鉛冷反應(yīng)堆容器外輻射場(chǎng)特性分析

關(guān)鍵詞：鉛冷反應(yīng)堆;輻射場(chǎng)特性;活化計(jì)算

0 引言

鉛冷反應(yīng)堆一回路采用液態(tài)鉛進(jìn)行堆芯冷卻，擁有功率密度高、壽期長(zhǎng)、固有安全、系統(tǒng)簡(jiǎn)化等突出特點(diǎn)，具有非常高的工程應(yīng)用價(jià)值[1-2] 。現(xiàn)階段，鉛冷反應(yīng)堆研究快速推進(jìn)，反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)必須根據(jù)鉛冷反應(yīng)堆特點(diǎn)開展相關(guān)研究，需要詳細(xì)分析鉛冷反應(yīng)堆輻射場(chǎng)特點(diǎn)。

鉛冷卻劑的中子慢化能力弱、中子反應(yīng)總截面小，中子屏蔽性能較弱，但其密度高，具有很好的γ 屏蔽效果。相較于水堆，在堆芯外圍相同冷卻劑厚度情況下，鉛冷反應(yīng)堆裂變產(chǎn)生的中子更容易從堆芯輸運(yùn)至反應(yīng)堆容器外表面?？熳V鉛冷反應(yīng)堆和混合譜鉛冷反應(yīng)堆的堆芯平均中子能譜如圖1 所示，從圖中可以看出，這兩種堆芯設(shè)計(jì)的平均中子能譜均硬于壓水堆，即鉛冷反應(yīng)堆的中子平均能量較高。這些因素對(duì)屏蔽設(shè)計(jì)提出了更高的中子屏蔽要求。

相比較壓水堆中穩(wěn)定核素O-16 和O-17 會(huì)受到堆芯及其相鄰區(qū)域高能中子（E≥8. 0 MeV）照射分別生成具有很強(qiáng)γ 放射性的核素N-16 和N-17[3] ，鉛冷卻劑與中子產(chǎn)生的活化產(chǎn)物主要為α、β 放射性核素[4] ，對(duì)屏蔽影響很小，因此一般不需要專門考慮鉛冷卻劑活化源項(xiàng)的屏蔽。

1 計(jì)算模型及程序介紹

反應(yīng)堆有功率運(yùn)行和停堆兩種輻射場(chǎng)完全不同的狀態(tài)，其中滿功率運(yùn)行的輻射場(chǎng)情況包絡(luò)功率運(yùn)行的輻射場(chǎng)情況，壽期末停堆的輻射場(chǎng)情況包絡(luò)停堆輻射場(chǎng)情況。本文后續(xù)將分別分析鉛冷堆和壓水堆在滿功率運(yùn)行及壽期末停堆兩種狀態(tài)下反應(yīng)堆容器外的輻射場(chǎng)情況。

1. 1 模型介紹

為了便于對(duì)比壓水堆與鉛冷堆的輻射場(chǎng)特性，于是統(tǒng)一考慮相同的反應(yīng)堆簡(jiǎn)化模型。本文主要分析外圍下降段冷卻劑及反應(yīng)堆容器外的輻射場(chǎng)情況，堆芯詳細(xì)結(jié)構(gòu)及較薄的堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)（如圍板、吊籃等）對(duì)分析結(jié)論影響較小，因此將堆芯及圍板、吊籃進(jìn)行打混處理，從而將反應(yīng)堆側(cè)部簡(jiǎn)化為一維模型。在保證總源強(qiáng)相同、堆芯外圍冷卻劑厚度一致、反應(yīng)堆容器材料及厚度相同的情況下，分析壓水堆和快譜鉛冷堆及混合譜鉛冷堆容器外側(cè)輻射場(chǎng)情況。計(jì)算模型如圖2 所示，模型相關(guān)參數(shù)列于表1。

1. 2 計(jì)算程序介紹

計(jì)算采用蒙特卡羅計(jì)算程序RMC[5] 。RMC程序是中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院與清華大學(xué)物理系核能科學(xué)與工程管理研究所反應(yīng)堆工程計(jì)算分析實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合自主研發(fā)的三維蒙特卡羅輸運(yùn)程序。RMC 程序能夠處理復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)、采用連續(xù)能量點(diǎn)截面對(duì)復(fù)雜能譜和材料進(jìn)行描述，并能夠根據(jù)實(shí)際問題進(jìn)行中子光子耦合輸運(yùn)計(jì)算。

