高通量堆熱交換器高能γ輻射屏蔽優(yōu)化蒙卡模擬

雷鳴　劉鵬

摘 要：該文采用MCNP5程序對高通量工程試驗堆（HFETR）主熱交換器廠房內劑量當量分布以及不同厚度屏蔽材料的屏蔽劑量進行蒙卡模擬計算，并將5種不同常用屏蔽材料（重晶石混凝土、磁鐵礦混凝土、鉛、鉛玻璃、304不銹鋼）跟廠房現(xiàn)有材料（普通混凝土、鑄鐵）屏蔽性能進行比較分析。根據(jù)IAEA標準的劑量限制建議，模擬結果表明：該控制區(qū)1～10人小時/周的居留時間的劑量限制條件下，現(xiàn)有的屏蔽材料厚度能夠滿足輻射防護安全標準，并且如果采用重混凝土墻以及鉛門，最優(yōu)的屏蔽厚度顯著減少。

關鍵詞：熱交換器 蒙卡模擬 屏蔽 高通量堆

中圖分類號：TQ05 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（b）-0038-04

Abstract：The dose equivalent distribution of the space of thermal converter of HFETR and the radiation shielding ambient dose equivalent of different depth of the shielding materials are calculated by MCNP5. Moreover， the shielding effects of five different kinds of materials are compared with the existed shielding materials. According to the IAEA standard， the experimental simulated results show the existed shielding material and its thickness are enough under the detention time of 1-10 hours every week.

Key Words：Thermal converter； Monte Carlo； Radiation shielding； HFETR

高通量工程試驗堆（HFETR）是一座壓力容器式輕水試驗堆，采用輕水作為冷卻劑和慢化劑，它的顯著特點是中子注量率高[1]。工程上主要是利用它的中子作為材料的輻照試驗研究。其堆芯布置靈活，主冷卻劑水經過入口母管首先從上部進入HFETR壓力容器，然后大部分經過流量孔板倒轉180°流入堆芯，小部分流入內部熱屏蔽層以及電離室導管之間的空隙，最后在柵格板下部空間會合流出壓力容器。由于活性區(qū)中子注量率高，堆芯布置靈活多變，流入壓力容器冷卻劑水中的O-16因中子輻照發(fā)生核反應O-16（n，p）N-16而產生較高濃度的N-16，其半衰期為7.14 s，N-16經過β衰變后發(fā)射的伽馬射線能量主要是6.13 MeV和7.10 MeV。由于主冷卻劑水流量高，經過堆芯高通量快中子輻照后，產生的N-16活度較高，遠高于其他源項如A1-28、Na-24等少量腐蝕活化產物及微量的裂變產物，因而成為廠房主冷卻劑回路伽馬放射性的主要來源[2]。HFETR控制區(qū)工藝房間現(xiàn)主要是采用普通混凝土或鐵門進行隔離。帶放射性的主回路冷卻劑和二回路冷卻水是通過熱交換器傳熱管進行熱量交換。主熱交換器作為反應堆廠房重要的劑量監(jiān)測控制區(qū)，恰當?shù)钠帘卧O計對于工作人員進入該區(qū)域的輻射防護是必要的。為了分析主熱交換器工藝房間伽馬劑量以及輻射屏蔽效果，該文采用MCNP5程序對主熱交換器高能伽馬輻射進行模擬，并比較分析了各種屏蔽材料的屏蔽性能。

