核電站用生物屏蔽防護(hù)門的創(chuàng)新與指標(biāo)效益

劉云

1特色和創(chuàng)新之處

針對三代先進(jìn)壓水堆核電站更進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)核輻射安全的設(shè)計理念，研發(fā)的核島生物屏蔽防護(hù)門將跨多學(xué)科領(lǐng)域，大量采用核物理與核輻射防護(hù)研究領(lǐng)域的專業(yè)軟件、實(shí)驗設(shè)備和檢測技術(shù)，來進(jìn)行分析設(shè)計與屏蔽性能檢測評估。并對于超大、超重型生物屏蔽防護(hù)門自身的力學(xué)結(jié)構(gòu)安全，也將采用機(jī)械設(shè)計與結(jié)構(gòu)力學(xué)分析領(lǐng)域的專用程序及檢測設(shè)備來進(jìn)行仿真計算和校核，確保足夠的安全設(shè)計余度。這些高度專業(yè)化的研發(fā)性質(zhì)工作，一般生產(chǎn)企業(yè)獨(dú)立完成會比較困難。因此，我公司將會與中科院等離子體物理研究所、中國原子能科學(xué)研究院、北京射線應(yīng)用研究中心等科研機(jī)構(gòu)開展密切合作，利于其特有的實(shí)驗測試平臺，吸收并逐步掌握相關(guān)的分析與計算技術(shù)，來完成三代先進(jìn)壓水堆核電站用生物屏蔽防護(hù)門的研發(fā)。

為盡早完成生物屏蔽防護(hù)門研發(fā)，搶占有利的市場先機(jī)，我公司選取了其中技術(shù)含量最高的中子屏蔽防護(hù)門進(jìn)行了前期預(yù)研。以法國EPR1600堆型中子屏蔽防護(hù)門采購技術(shù)規(guī)范書中的要求（下列四點(diǎn)）為基本準(zhǔn)則，設(shè)計并制作了一樘平開型中子屏蔽防護(hù)門。

1.1門扇與門框之間以及面板之間的接縫設(shè)計，不存在中子泄露通道。

1.2門扇雙層鋼板內(nèi)填充中子吸收材料含硼聚乙烯的夾心結(jié)構(gòu)，熱區(qū)側(cè)（在直接暴露在輻射中的房間一側(cè)）用Q235-B鋼板來降低主要來自于一回路中氮16的伽馬輻射的劑量流量，中間中子吸收材料含硼聚乙烯來降低主要來自于堆芯和氮17的中子流量，冷區(qū)側(cè)（在未直接暴露在輻射中的一側(cè)）用Q235-B鋼板來降低來自氮16的殘余伽馬射線。

1.3左、右門扇的接口中縫為企口式，防止直線型的射線輻射。

1.4門下方與門洞之間的間隙小于等于10mm，門內(nèi)側(cè)下部設(shè)有50mm厚活動門檻，來降低主要來自于一回路中氮16的伽馬輻射的劑量流量，門外側(cè)下部設(shè)有翻板機(jī)構(gòu)（可電動提升），用100mm中子吸收材料含硼聚乙烯來降低來自于堆芯和氮17的殘余中子流量。

圖1中子屏蔽防護(hù)門的三維模型透視圖

圖2能量為1.25MeV的γ射線面源計算得到的輻射劑量在門各切面上的二維分布（左）及縱向一維分布（右）

圖3實(shí)驗測得的門小樣上各點(diǎn)對于不同能量γ射線屏蔽衰減倍數(shù)對比

該門采用了中子、光子耦合輸運(yùn)程序（MCNP5）進(jìn)行了三維建模計算與分析，依據(jù)計算結(jié)果完成了屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計。并且利用北京射線應(yīng)用研究中心的252Cf中子源和137Cs、60Coγ射線源完成了屏蔽性能檢測。分析計算的三維模型、部分結(jié)果以及實(shí)驗檢測的部分結(jié)果展示分別見圖1、圖2、圖3。

