黨同強，應棟川，楊 琪，曾 勤，3，王國忠，鄒 俊，3，龍鵬程，3，吳宜燦，3，F(xiàn)DS團隊

（1．中國科學技術(shù)大學核科學技術(shù)學院，安徽合肥230027；2．中國科學院核能安全技術(shù)研究所，安徽合肥230031；3．中國科學院等離子體物理研究所，安徽合肥230031）

ITER作為世界上第一個托卡馬克聚變實驗堆，它的聚變功率為500MW、可持續(xù)燃燒400s，在運行期間產(chǎn)生能量高達14．1MeV的中子。為了有效屏蔽由托卡馬克產(chǎn)生的強輻射，在托卡馬克外面設(shè)置了一層屏蔽，即生物屏蔽層。在生物屏蔽層內(nèi)是窗口間隙，其中有許多管道和部件。在赤道窗口生物屏蔽層外有一個窗口室，它是放置各種電子儀器和管道的場所，在停堆期間允許人員進入進行維修等操作，具體布局如圖1所示。為了有效降低停堆后窗口室中人員所受的劑量，保證工作人員的安全，需要窗口室前面的生物屏蔽層提供足夠的屏蔽。本文中研究了窗口室中的劑量率分布，以檢驗生物屏蔽層的屏蔽特性。

圖1 ITER托卡馬克和窗口室截面Fig．1 Cross－section of ITER tokomak and port cells

借助于蒙特卡羅自動建模軟件MCAM［1－4］和赤道窗口CAD模型創(chuàng)建了中子學模型，然后再將該模型整合到ITER中子學分析的基準模型Alite4［5］中。使用MCNP［6］－FISPACT［7］耦合的“兩步法”劑量率計算方法，分析研究了ITER裝置停機后窗口室中的劑量率分布。

這些工作都是在大型多功能中子學計算分析系統(tǒng)VisualBUS［8－9］平臺上完成的。它是由FDS團隊開發(fā)的具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的大型多功能中子學計算分析系統(tǒng)，它包括三維CAD自動建模、多功能中子學計算、計算過程與結(jié)果可視化、計算結(jié)果優(yōu)化四大部分功能，同時以FDS團隊自主研發(fā)的混合評價數(shù)據(jù)庫HENDL［10－12］為數(shù)據(jù)庫平臺，可以應用于蒙特卡羅和離散縱標法多維復雜中子學模型建模與輸運計算、四維中子物理過程求解、各類反應率計算和停堆劑量計算，以及四維動態(tài)可視化分析等。

1 赤道窗口模型創(chuàng)建

ITER組織于2009年10月向世界發(fā)布了ITER最新的中子學基準模型Alite4，它包括所有的主要部件，例如，磁場線圈、中心螺線管、真空室、偏濾器部件、包層模塊、上窗口、赤道窗口和下窗口等［13］。但是，在該模型中的赤道窗口材料為鋼水混合材料，并不是真實的工程設(shè)計。為了研究赤道窗口生物屏蔽層的屏蔽特性，依據(jù)工程設(shè)計創(chuàng)建中子學模型并更新Alite4中的赤道窗口中子學模型，并計算了赤道窗口室中劑量率分布。

本文根據(jù)ITER組織發(fā)布的赤道窗口CAD模型，如圖2所示，創(chuàng)建了赤道窗口的中子學模型。為了準確有效地完成赤道窗口模型的更新和模型的集成，使用了VisualBUS平臺上的自動建模工具MCAM，經(jīng)過預處理（包括簡化和修正），將赤道窗口的CAD模型轉(zhuǎn)換成中子學模型（見圖3），再將更新模型集成到ITER 40°基準模型Alite4中。

在ITER赤道窗口CAD模型的生物屏蔽層插件上有許多的管道插孔，它是診斷設(shè)備進入到窗口內(nèi)的入口。按照圖1中管道布局，根據(jù)ITER國際組織提供的參數(shù)，在生物屏蔽層插件上創(chuàng)建了相應的管道，管道外壁與插件的縫隙都為10mm，管道壁厚2mm，管道材料為314鋼。（圖4）

圖2 ITER赤道窗口的CAD模型Fig．2 Equatorial port CAD model for ITER

圖3 ITER赤道窗口的中子學模型Fig．3 Equatorial port neutronics model for ITER

圖4 生物屏蔽插件上管道Fig．4 Pipes in bio－shield plug

2 計算與分析

2．1 程序和數(shù)據(jù)庫

本文采用了MCNP與FISPACT耦合的“兩步法”計算方法，計算得到了窗口室中的劑量。文中使用蒙特卡羅粒子輸運程序MCNP和IAEA聚變數(shù)據(jù)庫FENDLE2．1實現(xiàn)了中子輸運計算和衰變光子計算，使用活化程序FISPACT2007和歐洲活化數(shù)據(jù)庫EAF－2007實現(xiàn)了材料的活化計算。