1 主熱伽馬輻射MC計算

1.1 主熱高能伽馬源項分析

為了確定主熱交換器的伽馬源項，需要通過MCNP計算主熱交換器工藝房間內伽馬探測器探頭所在位置的吸收劑量，然后根據(jù)探測器實際測量的劑量值，反推出主熱交換器一次水活度。因為在不確定源項強度的情況下，MCNP計算結果一般是歸一到一個粒子的貢獻[3]。用于MCNP計算的主熱交換器的截面圖如圖1所示。由圖1（a）可知HFETR主熱交換器工藝房間一個回路中有兩臺主熱，主熱立式放置，一次水走管間，二次水走管內。圖1（b）表示一臺主熱筒體橫截面剖面圖，里面有1 418根傳熱管，管內為二次水，而筒體內管子之間的空隙區(qū)域為帶放射性一次水。圖1（c）表示HFETR主熱交換器工藝房間俯視水平截面圖，周圍為混凝土屏蔽墻，深灰色為屏蔽門。表1顯示了主熱及其工藝房間的尺寸參數(shù)。F5卡用來計算某一位置的點通量并結合DE，DF卡劑量因子轉換卡來計算感興趣位置吸收劑量，該劑量轉換因子數(shù)據(jù)來源于ICRP74比釋動能量劑量。

轉換因子表中ka/Φ[4]。筒體內管子之間的空隙設置為源項，伽馬射線能量根據(jù)N-16伽馬能譜分布，主要有3種2.75 MeV（1%），6.13 MeV（69%），7.10 MeV（5%）。經過計算探頭所在位置MCNP計算結果為7.1153×10-13 ?Gy的穩(wěn)定運行時，HFETR主熱交換器工藝房間監(jiān)測伽馬劑量率平均約為3 000 ?Gy/h，因而主熱伽馬強度活度為1.1712×1012 Bq，由主熱一次水的體積為1.153×107 cm3，因而主熱一次水N-16濃度為1.0158×105 Bq/cm3。

1.2 主熱伽馬高能伽馬劑量率分布

在對主熱交換器及工藝房間進行MCNP模擬時，重點考慮進入該控制區(qū)的屏蔽門及屏蔽墻的屏蔽效果，采用F5點通量卡對屏蔽門及屏蔽墻中心不同厚度位置進行劑量值統(tǒng)計。為了估計其周圍劑量當量，模擬DE，DF卡采用了ICRP74通量劑量轉換因子H*（10）。同時也對屏蔽門所在的水平空間采用FMESH4卡對主熱交換器控制區(qū)進行水平方向的劑量分布統(tǒng)計，源項采用N-16伽馬能譜。為了提高模擬效率采用了方差減少技巧如重要性分裂及俄羅斯輪盤賭等。針對屏蔽區(qū)域進行多抽樣，確保更多的光子進入該區(qū)域進行輸運[4]。模擬的粒子數(shù)為1 000 000個，相對誤差都低于0.05。MCNP模擬都歸一化到一個粒子貢獻。模擬實際結果R應該表示如式（1）：

R=F×S×K （1）

式中R為統(tǒng)計位置的劑量值，單位為mGy/h或mSv/h；F為MCNP計算歸一化值；S為源強，單位為Bq；K為單位換算因子為1.68552×109。

為了比較不同的屏蔽材料用于屏蔽門及屏蔽墻的屏蔽效果，模擬計算的屏蔽層伽馬劑量跟屏蔽厚道是成指數(shù)衰減關系，如式（2）：

H（d）=H（0）×Be-μd （2）

式中H（d）為屏蔽劑量當量；H（0）為未屏蔽劑量；B為修正因子；μ為衰減因子。通過對模擬數(shù)據(jù)進行擬合，可以外推出較大厚度下的屏蔽劑量。從而更好地分析和了解控制區(qū)對工作人員的輻射劑量情況，從而采取有效的輻射防護措施。如圖2表示主熱交換器工藝房間廠房-3.25 m水平面（即屏蔽門所在水平高度）空間劑量率分布，圖中兩個尖峰是主熱交換器所在位置，四周偏黑色的部分為混凝土墻及屏蔽門所在區(qū)域?？梢钥闯隹刂茀^(qū)伽馬吸收劑量率及伽馬劑量當量率分布一致，都是主熱中心位置很高，可以高達90 mSv/h，但是在屏蔽區(qū)域劑量明顯降低，都在幾個mSv/h以下，并趨近于0。對于圖2（a）和圖2（b），在主熱中心位置，伽馬劑量當量率數(shù)值要比吸收劑量率高一點，而在主熱周圍及屏蔽區(qū)域數(shù)值差別不大。因為從轉換因子表可以看出，伽馬能量越高，劑量轉換因子越高，從而對劑量當量的貢獻越大，由于主熱為伽馬源所在區(qū)域伽馬能量較高，發(fā)生散射份額少，高劑量當量因子權重較高，但在周圍區(qū)域由于經過屏蔽材料衰減，高能伽馬份額減少，相對而言低的劑量當量因子權重增加，這樣在主熱附近處計算的劑量當量率分布相對于吸收劑量率分布數(shù)值是偏高的。

