路冷卻劑中的鋅濃度控制范圍為(10±5)ppb(10-9)。根據(jù)研究[1]，加鋅能明顯降低系統(tǒng)中的58Co和60Co，同類型機(jī)組加鋅運(yùn)行幾個(gè)燃料循環(huán)后機(jī)組輻射水平比加鋅前最多能降低50%。

1.2 采用較高pH值運(yùn)行

pH值是通過(guò)調(diào)節(jié)鋰-硼濃度進(jìn)行控制的，pH值的優(yōu)化也就是鋰-硼協(xié)調(diào)曲線的優(yōu)化。水化學(xué)控制對(duì)劑量率的降低也起到了重要的作用，采用改進(jìn)型Li-B協(xié)調(diào)曲線要優(yōu)于Li-B協(xié)調(diào)曲線[2]。三門核電AP1000機(jī)組首循環(huán)采用改進(jìn)型Li-B 協(xié)調(diào)曲線，如圖1所示。具體為：機(jī)組啟動(dòng)加熱過(guò)程中維持4.5 ppm的鋰濃度，然后沿著pH值7.0進(jìn)行協(xié)調(diào)變化，鋰濃度達(dá)到3.5 ppm后保持恒定，維持3.5 ppm直到目標(biāo)pH值7.3，后續(xù)鋰濃度隨著硼濃度協(xié)調(diào)變化，維持目標(biāo)pH值7.3，達(dá)到目標(biāo)pH值后允許有0.1pH值的上下浮動(dòng)空間。

圖1 三門核電AP1000機(jī)組首循環(huán)硼鋰協(xié)調(diào)曲線

1.3 停堆氧化操作

氧化操作是壓水堆核電站降低輻射源項(xiàng)的重要手段之一[3]。三門核電AP1000機(jī)組也執(zhí)行停堆氧化操作，當(dāng)一回路冷卻劑溫度降到82 ℃以下,往一回路冷卻劑中添加H2O2(濃度：30%，總量8 L左右)。為保證氧化過(guò)程的反應(yīng)速度，添加過(guò)氧化氫時(shí)，一回路冷卻劑溫度盡量維持在75～82 ℃之間。一回路冷卻劑中過(guò)氧化氫的濃度要求控制在2～10 ppm，若濃度高于10 ppm,則需考慮隔離除鹽床(高于10 ppm可能導(dǎo)致除鹽樹(shù)脂分解)，直到其濃度低于10 ppm后再投運(yùn)。氧化操作期間，維持化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(CVS)最大下泄流速，進(jìn)行主系統(tǒng)凈化。停主泵期望值為：58Co<25 000 Bq/g、133Xe<1 500 Bq/g、131I<100 Bq/g、110mAg<4 000 Bq/g，沒(méi)有設(shè)置停主泵限值，如果根據(jù)放射性核素活度濃度計(jì)算的停主泵運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大修計(jì)劃時(shí)間，則由生產(chǎn)計(jì)劃和保健物理部門評(píng)估對(duì)后續(xù)工期及人員受照劑量的影響，決定是否繼續(xù)凈化或者停運(yùn)主泵。

1.4 蒸汽發(fā)生器一回路水室電解拋光

實(shí)踐表明電解拋光對(duì)于降低沸水堆的輻射場(chǎng)是有效的。對(duì)壓水堆蒸汽發(fā)生器重要部件使用電解拋光的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明不會(huì)產(chǎn)生不良效果[4]。鑒于以上研究結(jié)論，AP1000機(jī)組對(duì)蒸汽發(fā)生器一回路水室進(jìn)行了電解拋光處理，拋光后一回路水室內(nèi)表面光潔度為0.63 μm，這為降低活化腐蝕產(chǎn)物沉積提供了良好基礎(chǔ)。AP1000機(jī)組的其他設(shè)備暫未應(yīng)用電解拋光技術(shù)。

1.5 優(yōu)化設(shè)備維修[5]

AP1000機(jī)組在設(shè)計(jì)上通過(guò)減少設(shè)備數(shù)量、提高設(shè)備免維護(hù)率、降低設(shè)備檢修復(fù)雜度等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢修的最優(yōu)化，降低檢修人員的受照劑量。

在減少設(shè)備數(shù)量方面，AP1000機(jī)組只有2個(gè)環(huán)路，且AP1000機(jī)組采用的是非能動(dòng)安全系統(tǒng)，相比于國(guó)內(nèi)其他類型的壓水堆機(jī)組，其安全系統(tǒng)的閥門、泵和管道分別減少了約50%、35%和80%。

