徐佳梁

(中原運(yùn)維海外工程有限公司,上海 200233)

1 背景和原理

堆坑小室通道屏蔽墻是“華龍一號”獨(dú)有設(shè)備，通過在堆坑通道與堆坑小室附近設(shè)置屏蔽敷設(shè)體，對功率運(yùn)行條件下堆坑小室附近的中子進(jìn)行有效屏蔽，降低功率運(yùn)行期間堆坑小室內(nèi)的劑量率水平，允許工作人員在正常功率運(yùn)行工況下有限制地接近堆坑，如圖1所示。

圖1 堆坑小室通道Fig.1 The reactor pit passage

正常功率運(yùn)行工況下堆芯中子通量密度高，雖然有層層防護(hù)，但難免還是會有中子泄漏出來。國際放射防護(hù)委員會(ICRP)制定的放射防護(hù)原則指出：人員的防護(hù)應(yīng)做到最大化，即在合理可行盡量低(ALARA)的情況下盡量減少人員受到的電離輻射劑量。作為對這一要求的響應(yīng)，核電廠中子屏蔽設(shè)計(jì)應(yīng)使得工作人員受到的電離輻射劑量盡可能地少。

中子屏蔽的精細(xì)化設(shè)計(jì)是三代堆型核電廠區(qū)別于二代堆的主要放射防護(hù)設(shè)計(jì)特征之一，其設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響了輻射場內(nèi)設(shè)備壽命及運(yùn)行期間進(jìn)入?yún)^(qū)域的工作人員的輻射安全[1]。中子因?yàn)槠洳粠щ姷奶匦远哂休^強(qiáng)的穿透能力，是核電廠放射防護(hù)的重要目標(biāo)之一。在中子束穿透反射層的過程中，有一部分會與反射層表面(或內(nèi)部)的原子核發(fā)生散射，從而形成散射角大于90°的中子，其中順利地?cái)[脫反射層又從入射表面逃逸出來的中子被稱為反照中子，該現(xiàn)象被稱為中子反照效應(yīng)[2]。

根據(jù)中子的波粒二象性特性[3]，中子波的波長與其速度成反比，即λ∝1/v。由于該特性與機(jī)械波極為相似，故由此提出一個(gè)假設(shè)：在屏蔽材料表面增加凸起的懸挑結(jié)構(gòu)將會減少反照中子的產(chǎn)生。

本研究通過使用MCNP程序模擬1 eV和100 eV中子入射到帶有懸挑結(jié)構(gòu)的混凝土反射層表面，以對在屏蔽墻表面增加懸挑結(jié)構(gòu)會減少反照的中子這一假設(shè)進(jìn)行研究。MCNP程序構(gòu)筑重復(fù)結(jié)構(gòu)的功能為本課題的研究帶來了極大的便利。

2 優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是指在屏蔽墻表面增加凸出的懸挑結(jié)構(gòu)以提高與中子相互作用的幾率，從而減少屏蔽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反照中子數(shù)。增加懸挑結(jié)構(gòu)后屏蔽墻的外形如圖2所示。

圖2 增加懸挑結(jié)構(gòu)的屏蔽墻Fig.2 The shielding wall with cantilever structure

在計(jì)算機(jī)模擬階段，表面增加的懸挑結(jié)構(gòu)形狀分為圓柱、正六面體和圓錐體三類，按突出部幾何體寬高比的比值對應(yīng)1/2、1、2分為低、中、高三種(底面尺度一致)。懸挑結(jié)構(gòu)陣列密度是將屏蔽墻表面劃分為10×10、100×100、1000×1000的三種網(wǎng)格，其陣列模式分為1/2間隔和全布置兩種，1/2間隔就是像國際象棋棋盤那樣的相鄰空開，全布置就是圖2中所示的每一個(gè)小格的布置。