為獲得該門自身重力的應(yīng)力分布及抗震性能特性，采用ANSYS 10.0 有限元程序建立了三維模型，并進(jìn)行了應(yīng)力分析計算與抗震等級評估。

該門的屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)進(jìn)行了模擬分析及相關(guān)的試驗驗證，屏蔽性能達(dá)到了核電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

以上關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn)已經(jīng)向國家知識產(chǎn)權(quán)局進(jìn)行了專利申報。

平開式的中子屏蔽防護(hù)門的樣品

2達(dá)到的主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及社會、經(jīng)濟(jì)效益

2.1主要技術(shù)指標(biāo)。系列化的生物屏蔽防護(hù)門能夠適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)、不同堆型、不同使用場合、各種洞口形式狀況下的使用要求。針對于核電發(fā)展方向的三代核電技術(shù)及更先進(jìn)的核電技術(shù)的包括法國的EPR、美國的AP1000和俄羅斯VVER的系列核電站用的生物屏蔽門的新產(chǎn)品的樣品。其中一種（雙開式）中子生物屏蔽防護(hù)門的主要技術(shù)參數(shù)要求：（1）屏蔽性能要求：伽馬屏蔽10000倍；中子屏蔽100倍。（2）氣密性能：標(biāo)準(zhǔn)狀況下 每小時泄漏10立方米（內(nèi)外壓差1500帕）。（3）機(jī)械啟閉性能：手動啟閉時應(yīng)平穩(wěn)、順暢；啟閉力不大于800N；啟閉過程中門體可在任何位置停留。（4）反復(fù)工作次數(shù)：電動門可靠運(yùn)行2000次以上。

2.2經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。計劃完成生物屏蔽防護(hù)門的研發(fā)及小試，研發(fā)結(jié)束時，其中大型推拉式生物屏蔽防護(hù)門（俄羅斯的VVER）試用于田灣核電3、4機(jī)組，完成試銷售收入296萬元，獲得利稅100萬元。生物屏蔽防護(hù)門替代進(jìn)口產(chǎn)品，價格是進(jìn)口產(chǎn)品的一半，可為核電站客戶減少投資成本；另外產(chǎn)品的高性價比可帶動出口，為企業(yè)本身帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3社會效益。（1）可提升核電站設(shè)備國產(chǎn)化率。（2）節(jié)省核電站建設(shè)投資。（3）為下一代核電技術(shù)設(shè)計使用新型生物屏蔽門提供技術(shù)積累工作。（4）為企業(yè)培養(yǎng)科技創(chuàng)新型人才，增強(qiáng)企業(yè)自主創(chuàng)新能力。

1特色和創(chuàng)新之處

針對三代先進(jìn)壓水堆核電站更進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)核輻射安全的設(shè)計理念，研發(fā)的核島生物屏蔽防護(hù)門將跨多學(xué)科領(lǐng)域，大量采用核物理與核輻射防護(hù)研究領(lǐng)域的專業(yè)軟件、實(shí)驗設(shè)備和檢測技術(shù)，來進(jìn)行分析設(shè)計與屏蔽性能檢測評估。并對于超大、超重型生物屏蔽防護(hù)門自身的力學(xué)結(jié)構(gòu)安全，也將采用機(jī)械設(shè)計與結(jié)構(gòu)力學(xué)分析領(lǐng)域的專用程序及檢測設(shè)備來進(jìn)行仿真計算和校核，確保足夠的安全設(shè)計余度。這些高度專業(yè)化的研發(fā)性質(zhì)工作，一般生產(chǎn)企業(yè)獨(dú)立完成會比較困難。因此，我公司將會與中科院等離子體物理研究所、中國原子能科學(xué)研究院、北京射線應(yīng)用研究中心等科研機(jī)構(gòu)開展密切合作，利于其特有的實(shí)驗測試平臺，吸收并逐步掌握相關(guān)的分析與計算技術(shù)，來完成三代先進(jìn)壓水堆核電站用生物屏蔽防護(hù)門的研發(fā)。