在提高設(shè)備免維護(hù)率方面，AP1000機(jī)組有2個(gè)典型的例子：一個(gè)是主泵，AP1000機(jī)組采用的是全密封式的屏蔽電機(jī)泵，理論上在60年內(nèi)不需要解體檢修，而國(guó)內(nèi)其他類型機(jī)組的主泵在運(yùn)行一段時(shí)間后均需要進(jìn)行解體檢修；另一個(gè)是AP1000機(jī)組用永久性的堆腔密封環(huán)取代了常規(guī)機(jī)組用的臨時(shí)膨脹式橡膠密封環(huán)，后者在每次換料期間都需要安裝和拆卸，有時(shí)因?yàn)樾孤┻€需要對(duì)其進(jìn)行改裝。

在降低設(shè)備檢修復(fù)雜度方面，AP1000機(jī)組典型的例子是反應(yīng)堆壓力容器采用一體化頂封頭，相比于國(guó)內(nèi)一些運(yùn)行機(jī)組的非一體化頂封頭，其拆卸與安裝工作量減少了很多，檢修時(shí)間大大減少。

1.6 優(yōu)化輻射源屏蔽[5]

AP1000機(jī)組的乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)通道屏蔽采用的是水囊屏蔽，即在乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)通道混凝土模塊與鋼制安全殼之間寬5.08 cm的地震縫中安裝水囊。因?yàn)樗螤羁勺儯梢猿錆M整個(gè)地震縫。而且水囊還設(shè)計(jì)有充排水管線，這使得水囊的維護(hù)變得很簡(jiǎn)單。

AP1000機(jī)組水囊屏蔽效果十分理想，三門核電1號(hào)機(jī)組在首次大修裝換料過(guò)程中，乏燃料組件經(jīng)過(guò)時(shí)，水囊上部外表面接觸劑量率基本為本底輻射水平。

1.7 無(wú)線劑量監(jiān)測(cè)

AP1000機(jī)組允許在核島內(nèi)進(jìn)行無(wú)線信號(hào)傳輸，且AP1000機(jī)組還設(shè)計(jì)了一套無(wú)線電話系統(tǒng)，這為AP1000機(jī)組應(yīng)用無(wú)線劑量監(jiān)測(cè)(RMT)技術(shù)提供了良好基礎(chǔ)。RMT技術(shù)在國(guó)外的一些核電廠中已得到較為廣泛的應(yīng)用，大量實(shí)踐表明，RMT技術(shù)的應(yīng)用能減少輻射防護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督的工作量和受照劑量，有助于輻射工作人員職業(yè)照射劑量的精細(xì)化管理，有助于輻射調(diào)查[6]。

三門核電2018年已開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了RMT，RMT的信號(hào)通過(guò)無(wú)線電話系統(tǒng)傳輸。目前三門核電RMT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電子式個(gè)人劑量計(jì)、γ劑量率探頭、移動(dòng)式空氣污染監(jiān)測(cè)儀及攝像頭無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，并開(kāi)發(fā)了配套的管理軟件。從應(yīng)用情況來(lái)看，已具備初步使用功能，但因AP1000機(jī)組無(wú)線電話系統(tǒng)在局部區(qū)域信號(hào)質(zhì)量較差，導(dǎo)致RMT在局部區(qū)域應(yīng)用效果不佳。

2 三門核電AP1000機(jī)組輻射防護(hù)設(shè)計(jì)分析

三門核電1號(hào)、2號(hào)機(jī)組相繼于2018年6月、8月并網(wǎng)發(fā)電，兩臺(tái)機(jī)組商運(yùn)至今，積累了較多的輻射防護(hù)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并對(duì)比CPR1000機(jī)組(福清核電3號(hào)、4號(hào)機(jī)組)相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，從輻射水平以及職業(yè)照射劑量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)AP1000機(jī)組輻射防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2.1 機(jī)組輻射水平

機(jī)組在運(yùn)行期間和停堆大修期間的輻射水平是輻射防護(hù)設(shè)計(jì)效果最直觀的體現(xiàn)。選取三門核電AP1000機(jī)組部分典型區(qū)域的輻射水平與福清核電3號(hào)、4號(hào)機(jī)組相應(yīng)區(qū)域的輻射水平進(jìn)行對(duì)比，分析AP1000機(jī)組輻射防護(hù)設(shè)計(jì)效果。

2.1.1滿功率運(yùn)行期間機(jī)組輻射水平

(1) 核島廠房

滿功率運(yùn)行期間，三門核電AP1000機(jī)組核島廠房典型區(qū)域輻射水平與福清3號(hào)、4號(hào)機(jī)組相應(yīng)區(qū)域輻射水平列于表1。