3 實(shí)驗(yàn)方法

模擬實(shí)驗(yàn)采用控制變量的方法進(jìn)行。對所有輸入文件進(jìn)行計(jì)算。模擬計(jì)算共耗時(shí)約27.5 h，得到110個(gè)輸出文件(如表1所示模擬分組情況)，按能量分布和空間分布提取了220組數(shù)據(jù)。

表1 模擬分組規(guī)劃Table 1 The plan for simulation grouping

對提取的220組數(shù)據(jù)按控制變量的原則進(jìn)行分類。通過對比各組數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究懸挑結(jié)構(gòu)的形狀、寬高比、分布模式、分布密度、粒子能量等變量的變化對系統(tǒng)中產(chǎn)生反照中子的計(jì)數(shù)空間分布和能量分布所造成的影響。

通過設(shè)置球面探測器,確保100%收集系統(tǒng)中所產(chǎn)生的反照中子，通過FRV卡記錄反照中子入射探測器表面時(shí)與X軸的夾角為收集0°到90°之間反照中子的空間分布信息。以此從能量分布和空間分布兩個(gè)角度開展對所產(chǎn)生中反照中子的研究。圖3為模擬實(shí)驗(yàn)的幾何布置簡圖，圖中的正六面體為屏蔽墻體，它的一個(gè)面與坐標(biāo)系的ZOY面重合，且該表面的幾何中心同時(shí)也是坐標(biāo)系的原點(diǎn)以及球面探測器的球心，S點(diǎn)為中子源的位置。

4 模擬結(jié)果的對比與分析

4.1 模擬結(jié)果的對比

以100 eV的中子源為例，通過比較無懸挑結(jié)構(gòu)的普通屏蔽墻與布置有懸挑結(jié)構(gòu)的屏蔽墻之間的模擬結(jié)果，從總計(jì)數(shù)、空間分布和能量分布3個(gè)角度進(jìn)行討論分析。表2記錄的分別是普通屏蔽墻和布置有懸挑結(jié)構(gòu)的屏蔽墻所產(chǎn)生的反照中子的空間分布數(shù)據(jù)，表3記錄的分別是普通屏蔽墻和布置有懸挑結(jié)構(gòu)的屏蔽墻所產(chǎn)生的反照中子的能量分布數(shù)據(jù)。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)幾何布置簡圖Fig.3 The geometric layout of simulation experiment

表2 空間分布數(shù)據(jù)Table 2 Data of space distribution

表3 能量分布數(shù)據(jù)Table 3 Data of energy distribution

4.1.1 總計(jì)數(shù)的影響

從總計(jì)數(shù)來看,以平面墻為屏蔽體的系統(tǒng)中產(chǎn)生的反照中子與增加了懸挑結(jié)構(gòu)的屏蔽體系統(tǒng)所產(chǎn)生的反照中子分別為64.73%和55.94%。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，增加懸挑結(jié)構(gòu)減少了近8.79%反照中子。

4.1.2 空間分布的影響

將表2模擬空間分布數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為曲線圖,如圖4所示。

圖4 空間分布的對比Fig.4 Comparison of space distribution

圖4中藍(lán)色曲線為普通屏蔽墻所產(chǎn)生的反照中子計(jì)數(shù)隨空間的分布，紅色曲線為增加懸挑結(jié)構(gòu)后的屏蔽墻所產(chǎn)生的反照中子數(shù)的空間分布情況。觀察圖4能夠發(fā)現(xiàn)，屏蔽墻表面增加懸挑結(jié)構(gòu)后顯著減少了30°～90°的中子計(jì)數(shù)，略微提升了0°到30°之間的中子計(jì)數(shù)。

