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        船用堆包殼破損狀態(tài)下穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣放射性后果分析?

        2021-05-25 02:54:50劉海鵬陳玉清
        艦船電子工程 2021年4期
        關(guān)鍵詞:包殼穩(wěn)壓器高點(diǎn)

        劉海鵬 王 偉 宋 超 陳玉清

        (1.海軍裝備部 北京 100841)(2.海軍工程大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 武漢 430033)

        1 引言

        按ICRP60號(hào)報(bào)告推薦,放射性職業(yè)人員劑量限值為有效劑量5年100mSv,平均每年20mSv,但是任何一年不能超過(guò)50mSv。公眾的劑量限值為每年1mSv[1~2]。反應(yīng)堆冷停后,再次啟動(dòng)前均要進(jìn)行堆艙檢查,穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣作為堆艙檢查的重要內(nèi)容之一,通常是船員進(jìn)入堆艙后首先要完成的操作,伴隨著高點(diǎn)放氣,穩(wěn)壓器內(nèi)的惰性氣體將釋放入堆艙中,從而對(duì)船員造成外照射輻射照射威脅[3~4]。目前缺乏因堆艙檢查高點(diǎn)放氣對(duì)船員輻射安全的影響研究,值得關(guān)注的是在包殼破損狀態(tài)下,放射性物質(zhì)的釋放量顯著提高[5~6],增加了穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣的輻照危害。本文通過(guò)自主編寫穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣劑量計(jì)算模型,并耦合MELCOR程序的方式,實(shí)現(xiàn)了包殼破損狀態(tài)下堆艙放射性計(jì)算的目的??紤]到放射性衰變作用,停堆后穩(wěn)壓器內(nèi)的放射性物質(zhì)存量不斷減少[7],因此,停堆時(shí)間對(duì)穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣放射性后果具有直接影響,本文在評(píng)估停堆時(shí)間對(duì)放射性后果影響的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析評(píng)估了船員因堆艙檢查受到的年累積劑量,從而為輻射防護(hù)策略的制定奠定基礎(chǔ)。

        2 放射性計(jì)算建模

        為了研究包殼破損后穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣的放射性問(wèn)題,建立了以下放射性分析模型:1)高點(diǎn)放氣后堆艙內(nèi)放射性活度模型;2)高點(diǎn)放氣后堆艙內(nèi)劑量計(jì)算模型。計(jì)算中考慮的放射性物質(zhì)主要為KR-85m、KR-85、KR-87、KR-88、XE-133m、XE-133、I-133、I-135,從而實(shí)現(xiàn)惰性氣體的放射性計(jì)算[8~9]。

        2.1 高點(diǎn)放氣后堆艙內(nèi)放射性活度模型

        Ad,i為堆艙內(nèi)惰性氣體的放射性活度;Ad,i0為高點(diǎn)放氣后堆艙內(nèi)惰性氣體初始放射性活度;λi惰性氣體衰變常數(shù);t1為堆艙檢查時(shí)間(上述惰性氣體不包含KR-85、XE-133、XE-135三種核素)。

        因揮發(fā)性物質(zhì)溶于穩(wěn)壓器的水中,高點(diǎn)放氣時(shí)只認(rèn)為惰性氣體釋放到了堆艙內(nèi)[10,12],堆艙內(nèi)放射性計(jì)算模型不考慮I-133、I-135衰變成XE-133、XE-135的物理過(guò)程。

        Ad,Kr85、Ad,Xe133、Ad,Xe135分別為高點(diǎn)放氣后堆艙內(nèi)KR-85、XE-133、XE-135三種核素的放射性活度,Bq/Mw;Ad0,Kr85、Ad0,Xe133、Ad0,Xe135分別為高點(diǎn)放氣后堆艙內(nèi)KR-85、XE-133、XE-135三種核素的初始放射性活度,Bq/Mw;λKr85、λXe133、λXe135分別為KR-85、XE-133、XE-135三種核素的衰變常數(shù),s-1。

        2.2 高點(diǎn)放氣后堆艙內(nèi)劑量計(jì)算模型

        Dd,t2為t2時(shí)刻堆艙外照射劑量率;Si為惰性氣體外照射劑量轉(zhuǎn)換因子(不包含KR-85、XE-133、XE-135三種核素);SKr85、SXe133、SXe135分別為KR-85、XE-133、XE-135三種核素的外照射劑量轉(zhuǎn)換因子。

        Dd為高點(diǎn)放氣后t1時(shí)間段內(nèi)堆艙總外照射劑量。

        3 停堆后劑量衰減分析

        由圖1可見(jiàn),放射性核素具有衰變特性,因此,堆艙檢查時(shí)因穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣船員所受外照射劑量隨停堆時(shí)間的增加而減少,停堆初期半衰期短的核素大量衰變,外照射劑量衰減較快,隨著停堆時(shí)間的延長(zhǎng),中長(zhǎng)半衰期的核素發(fā)揮主要作用,外照射劑量衰減減慢。結(jié)合表2可見(jiàn),停堆后第3天進(jìn)行堆艙檢查,因高點(diǎn)放氣導(dǎo)致的外照射劑量已經(jīng)降低至約為停堆初期的50%;停堆后第7天,該外照射劑量已經(jīng)降低至約為停堆初期的25%。一周后,放射性劑量衰減速率開(kāi)始減慢,停堆后第15天進(jìn)行堆艙檢查,該外照射劑量降低至約為停堆初期的8.8%;停堆后第30天,該外照射劑量已經(jīng)降低至約為停堆初期的1.2%。