為了研究赤道窗口室中劑量率，計算了生物屏蔽層、生物屏蔽層插件和管道以及窗口間隙中設(shè)備的活化情況。這些被活化的材料被定義為輻射光子源，用于停堆劑量率計算。

材料活化計算時，使用的活化方案是由ITER國際組織提供的托卡馬克運行方案SA2［14］。（表1）停堆冷卻時間分別為1h、1d和12d。

表1 ITER等離子體運行方案Table 1 Irradiation history for ITER plasma

2．2 計算與分析

基于更新后的ITER中子學參考模型Alite4，計算了窗口室中的停堆劑量分布，驗證生物屏蔽層插件的屏蔽能力。窗口室中停堆劑量率來源分為兩個部分，一部分由窗口間隙中的活化設(shè)備產(chǎn)生的劑量，另一部分是由活化生物屏蔽、屏蔽插件以及管道產(chǎn)生的劑量。

為了計算窗口室中劑量率分布，設(shè)置了兩組計數(shù)球。其中一組用來研究窗口室中劑量分布，如圖5中1至24號計數(shù)球；另一組小球靠近管道，用來計算窗口室劑量的極端情況，如圖5中25至35號小球。

圖5 窗口室中計數(shù)球的分布Fig．5 Tally spheres distribution in port cell

2．2．1 窗口間隙中活化設(shè)備產(chǎn)生的劑量

在托卡馬克停堆之后，窗口間隙中活化設(shè)備產(chǎn)生的衰變光子對窗口室中劑量產(chǎn)生劑量。設(shè)備的活化計算和光子源的定義是英國卡拉姆聚變能中心計算完成的。該光子源為一面源，離生物屏蔽層插件的距離為240．5cm。圖6中為窗口室中劑量率分布。由圖可以得到，停堆1h窗口室中劑量率最高達1．457 04E＋04μSv／h；當停堆1d時劑量率急劇下降到100μSv／h以下；停堆12d時的劑量率與1d相比變化不大，但是仍然比劑量限值高2個數(shù)量級。

圖6 活化設(shè)備產(chǎn)生的劑量率Fig．6 Dose rate induced by activated equipment

2．2．2 活化生物屏蔽、屏蔽插件以及管道產(chǎn)生的劑量

該部分研究停堆1h，1d和12d活化的生物屏蔽、屏蔽插件以及管道在窗口室產(chǎn)生的劑量率。

由圖7顯示了由活化生物屏蔽、屏蔽插件產(chǎn)生的停堆劑量率變化規(guī)律。停堆1h活化生物屏蔽、屏蔽插件產(chǎn)生的劑量率最高達2．299 48E＋03μSv／h；停堆1d后，劑量率為幾百μSv／h；停堆12d后，劑量率小于100μSv／h，比劑量限值高2個數(shù)量級。

圖7 活化的生物屏蔽、屏蔽插件產(chǎn)生的劑量率Fig．7 Dose rate induced by activated bio－shield and bio－shield plug

圖8顯示了由活化管道產(chǎn)生的劑量率的變化規(guī)律。停堆1h的最高劑量達1．129 98E＋04μSv／h；停堆1d后，劑量下降1個數(shù)量級；停堆12d之后與停堆1d相比變化不大。

圖8 活化的管道產(chǎn)生的劑量率Fig．8 Dose rate induced by activated pipes

2．2．3 窗口室總劑量和結(jié)果分析

把以上由活化設(shè)備、生物屏蔽、插件和管道產(chǎn)生的劑量率相加，得到總的劑量率。圖9中顯示劑量率的分布規(guī)律。停堆1h，13至24號小球位置處的劑量率達到幾千μSv／h，但是，在靠近生物屏蔽層位置處的劑量率要高1個數(shù)量級；停堆1d后，劑量率下降一個數(shù)量級，但是比劑量限值高2個數(shù)量級；停堆12d后，總劑量率仍比劑量限值高2個數(shù)量級。

圖9 窗口室中總的停堆劑量率Fig．9 Total dose rate in port cell

為了保證停堆之后到達窗口室中的工作人員和設(shè)備的安全，赤道窗口生物屏蔽插件的設(shè)計需要優(yōu)化。

3 結(jié)論

在VisualBUS平臺上，基于赤道窗口的CAD模型，創(chuàng)建了中子學計算模型，并把模型插入到Alite4模型中。使用更新后的Alite4模型，研究了生物屏蔽層的屏蔽特性，計算了停堆1h、1d和12d時窗口室中的劑量率分布情況。結(jié)果表明，停堆1d的劑量率仍比劑量限值（10μSv／h）高2個數(shù)量級，主要是由生物屏蔽層后的活化管道產(chǎn)生的。因此，赤道窗口的生物屏蔽層插件的設(shè)計需要改進。

致謝

本工作是在FDS團隊與ITER國際組織簽署的核分析任務(wù)（合同編號：DWO－73－102－MLN）框架下完成的，在研究過程中得到了ITER組織的Michael Loughlin博士的寶貴的意見和親切指導，在此表示感謝。

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