4.1.3 能量分布的影響

將表3模擬空間分布數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為曲線圖如圖5所示。

圖5 能量分布的對比Fig.5 Comparison of energy distribution

圖5中藍(lán)色曲線為普通屏蔽墻所產(chǎn)生的反照中子計(jì)數(shù)隨能量的分布，紅色曲線為增加懸挑結(jié)構(gòu)后的屏蔽墻所產(chǎn)生的反照中子數(shù)的能量分布情況。觀察圖5能夠發(fā)現(xiàn)，屏蔽墻表面增加懸挑結(jié)構(gòu)后略微減少了2×10-5～7×10-5MeV的中子計(jì)數(shù)，顯著減少了8×10-5MeV到1×10-4MeV之間的中子計(jì)數(shù)，而在1×10-5MeV附近可以看到增加懸挑結(jié)構(gòu)后的屏蔽墻所產(chǎn)生的反照中子計(jì)數(shù)反而略高于平面屏蔽墻的系統(tǒng)。總體而言，懸挑結(jié)構(gòu)的引入有效降低了系統(tǒng)中大多數(shù)反照中子的能量。

4.2 模擬結(jié)果的分析

在對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分類、比較后發(fā)現(xiàn)：不論是對于1 eV低能中子源還是100 eV能量較高的入射中子，有懸挑結(jié)構(gòu)的屏蔽墻總是產(chǎn)生更少的反照中子，且反照中子的數(shù)量與所增加的懸挑結(jié)構(gòu)體積存在反比的趨勢，即Na；除了總體數(shù)量的減少，懸挑結(jié)構(gòu)的存在還改變了反照中子的空間分布趨勢，在較顯著地減少了中、高角度區(qū)域反照中子數(shù)的同時(shí)，略微增加了低角度區(qū)域的反照中子數(shù)；懸挑結(jié)構(gòu)的存在也改變了反照中子的能量分布趨勢，在較顯著地減少了中、高能量區(qū)域反照中子數(shù)的同時(shí)略微增加了低能量區(qū)域的反照中子數(shù)。

5 結(jié)論

通過對MCNP模擬結(jié)果進(jìn)行的比較和分析可以發(fā)現(xiàn)，懸挑結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)中的反照中子產(chǎn)生了抑制作用，尤以總計(jì)數(shù)的減少最為明顯。據(jù)此現(xiàn)象可以判斷：理論上在堆坑小室通道屏蔽墻表面增加懸挑結(jié)構(gòu)可以減少系統(tǒng)中反照中子的總數(shù)，從而有利于進(jìn)一步降低功率運(yùn)行期間堆坑小室內(nèi)的劑量水平。

本文以優(yōu)化“華龍一號”堆坑小室通道屏蔽墻設(shè)計(jì)為目的，由中子的波粒二象性特征出發(fā)提出假設(shè)：在屏蔽墻表面增加懸挑結(jié)構(gòu)有助于減少系統(tǒng)中反照中子的數(shù)量。使用MCNP軟件對54種不同形狀的懸挑結(jié)構(gòu)屏蔽墻進(jìn)行模擬，通過對比增加懸挑結(jié)構(gòu)前、后屏蔽墻所產(chǎn)生反照中子的總計(jì)數(shù)、空間分布和能量分布三個(gè)方面的變化，分析變化趨勢。發(fā)現(xiàn)在屏蔽墻表面增加懸挑結(jié)構(gòu)后：1)屏蔽墻產(chǎn)生的反照中子數(shù)量有所減少(MCNP模擬結(jié)果顯示減少8.79%)；2)球面探測器的中、高緯度區(qū)域(30°～90°)中子數(shù)顯著減少，低緯度區(qū)域(0°～30°)中子數(shù)略微增加；3)高能量區(qū)域的中子數(shù)顯著減少，低能量區(qū)域的中子數(shù)略微增加。上述三條結(jié)論并不違背中子與物質(zhì)相互作用的一般規(guī)律，從理論上證實(shí)了在屏蔽墻表面增加懸挑結(jié)構(gòu)有助于減少反照中子這一假設(shè)，并在此基礎(chǔ)上提出：在屏蔽墻表面增加懸挑結(jié)構(gòu)是一種可以進(jìn)一步降低功率運(yùn)行期間堆坑小室內(nèi)劑量水平的優(yōu)化設(shè)計(jì)。