為盡早完成生物屏蔽防護(hù)門研發(fā)，搶占有利的市場先機(jī)，我公司選取了其中技術(shù)含量最高的中子屏蔽防護(hù)門進(jìn)行了前期預(yù)研。以法國EPR1600堆型中子屏蔽防護(hù)門采購技術(shù)規(guī)范書中的要求（下列四點(diǎn)）為基本準(zhǔn)則，設(shè)計并制作了一樘平開型中子屏蔽防護(hù)門。

1.1門扇與門框之間以及面板之間的接縫設(shè)計，不存在中子泄露通道。

1.2門扇雙層鋼板內(nèi)填充中子吸收材料含硼聚乙烯的夾心結(jié)構(gòu)，熱區(qū)側(cè)（在直接暴露在輻射中的房間一側(cè)）用Q235-B鋼板來降低主要來自于一回路中氮16的伽馬輻射的劑量流量，中間中子吸收材料含硼聚乙烯來降低主要來自于堆芯和氮17的中子流量，冷區(qū)側(cè)（在未直接暴露在輻射中的一側(cè)）用Q235-B鋼板來降低來自氮16的殘余伽馬射線。

1.3左、右門扇的接口中縫為企口式，防止直線型的射線輻射。

1.4門下方與門洞之間的間隙小于等于10mm，門內(nèi)側(cè)下部設(shè)有50mm厚活動門檻，來降低主要來自于一回路中氮16的伽馬輻射的劑量流量，門外側(cè)下部設(shè)有翻板機(jī)構(gòu)（可電動提升），用100mm中子吸收材料含硼聚乙烯來降低來自于堆芯和氮17的殘余中子流量。

圖1中子屏蔽防護(hù)門的三維模型透視圖

圖2能量為1.25MeV的γ射線面源計算得到的輻射劑量在門各切面上的二維分布（左）及縱向一維分布（右）

圖3實(shí)驗測得的門小樣上各點(diǎn)對于不同能量γ射線屏蔽衰減倍數(shù)對比

該門采用了中子、光子耦合輸運(yùn)程序（MCNP5）進(jìn)行了三維建模計算與分析，依據(jù)計算結(jié)果完成了屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計。并且利用北京射線應(yīng)用研究中心的252Cf中子源和137Cs、60Coγ射線源完成了屏蔽性能檢測。分析計算的三維模型、部分結(jié)果以及實(shí)驗檢測的部分結(jié)果展示分別見圖1、圖2、圖3。

為獲得該門自身重力的應(yīng)力分布及抗震性能特性，采用ANSYS 10.0 有限元程序建立了三維模型，并進(jìn)行了應(yīng)力分析計算與抗震等級評估。

該門的屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)進(jìn)行了模擬分析及相關(guān)的試驗驗證，屏蔽性能達(dá)到了核電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

以上關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn)已經(jīng)向國家知識產(chǎn)權(quán)局進(jìn)行了專利申報。

平開式的中子屏蔽防護(hù)門的樣品

2達(dá)到的主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及社會、經(jīng)濟(jì)效益

2.1主要技術(shù)指標(biāo)。系列化的生物屏蔽防護(hù)門能夠適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)、不同堆型、不同使用場合、各種洞口形式狀況下的使用要求。針對于核電發(fā)展方向的三代核電技術(shù)及更先進(jìn)的核電技術(shù)的包括法國的EPR、美國的AP1000和俄羅斯VVER的系列核電站用的生物屏蔽門的新產(chǎn)品的樣品。其中一種（雙開式）中子生物屏蔽防護(hù)門的主要技術(shù)參數(shù)要求：（1）屏蔽性能要求：伽馬屏蔽10000倍；中子屏蔽100倍。（2）氣密性能：標(biāo)準(zhǔn)狀況下 每小時泄漏10立方米（內(nèi)外壓差1500帕）。（3）機(jī)械啟閉性能：手動啟閉時應(yīng)平穩(wěn)、順暢；啟閉力不大于800N；啟閉過程中門體可在任何位置停留。（4）反復(fù)工作次數(shù)：電動門可靠運(yùn)行2000次以上。

