常葉笛,李卓然,王炳衡,高桂玲

(中國核電工程有限公司 反應(yīng)堆工藝研究所,北京100840)

隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,核技術(shù)在各行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛,隨之產(chǎn)生的廢舊放射源和放射性固體廢物持續(xù)增加[1]。有效的輻射屏蔽設(shè)計(jì)是放射性廢物庫安全管理的重要保障,只有確保放射性廢物庫輻射安全,才能保證輻射工作人員的健康[2]。

在進(jìn)行放射性廢物庫屏蔽設(shè)計(jì)過程中,不僅要求貯存庫接收標(biāo)準(zhǔn)按相關(guān)規(guī)定控制[3],且入庫貯存的廢物桶表面沾污水平也應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。

高放廢物靶件貯存在放射性廢物庫的廢物貯存井內(nèi),表面劑量率水平超過100 Sv·h-1,為滿足人員在廢物大廳內(nèi)檢修時的安全需求,應(yīng)為高放廢物貯存井設(shè)計(jì)屏蔽蓋板,使人員在蓋板上方活動時,所處位置的劑量率水平不超過橙區(qū)控制值(25 μSv·h-1)。

本文采用2種屏蔽材料,分別是密度為2.2 g·cm-3的混凝土和密度為7.8 g·cm-3的碳鋼,后者的屏蔽效果更強(qiáng),但材料的采購成本也更高,因此,在滿足輻射安全控制值要求的前提下,需綜合考慮不同材料的選取與配合,以達(dá)到降低設(shè)計(jì)成本,提高核設(shè)施經(jīng)濟(jì)性的目的。

貯存井蓋板輻射防護(hù)分析,采用了蒙特卡羅模擬方法[5],對工程設(shè)計(jì)中遇到的問題進(jìn)行模擬計(jì)算。蒙特卡羅方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算精度高、受幾何條件限制小、收斂速度與問題的維數(shù)無關(guān)及具有優(yōu)良的并行計(jì)算特性和同時計(jì)算多種未知量的能力[6]。基于這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),蒙特卡羅方法被國際反應(yīng)堆物理界認(rèn)為是新一代高精度高保真的堆芯物理分析方法的重要候選方法之一,也是國際上的研究熱點(diǎn)[7-8]。本文使用蒙特卡羅方法,對粒子輸運(yùn)進(jìn)行精細(xì)化建模模擬,提高了分析精度,為分析結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了依據(jù)。在屏蔽計(jì)算過程中,考慮到設(shè)備源項(xiàng)計(jì)算的不確定度等影響,考慮一定的安全裕量,通常為劑量率計(jì)算結(jié)果的2倍。

1 貯存井單元結(jié)構(gòu)

首先,使用蒙特卡羅方法對放射性廢物庫單個單元(貯存井)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,圖1為貯存井的結(jié)構(gòu)示意圖。其中,貯存井壁采用混凝土材質(zhì),厚度為30 cm,屏蔽蓋板采用整體碳鋼,厚度需達(dá)41 cm才能滿足橙區(qū)控制值的要求,這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可在較小的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)屏蔽效果,但造價也較昂貴。

(a)Top view

(b)Side view

實(shí)際上,放射性廢物庫中布置了多個貯存井,每個貯存井上的蓋板分布排列,因此需對多個蓋板進(jìn)行建模分析,考慮相鄰貯存井內(nèi)放射性廢物輻射的影響。

2 蓋板對屏蔽效果的影響

2.1 蓋板間縫隙寬度對屏蔽效果的影響

使用蒙特卡羅方法對多個貯存井結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,圖2為多個貯存井的結(jié)構(gòu)示意圖。

(a)Top view

(b)Side view

施工過程中廢物庫貯存井無法按照設(shè)計(jì)既定的精度進(jìn)行施工,貯存井定位精度偏差為±3 cm,因此,貯存井相鄰蓋板之間會形成0～6 cm的縫隙,這個縫隙是屏蔽薄弱項(xiàng),會造成放射性射線漏束,漏束的比例與縫隙的大小有關(guān),對施工精度造成的最小偏差與最大偏差之間所有縫隙尺寸進(jìn)行輻射防護(hù)建模及分析,不同寬度縫隙外的劑量率水平如表1所列。

表1 不同寬度縫隙外的劑量率水平

由表1可知,由于施工縫隙的存在,高放廢物產(chǎn)生的放射性射線會對外部空間造成較大的影響。因此在施工階段應(yīng)盡量減小縫隙,并在屏蔽不足時適當(dāng)增加屏蔽蓋板的厚度。