表1 滿功率運(yùn)行期間AP1000機(jī)組與CPR1000機(jī)組核島廠房典型區(qū)域輻射水平

通過(guò)與CPR1000機(jī)組的輻射水平數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出，滿功率運(yùn)行期間AP1000機(jī)組與CPR1000機(jī)組主泵附近環(huán)境劑量率相近；AP1000機(jī)組安注箱房間環(huán)境劑量率為CPR1000機(jī)組的5倍；CPR1000機(jī)組換料操作平臺(tái)上的環(huán)境劑量率約為AP1000機(jī)組的30倍。通過(guò)輻射水平對(duì)比可以看出，AP1000機(jī)組核島廠房部分區(qū)域(主要是換料操作平臺(tái))的生物屏蔽效果比CPR1000機(jī)組好。

(2) 輔助廠房

AP1000機(jī)組設(shè)計(jì)文件給出，滿功率運(yùn)行期間，輔助廠房共有41個(gè)房間的設(shè)計(jì)輻射分區(qū)為橙區(qū)以上，根據(jù)三門核電AP1000機(jī)組的日常運(yùn)行輻射調(diào)查數(shù)據(jù)，實(shí)際僅除鹽床/過(guò)濾器間(12151)、廢樹(shù)脂暫存間(12373)、廢物處理罐區(qū)域(12374)及核島液體廢物系統(tǒng)泵房間(12268)部分區(qū)域的輻射水平曾超過(guò)1 mSv/h，其他房間的輻射水平還未發(fā)現(xiàn)超過(guò)1 mSv/h的情況，大部分房間的環(huán)境劑量率處于本底～10 μSv/h的水平。

(3) 附屬?gòu)S房及放射性廢物廠房

滿功率運(yùn)行期間，在未存放放射性物質(zhì)的情況下，附屬?gòu)S房及放射性廢物廠房的輻射水平基本為本底水平。

2.1.2停堆大修期間機(jī)組輻射水平

三門核電1號(hào)機(jī)組與福清核電3號(hào)、4號(hào)機(jī)組首次大修氧化運(yùn)行結(jié)束(停主泵)后核島廠房及余熱排出系統(tǒng)主要設(shè)備間典型測(cè)量位置的輻射水平列于表2。

從表2可以看出，停堆大修期間，AP1000機(jī)組主泵附近的劑量率與CPR1000機(jī)組相近；AP1000機(jī)組安注箱A/B間的劑量率約為CPR1000機(jī)組的17倍(兩個(gè)房間劑量率平均值的比值)；AP1000機(jī)組蒸汽發(fā)生器一回路人孔附近劑量率是CPR1000機(jī)組的14倍；AP1000機(jī)組余熱排出系統(tǒng)主要設(shè)備平均輻射水平約為CPR1000機(jī)組的1/2。

表2 停堆大修期間AP1000機(jī)組與CPR1000機(jī)組典型區(qū)域輻射水平

AP1000機(jī)組安注箱A/B間劑量率高的主要原因是停堆氧化操作結(jié)束后房間內(nèi)的PXS-V123 A/B(爆破閥)、PXS-V125 A/B(爆破閥)下游管道出現(xiàn)熱點(diǎn)，熱點(diǎn)管道接觸劑量率為2 mSv/h以上。蒸汽發(fā)生器一回路人孔附近劑量率高的原因也是附近存在熱點(diǎn)管道，熱點(diǎn)管道接觸劑量率為1 mSv/h以上。三門核電1號(hào)機(jī)組大修氧化操作結(jié)束后，除了11206、11207、11301、11302存在熱點(diǎn)管道外，11300維修平臺(tái)也存在兩處熱點(diǎn)管道。這些管道基本為非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)管道，均是在氧化操作結(jié)束后形成，經(jīng)過(guò)初步調(diào)查，形成熱點(diǎn)的原因是這些管道存在盲端、彎管及管道變徑，管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)性太差，氧化操作期間這些管道內(nèi)介質(zhì)沒(méi)有得到充分凈化，腐蝕活化產(chǎn)物容易在這些管道內(nèi)沉積。而且這些管道的位置在整個(gè)一回路中處于偏低位置，氧化操作結(jié)束后，這些管道內(nèi)的高放射性物質(zhì)無(wú)法及時(shí)排出。

2.2 機(jī)組職業(yè)照射劑量

三門核電1號(hào)機(jī)組已經(jīng)歷了一個(gè)完整的燃料循環(huán)(2018年6月30日至2020年1月19日，近18個(gè)月)，期間經(jīng)歷了一次50%平臺(tái)小修，一次100%平臺(tái)小修，兩次調(diào)停，以及首次大修(工作量相當(dāng)于10年大修)，其職業(yè)照射劑量數(shù)據(jù)具有一定代表性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，1號(hào)機(jī)組一個(gè)燃料循環(huán)的集體照射劑量為377.5 人·mSv，其中首次大修集體照射劑量為361.4 人·mSv，集體照射劑量年化值為251.7 人·mSv(一個(gè)燃料循環(huán)集體劑量×12/18)。AP1000機(jī)組劑量預(yù)估文件給出一個(gè)燃料循環(huán)的集體照射劑量為468.0 人·mSv，集體照射劑量年化值為312.0 人·mSv[7]。三門核電1號(hào)機(jī)組職業(yè)照射劑量實(shí)際值比設(shè)計(jì)預(yù)估值低19.3%。