2 鉛冷反應(yīng)堆滿功率正常運(yùn)行狀態(tài)下輻射場(chǎng)特點(diǎn)

2. 1 反應(yīng)堆容器外輻射場(chǎng)情況

經(jīng)過RMC 程序計(jì)算，反應(yīng)堆容器外側(cè)輻射場(chǎng)結(jié)果列于表2。從表2 中可以看出，壓水堆容器外中子通量密度遠(yuǎn)低于鉛冷反應(yīng)堆，其中混合譜鉛冷堆容器外中子通量密度最高;三種堆的γ 通量密度在同一個(gè)量級(jí)，其中混合譜鉛冷堆γ 通量密度最高，快譜鉛冷堆最低?？梢钥闯觯词广U冷卻劑擁有很好的γ 屏蔽性能，但在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)堆容器外側(cè)的γ 通量密度依然與壓水堆相當(dāng)。

圖3 為三種反應(yīng)堆的容器外中子能譜圖，從圖中可以看出，在反應(yīng)堆容器外，壓水堆雖然中子通量密度低，但中子能譜要硬于鉛冷堆;快譜鉛冷堆該位置處中子能譜比混合譜要硬。圖4 為三種反應(yīng)堆的容器外γ 能譜圖，從圖中可以看出，在反應(yīng)堆容器外，壓水堆γ 能譜最軟，混合譜鉛冷堆γ能譜最硬。

2. 2 反應(yīng)堆容器外輻射來源分析

反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)堆容器外圍的中子均來自反應(yīng)堆堆芯燃料裂變。而γ 射線來源主要分為裂變產(chǎn)生的γ 射線（包括瞬發(fā)和緩發(fā)）和中子產(chǎn)生的次生γ 射線。由于二者的屏蔽設(shè)計(jì)思路不同，因此需要分析反應(yīng)堆容器外γ 射線的來源及貢獻(xiàn)，屏蔽設(shè)計(jì)才能有的放矢。

選取上述快譜鉛冷堆模型進(jìn)行γ 射線來源分析。為了分析γ 射線來源，分別對(duì)真實(shí)情況和僅考慮中子次生γ 射線兩種情況開展了計(jì)算，統(tǒng)計(jì)鉛冷卻劑中每1 cm 的光子通量密度，結(jié)果示于圖5。從圖5 可以看出，隨著穿透鉛冷卻劑深度的增加，中子次生γ 通量密度占總γ 通量密度的比值逐漸接近1，中子次生γ 越占據(jù)主導(dǎo)。到90 cm 位置處（即鉛冷卻劑10 cm），中子次生γ 占比已經(jīng)超過了95%，往后的比值曲線有些起伏，這主要由蒙特卡羅計(jì)算程序的統(tǒng)計(jì)誤差導(dǎo)致，但整體逐漸趨向于100%。

從趨勢(shì)上看，80～85 cm 處γ 通量密度下降速度較快，后續(xù)下降速度降低并穩(wěn)定，到115 cm 處又有所上升。根據(jù)上述分析可以推斷80 ～ 85 cm堆芯裂變?chǔ)?占據(jù)主導(dǎo)，由于鉛具有較好的γ 屏蔽效果，因此該范圍內(nèi)γ 通量密度下降明顯;結(jié)合圖6 可以看出，在80 ～120 cm 處中子通量密度隨鉛厚度增厚，下降速率較為穩(wěn)定，又由于85 cm 往后中子次生γ 占據(jù)主要貢獻(xiàn)，因此85 cm 往后γ 通量密度下降速度放緩且下降速度較為穩(wěn)定。由于中子與外圍不銹鋼發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的次生γ 比中子與鉛冷卻劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的次生γ 更多，因此115～122 cm 處γ 通量密度出現(xiàn)了上升趨勢(shì)。

綜上，鉛冷反應(yīng)堆容器外γ 射線的主要來源為外圍冷卻劑與中子的反應(yīng)，有效的降低外圍冷卻劑內(nèi)中子通量密度水平將有效降低外圍γ 輻射劑量。

3 鉛冷反應(yīng)堆停堆后輻射場(chǎng)特點(diǎn)