2.2經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。計劃完成生物屏蔽防護(hù)門的研發(fā)及小試，研發(fā)結(jié)束時，其中大型推拉式生物屏蔽防護(hù)門（俄羅斯的VVER）試用于田灣核電3、4機(jī)組，完成試銷售收入296萬元，獲得利稅100萬元。生物屏蔽防護(hù)門替代進(jìn)口產(chǎn)品，價格是進(jìn)口產(chǎn)品的一半，可為核電站客戶減少投資成本；另外產(chǎn)品的高性價比可帶動出口，為企業(yè)本身帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3社會效益。（1）可提升核電站設(shè)備國產(chǎn)化率。（2）節(jié)省核電站建設(shè)投資。（3）為下一代核電技術(shù)設(shè)計使用新型生物屏蔽門提供技術(shù)積累工作。（4）為企業(yè)培養(yǎng)科技創(chuàng)新型人才，增強(qiáng)企業(yè)自主創(chuàng)新能力。

1特色和創(chuàng)新之處

針對三代先進(jìn)壓水堆核電站更進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)核輻射安全的設(shè)計理念，研發(fā)的核島生物屏蔽防護(hù)門將跨多學(xué)科領(lǐng)域，大量采用核物理與核輻射防護(hù)研究領(lǐng)域的專業(yè)軟件、實(shí)驗設(shè)備和檢測技術(shù)，來進(jìn)行分析設(shè)計與屏蔽性能檢測評估。并對于超大、超重型生物屏蔽防護(hù)門自身的力學(xué)結(jié)構(gòu)安全，也將采用機(jī)械設(shè)計與結(jié)構(gòu)力學(xué)分析領(lǐng)域的專用程序及檢測設(shè)備來進(jìn)行仿真計算和校核，確保足夠的安全設(shè)計余度。這些高度專業(yè)化的研發(fā)性質(zhì)工作，一般生產(chǎn)企業(yè)獨(dú)立完成會比較困難。因此，我公司將會與中科院等離子體物理研究所、中國原子能科學(xué)研究院、北京射線應(yīng)用研究中心等科研機(jī)構(gòu)開展密切合作，利于其特有的實(shí)驗測試平臺，吸收并逐步掌握相關(guān)的分析與計算技術(shù)，來完成三代先進(jìn)壓水堆核電站用生物屏蔽防護(hù)門的研發(fā)。

為盡早完成生物屏蔽防護(hù)門研發(fā)，搶占有利的市場先機(jī)，我公司選取了其中技術(shù)含量最高的中子屏蔽防護(hù)門進(jìn)行了前期預(yù)研。以法國EPR1600堆型中子屏蔽防護(hù)門采購技術(shù)規(guī)范書中的要求（下列四點(diǎn)）為基本準(zhǔn)則，設(shè)計并制作了一樘平開型中子屏蔽防護(hù)門。

1.1門扇與門框之間以及面板之間的接縫設(shè)計，不存在中子泄露通道。

1.2門扇雙層鋼板內(nèi)填充中子吸收材料含硼聚乙烯的夾心結(jié)構(gòu)，熱區(qū)側(cè)（在直接暴露在輻射中的房間一側(cè)）用Q235-B鋼板來降低主要來自于一回路中氮16的伽馬輻射的劑量流量，中間中子吸收材料含硼聚乙烯來降低主要來自于堆芯和氮17的中子流量，冷區(qū)側(cè)（在未直接暴露在輻射中的一側(cè)）用Q235-B鋼板來降低來自氮16的殘余伽馬射線。