        圖1 停堆后堆艙檢查外照射劑量衰減百分比

        表2 停堆后堆艙檢查外照射劑量衰減百分比

        4 船員累積外照射劑量分析

        本文在計(jì)算年累積劑量時(shí),考慮停堆后10天內(nèi)放射性的衰變,評(píng)估船員因高點(diǎn)放氣受到的外照射危害,結(jié)論具有保守性。堆艙檢查時(shí)間設(shè)定為4h,年均啟堆次數(shù)按12次進(jìn)行分析。

        4.1 燃料包殼破損1根放射性分析

        表3為包殼破損1根時(shí),穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣后的外照射劑量,計(jì)算均考慮了一年內(nèi)有3次在冷停堆后3天內(nèi)啟堆這種罕見(jiàn)情況,高點(diǎn)放氣后外照射累積劑量為22.01mSv,超出20.0mSv劑量限值2.01mSv,但遠(yuǎn)低于任何一年均不能超過(guò)50.0mSv的劑量限值。

        表3 包殼破損1根高點(diǎn)放氣后外照射劑量

        假設(shè)船用堆實(shí)際運(yùn)行中未發(fā)生冷停堆后3天內(nèi)啟堆的情況,表4為包殼破損1根時(shí),穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣后的外照射劑量,累積劑量大小為17.41mSv,比20.0mSv的劑量限值低了2.59mSv。船員的輻射安全能夠得到保證。

        表4 包殼破損1根高點(diǎn)放氣后外照射劑量

        4.2 燃料包殼破損7根放射性分析

        表5為包殼破損7根時(shí),穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣后的外照射劑量,計(jì)算假設(shè)反應(yīng)堆的冷停堆天數(shù)在7~18天之間,高點(diǎn)放氣后外照射累積劑量為58.02mSv,比20.0mSv的劑量限值高出了38.08mSv,但略高于任何一年均不能超過(guò)50.0mSv的劑量限值。嚴(yán)重威脅到船員的外照射輻射安全。

        表5 包殼破損7根高點(diǎn)放氣后外照射劑量

        5 應(yīng)對(duì)船員堆艙檢查外照射措施研究

        計(jì)算假設(shè)堆艙檢查時(shí)間為4h,導(dǎo)致船員受到輻照時(shí)間較長(zhǎng)。穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣在堆艙檢查快結(jié)束時(shí)進(jìn)行,計(jì)算假設(shè)穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣后10min內(nèi)船員離開(kāi)堆艙,選擇包殼破損當(dāng)量為7根的情況,對(duì)穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣導(dǎo)致的輻射安全問(wèn)題進(jìn)行重新評(píng)估。

        表6為包殼破損7根時(shí),穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣后10min內(nèi)船員離開(kāi)堆艙,年啟堆次數(shù)12次,船員受到的年累積劑量當(dāng)量。高點(diǎn)放氣后外照射累積劑量為6.35mSv,低于20.0mSv的劑量限值13.65mSv。采用本文建議的堆艙檢查時(shí)機(jī),船員的輻射安全在包殼破損當(dāng)量小于7根時(shí)仍能夠得到保證。

        表6 包殼破損7根高點(diǎn)放氣后外照射劑量

        6 結(jié)語(yǔ)

        1)在進(jìn)行堆艙檢查高點(diǎn)放氣操作時(shí),停堆時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)船員外照射的影響較為顯著,停堆后一周內(nèi)再次啟堆,對(duì)船員的外照射影響遠(yuǎn)大于停堆后一周后啟堆的情況,75%的外照射放射性在停堆后一周內(nèi)衰減消失。

        2)包殼破損1根,只要冷停堆后三天內(nèi)未再次進(jìn)行堆艙檢查,穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣后船員受到的年累積劑量不會(huì)超過(guò)20.0mSv的劑量限值,船員輻射安全是能夠得到保證的。

        3)包殼破損7根,即使冷停堆天數(shù)均在一周以上才啟堆,船員堆艙檢查時(shí)的外照射劑量仍會(huì)超過(guò)任何一年均不能超過(guò)50.0mSv的劑量限值。

        4)建議穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣在堆艙檢查快結(jié)束時(shí)進(jìn)行,高點(diǎn)放氣后10min內(nèi)船員離開(kāi)堆艙。即使包殼破損當(dāng)量高達(dá)7根,一年內(nèi)有3次在冷停堆后3天內(nèi)啟堆這種罕見(jiàn)情況,高點(diǎn)放氣后船員所受外照射年累積劑量?jī)H為6.35mSv,低于20.0mSv的劑量限值13.65mSv,船員在包殼破損狀態(tài)下的輻射安全能夠得到保證。

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