大修集體劑量通常占機(jī)組一個(gè)燃料循環(huán)集體劑量的90%以上，結(jié)合海陽(yáng)核電1號(hào)、2號(hào)機(jī)組及福清3號(hào)、4號(hào)機(jī)組首次大修集體劑量及工期(具體見(jiàn)表3)，可以看出AP1000機(jī)組首次大修的集體劑量及工期均約為CPR1000機(jī)組的1/2。

表3 AP1000機(jī)組與CPR1000機(jī)組首次大修集體劑量

此外，初步統(tǒng)計(jì)了大修期間AP1000機(jī)組11206、11207、11301、11302四個(gè)房間(此四個(gè)房間也是輻射水平明顯高于CPR1000機(jī)組的典型區(qū)域)內(nèi)開(kāi)展的檢修工作的集體劑量，約為100.0人·mSv，約占整個(gè)機(jī)組大修集體劑量的27.7%。這四個(gè)房間內(nèi)開(kāi)展的檢修工作的集體劑量較高的原因除了環(huán)境劑量率較高外，還有一個(gè)原因是房間內(nèi)設(shè)備布局十分緊湊，檢修空間狹小。如11206、11207房間，此次1號(hào)機(jī)組大修只需要檢修底層兩個(gè)爆破閥，但是這兩個(gè)爆破閥要吊出檢修必須拆掉其上方的兩個(gè)爆破閥，增加了近一倍的工作量，同時(shí)增加了近一倍的受照劑量。又如11301、11302房間一回路人孔附近，空間十分狹小，搭建核空氣隔離間(SAS棚)較為困難，耗時(shí)較多，且檢修人員在SAS內(nèi)活動(dòng)范圍十分小(約1 m2)，嚴(yán)重影響工作效率，導(dǎo)致同樣的工作比國(guó)內(nèi)其他類型機(jī)組耗時(shí)都要多。

雖然大修期間AP1000機(jī)組部分主要檢修工作場(chǎng)所的輻射水平明顯高于CPR1000機(jī)組，但AP1000機(jī)組的大修集體劑量卻明顯低于CPR1000機(jī)組，其主要原因是工作量少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，三門核電1號(hào)機(jī)組首次大修總工單數(shù)量為5 763個(gè)，其中輻射工作工單870個(gè)；而福清3號(hào)、4號(hào)機(jī)組首次大修平均總工單數(shù)為9 186個(gè)，輻射工作工單數(shù)約5 500個(gè)。AP1000機(jī)組首次大修輻射工作工單數(shù)量約為CPR1000機(jī)組的1/6。

3 AP1000機(jī)組輻射防護(hù)管理及技術(shù)改進(jìn)建議

從AP1000機(jī)組實(shí)際運(yùn)行輻射防護(hù)數(shù)據(jù)來(lái)看，AP1000機(jī)組實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，機(jī)組實(shí)際的職業(yè)照射劑量低于設(shè)計(jì)值。而且，AP1000機(jī)組的職業(yè)照射劑量低于CPR1000機(jī)組。雖然AP1000機(jī)組最終輻射防護(hù)設(shè)計(jì)效果較好，但要實(shí)現(xiàn)輻射防護(hù)最優(yōu)化，仍需從以下幾個(gè)方面加以改進(jìn)：

(1)根據(jù)機(jī)組實(shí)際輻射水平數(shù)據(jù)，逐步申請(qǐng)調(diào)整按照設(shè)計(jì)分區(qū)劃分為橙、紅區(qū)房間的分區(qū)等級(jí)，減少橙、紅區(qū)數(shù)量，以減輕現(xiàn)場(chǎng)輻射防護(hù)運(yùn)行管理的工作負(fù)擔(dān)。

(2)優(yōu)化PXS管道、閥門布置，減少盲端、彎管及管道變徑，提高停堆氧化操作期間PXS管道內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)性，并且可以考慮增加PXS管道內(nèi)介質(zhì)快速排空功能，以減少停堆氧化操作結(jié)束后PXS熱點(diǎn)管道的數(shù)量。

(3)優(yōu)化設(shè)備布局，預(yù)留足夠的檢修空間，特別是高劑量率設(shè)備的布置，以提高檢修工作效率，降低檢修工作人員的受照劑量。

(4)優(yōu)化無(wú)線電話系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在不影響核安全的前提下提高無(wú)線電話系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量，為RMT應(yīng)用提供良好基礎(chǔ)。