1.3左、右門扇的接口中縫為企口式，防止直線型的射線輻射。

1.4門下方與門洞之間的間隙小于等于10mm，門內(nèi)側(cè)下部設(shè)有50mm厚活動門檻，來降低主要來自于一回路中氮16的伽馬輻射的劑量流量，門外側(cè)下部設(shè)有翻板機(jī)構(gòu)（可電動提升），用100mm中子吸收材料含硼聚乙烯來降低來自于堆芯和氮17的殘余中子流量。

圖1中子屏蔽防護(hù)門的三維模型透視圖

圖2能量為1.25MeV的γ射線面源計算得到的輻射劑量在門各切面上的二維分布（左）及縱向一維分布（右）

圖3實(shí)驗測得的門小樣上各點(diǎn)對于不同能量γ射線屏蔽衰減倍數(shù)對比

該門采用了中子、光子耦合輸運(yùn)程序（MCNP5）進(jìn)行了三維建模計算與分析，依據(jù)計算結(jié)果完成了屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計。并且利用北京射線應(yīng)用研究中心的252Cf中子源和137Cs、60Coγ射線源完成了屏蔽性能檢測。分析計算的三維模型、部分結(jié)果以及實(shí)驗檢測的部分結(jié)果展示分別見圖1、圖2、圖3。

為獲得該門自身重力的應(yīng)力分布及抗震性能特性，采用ANSYS 10.0 有限元程序建立了三維模型，并進(jìn)行了應(yīng)力分析計算與抗震等級評估。

該門的屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)進(jìn)行了模擬分析及相關(guān)的試驗驗證，屏蔽性能達(dá)到了核電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

以上關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn)已經(jīng)向國家知識產(chǎn)權(quán)局進(jìn)行了專利申報。

平開式的中子屏蔽防護(hù)門的樣品

2達(dá)到的主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及社會、經(jīng)濟(jì)效益

2.1主要技術(shù)指標(biāo)。系列化的生物屏蔽防護(hù)門能夠適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)、不同堆型、不同使用場合、各種洞口形式狀況下的使用要求。針對于核電發(fā)展方向的三代核電技術(shù)及更先進(jìn)的核電技術(shù)的包括法國的EPR、美國的AP1000和俄羅斯VVER的系列核電站用的生物屏蔽門的新產(chǎn)品的樣品。其中一種（雙開式）中子生物屏蔽防護(hù)門的主要技術(shù)參數(shù)要求：（1）屏蔽性能要求：伽馬屏蔽10000倍；中子屏蔽100倍。（2）氣密性能：標(biāo)準(zhǔn)狀況下 每小時泄漏10立方米（內(nèi)外壓差1500帕）。（3）機(jī)械啟閉性能：手動啟閉時應(yīng)平穩(wěn)、順暢；啟閉力不大于800N；啟閉過程中門體可在任何位置停留。（4）反復(fù)工作次數(shù)：電動門可靠運(yùn)行2000次以上。

2.2經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。計劃完成生物屏蔽防護(hù)門的研發(fā)及小試，研發(fā)結(jié)束時，其中大型推拉式生物屏蔽防護(hù)門（俄羅斯的VVER）試用于田灣核電3、4機(jī)組，完成試銷售收入296萬元，獲得利稅100萬元。生物屏蔽防護(hù)門替代進(jìn)口產(chǎn)品，價格是進(jìn)口產(chǎn)品的一半，可為核電站客戶減少投資成本；另外產(chǎn)品的高性價比可帶動出口，為企業(yè)本身帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3社會效益。（1）可提升核電站設(shè)備國產(chǎn)化率。（2）節(jié)省核電站建設(shè)投資。（3）為下一代核電技術(shù)設(shè)計使用新型生物屏蔽門提供技術(shù)積累工作。（4）為企業(yè)培養(yǎng)科技創(chuàng)新型人才，增強(qiáng)企業(yè)自主創(chuàng)新能力。