1.3 主熱交換器屏蔽模擬比較分析

該文模擬了兩種不同的屏蔽門材料和3種不同的屏蔽墻材料，并跟現(xiàn)有的混凝土和鑄鐵門材料進行對比。圖3表示不同的屏蔽門材料屏蔽劑量隨厚度變化的計算及擬合曲線。圖中可以看出4種不同材料衰減能力相差較大，屏蔽效果強弱依次為鉛、鉛玻璃、鑄鐵、不銹鋼，其中鉛最為顯著。并且?guī)缀踉?0 cm處劑量接近于0，對于100 cm屏蔽材料的屏蔽劑量已經很低了。但是MCNP存在深穿透問題，對于低劑量的屏蔽劑量計算值的粒子輸運貢獻極少，結果穩(wěn)定性差，還需要根據(jù)實際情況進行分析。同樣如圖4表示不同的屏蔽墻材料屏蔽劑量隨厚度變化的屏蔽計算及擬合曲線，圖中各種屏蔽墻材料屏蔽效果強弱依次為重晶石混凝土、磁鐵礦混凝土、普通混凝土，其中重晶石混凝土最為顯著。這主要是由于鉛的原子序數(shù)較高，密度大。同樣重晶石混凝土相對于其他混凝土也添加了很多原子序數(shù)高的核素，其對伽馬的屏蔽效果增強了。表2根據(jù)IAEA標準文件NO.NS-G-1.13（2005）文件以及MC模擬數(shù)據(jù)擬合可以計算出不同屏蔽材料下控制區(qū)不同的居留因子條件下的恰當?shù)钠帘魏穸?。表中可以看出對?5 cm普通混凝土墻以及鑄鐵材料屏蔽門可以保證1～10人小時/周劑量限制。而對于重晶石混凝土材料和鉛屏蔽門其恰當?shù)暮穸确謩e為75 cm、28 cm，相對于現(xiàn)有材料可以減少20 cm以上。

2 結語

通過Monte Carlo方法對HFETR主熱交換器工藝房間及其控制區(qū)高能伽馬劑量進行模擬，計算出了各種不同屏蔽材料的恰當厚度，并進行了比較分析。采用價格較貴的重晶石混凝土墻和鉛門都可以使其恰當屏蔽厚度減少20 cm以上。通過材料的配比以及工藝成本的降低，可以開發(fā)出實用的屏蔽材料。該文模擬表明現(xiàn)有的100 cm屏蔽材料普通混凝土墻以及50 cm鑄鐵門的屏蔽厚度可以保證控制區(qū)的劑量限制，從而滿足反應堆工作人員的輻射防護要求。

參考文獻

[1] 劉水清，孫宇，馬立勇，等.高通量工程試驗堆14C生產估算[J].核動力工程，2014，35（1）：178-180.

[2] Jeremiah，Yaolin Zhao，Chaohui He.Design and optimization of HPLWR high pressure turbine gamma ray shield[J].Nuclear Engineering and Design，2015，284：293-299.

[3] Team MC.MCNP–A General Monte Carlo N-Particle Transport Code，Version 5[R].Los Alamos，LA-CP-03-0245，2003.

[4] ICRP.Conversion coefficients for use in radiological protection against external radiation[M].SAGE PubLications Ltd，1997.

[5] IAEA Safety Standards Series.Radiation protection aspects of design for nuclear power plants[S].2005.