3. 1 僅考慮堆芯積存量

在停堆情況下，反應(yīng)堆中裂變產(chǎn)物會(huì)發(fā)生衰變，產(chǎn)生衰變中子和γ 射線。當(dāng)停堆30 min 后，反應(yīng)堆裂變產(chǎn)物的γ 源強(qiáng)遠(yuǎn)大于其中子源強(qiáng)，γ 總源強(qiáng)為中子源強(qiáng)的10 個(gè)量級(jí)以上。在上述模型基礎(chǔ)上，對(duì)反應(yīng)堆容器外輻射場(chǎng)進(jìn)行分析，假設(shè)停堆總γ源強(qiáng)為1×1019 s-1，總中子源強(qiáng)為3×106 s-1，計(jì)算結(jié)果列于表3。從表3 中可以看出，在停堆狀態(tài)下，三種堆型外圍中子通量密度均很低;另外，鉛冷堆芯外圍冷卻劑成為了非常好的屏蔽體，反應(yīng)堆容器外的γ 通量密度非常低，遠(yuǎn)低于壓水堆。從絕對(duì)值結(jié)果來看，鉛冷反應(yīng)堆停堆后，堆芯積存量產(chǎn)生的中子、γ 到達(dá)反應(yīng)堆容器外的通量密度水平整體較低。

3. 2 考慮反應(yīng)堆容器活化效應(yīng)

從表2 中可以看出，鉛冷反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)容器外中子通量密度遠(yuǎn)高于壓水堆，因此鉛冷反應(yīng)堆容器的活化情況需要詳細(xì)計(jì)算分析，評(píng)價(jià)活化源項(xiàng)大小及對(duì)停堆后容器外輻射場(chǎng)的貢獻(xiàn)情況，計(jì)算結(jié)果列于表4。

從表4 可以看出，無論快譜還是混合譜，徑向相同冷卻劑厚度情況下鉛冷堆容器活化源項(xiàng)放射性活度遠(yuǎn)高于壓水堆。對(duì)比最具代表性的活化產(chǎn)物核素Co-60 的比活度，快譜鉛冷堆約為壓水堆的63 倍，混合譜鉛冷堆是壓水堆的759 倍。

基于上述活化源項(xiàng)，計(jì)算得到反應(yīng)堆容器外γ通量密度，計(jì)算結(jié)果列于表5。綜合表3 結(jié)果可以看出，鉛冷反應(yīng)堆容器活化源項(xiàng)是停堆后容器外輻射場(chǎng)的最主要貢獻(xiàn)。

雖然活化產(chǎn)物與堆芯積存量一樣衰變主要放出γ 射線，但由于容器外側(cè)缺少鉛冷卻劑對(duì)這些δ射線進(jìn)行防護(hù)，因此鉛冷反應(yīng)堆容器活化源項(xiàng)成為了停堆后堆外輻射場(chǎng)的主要貢獻(xiàn)源，也是屏蔽設(shè)計(jì)最需要考慮的源項(xiàng)。

4 鉛冷反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題分析及總結(jié)

綜合上述分析的鉛冷反應(yīng)堆輻射場(chǎng)特點(diǎn)，可以看出，中子屏蔽是鉛冷堆防護(hù)的關(guān)鍵：

1）正常運(yùn)行時(shí)鉛冷反應(yīng)堆容器外圍中子通量密度遠(yuǎn)高于壓水堆;

2）正常運(yùn)行時(shí)鉛冷反應(yīng)堆外圍的γ 主要由中子在外圍冷卻劑區(qū)域發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生;

3）停堆后反應(yīng)堆容器外圍的輻射場(chǎng)貢獻(xiàn)主要來源于容器的活化源項(xiàng)，而活化源項(xiàng)也來源于正常運(yùn)行時(shí)中子與反應(yīng)堆容器核素發(fā)生的活化反應(yīng)。

因此，鉛冷反應(yīng)堆相較于壓水堆，更需要在反應(yīng)堆容器內(nèi)設(shè)置中子屏蔽。在反應(yīng)堆容器內(nèi)設(shè)置中子屏蔽一方面可以有效的降低反應(yīng)堆容器外的輻射水平，減少反應(yīng)堆容器外的屏蔽設(shè)置;另一方面由于以Co-60 為代表的活化產(chǎn)物半衰期較長(zhǎng)，有效降低容器本體的活化水平，可以方便后續(xù)核設(shè)施進(jìn)行維修以及退役拆除等作業(yè)。