2.2 蓋板材料對屏蔽效果的影響

2.2.1 混凝土基座-碳鋼蓋板

為減小施工精度造成的碳鋼蓋板之間的縫隙,考慮將井下方的混凝土基座向上延伸,盡可能與上層的碳鋼蓋板貼合。使用蒙特卡羅方法建模,圖3為混凝土基座-碳鋼蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖。混凝土基座與碳鋼蓋板之間也有微小的縫隙,如圖4所示,但與第2.2.1節(jié)提到的縫隙(0～6 cm)相比,降低了一個量級,該方案的精度偏差為±3 mm,即整體縫隙尺寸為0～6 mm。

圖3 混凝土基座-碳鋼蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 混凝土基座與碳鋼蓋板之間的縫隙

對此蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行輻射防護(hù)分析,如需滿足屏蔽要求,碳鋼蓋板厚度需為41 cm,此時蓋板上方的劑量率水平為25 μSv·h-1,所需混凝土基座的厚度為85 cm,此時蓋板上方的劑量率水平為24 μSv·h-1。但混凝土基座與碳鋼蓋板未搭接的下半段部位,可能存在屏蔽厚度不足,使一部分放射性射線斜向泄漏。因此,為提高設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性,考慮將碳鋼蓋板修改為混凝土蓋板,解決基座與蓋板之間搭接不足的問題。

2.2.2 混凝土基座-混凝土蓋板

為進(jìn)一步消除施工偏差造成的縫隙帶來的放射性泄漏,將碳鋼蓋板調(diào)整為混凝土蓋板,同樣采用混凝土材料作為基座,相同混凝土材料之間的貼合更緊密。采用蒙特卡羅方法建模,圖5為混凝土基座-混凝土蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖。通過數(shù)值模擬,為滿足屏蔽要求,混凝土基座和混凝土蓋板所需的厚度均為100 cm,此時蓋板上方劑量率水平為23 μSv·h-1,滿足橙區(qū)劑量率控制值要求。

圖5 混凝土基座-混凝土蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖

3 不同類型貯存井內(nèi)壁結(jié)構(gòu)及貯存形式對屏蔽效果的影響

影響貯存井蓋板屏蔽效果的因素是多樣的,如貯存井內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)、每個貯存井內(nèi)放置放射性廢物的數(shù)量及放置形式等,利用蒙特卡羅方法分別建模模擬分析,貯存井內(nèi)壁為圓柱體及長方體時,多個貯存井的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

(a)Cylindrical inner wall

(b)Rectangular inner wall

分析可知,在每個貯存井內(nèi)放置4個廢物棒時,采用相同厚度的混凝土蓋板,圓柱形貯存井外的劑量率為3.38 mSv·h-1,長方體貯存井外的劑量率為4.03 mSv·h-1。不同形狀的貯存井壁會對相同厚度的屏蔽蓋板產(chǎn)生不同的屏蔽效果,其中,圓柱形貯存井的效果優(yōu)于長方體貯存井。

在滿足劑量率控制值要求的條件下,在單個貯存井內(nèi)放多個放射性廢物,可減少整個廢物庫內(nèi)對廢物貯存井?dāng)?shù)量的需求,較大地節(jié)約了建造成本,但又對屏蔽蓋板的厚度提出了更高的要求,因此需在二者之間尋求平衡,找到一個最佳解決方案。

4 結(jié)論

通過對比分析,發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行廢物庫貯存井屏蔽設(shè)計(jì)時,采用混凝土基座-混凝土蓋板結(jié)構(gòu),雖所需的屏蔽厚度是碳鋼結(jié)構(gòu)的2倍多,但由于混凝土材料價格低廉,仍可降低設(shè)計(jì)和建造的成本。同時在單個貯存井內(nèi)放置多個(但不是大量)廢物,并采用圓柱形內(nèi)壁結(jié)構(gòu),也可實(shí)現(xiàn)降低建造成本的目的。

因此在進(jìn)行輻射防護(hù)設(shè)計(jì)時,應(yīng)綜合考慮多方面的因素,利用蒙特卡羅計(jì)算方法,對可能對設(shè)計(jì)方案造成影響的因素,如基座和蓋板的材質(zhì)、每個貯存井內(nèi)放置的廢物數(shù)量及貯存井的內(nèi)壁形狀,進(jìn)行控制變量法分析,在分析一個特定參數(shù)的影響時,其他參數(shù)應(yīng)保持不變。通過對各個方案的對比分析,在保障輻射安全的前提下,提出較為經(jīng)濟(jì)的解決方案,如在本文的設(shè)計(jì)中,最終通過分析提出了采用混凝土基座-混凝土蓋板結(jié)構(gòu),在單個貯存井內(nèi)合理放置多個廢物,并采用圓柱形內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的方案,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。