禁止設計

禁止設計是為避免核輻射對人等一切生物的危害,要對輻射源進行禁止處理的技術。

進行禁止設計首先要確定輻射源的類型和活度,確定觀察點的輻射水平和禁止體的形狀,然後選擇適當的禁止材料和計算公式來計算禁止體的厚度。
核電廠的輻射源 主要是反應堆,其次還有一次冷卻劑,乏燃料元件和放射性廢物。反應堆在運行時將產生γ射線和中子。γ射線主要是核裂變時放出的瞬發γ射線和裂變產物衰變時放出的γ射線,此外還有熱中子俘獲γ射線和快中子非彈性散射產生的γ射線,核反應產物的γ射線,活化產物的γ射線,湮沒輻射和韌致輻射等。中子主要是裂變中子,此外還有緩發中子,活化產物的中子和光激中子等。一座發電能力為1000MW的反應堆,在運行時其γ射線發射率接近3.5×10MeV/s,中子發射率約為2.5×10n/s。停堆之後,基本上沒有中子,但裂變產物和活化產物的γ射線仍可達10MeV/s。一次冷卻劑的主要輻射是裂變產物和活化產物的γ射線,其放射性濃度可達4×10Bq/L。典型的乏燃料水池內可存放約13/3堆芯裝載量的乏燃料,但因已衰變多日,其最大活度大約相當於堆芯的5%。
確定觀察點的輻射水平 確定各個觀察點的輻射水平與禁止的目的有關。為了工作人員的健康,應根據工作人員接近輻射源的頻率和時間,確定不同的輻射水平,分區進行禁止。為了防止設備的輻照損傷,防止材料的活化和保持禁止體的穩定性,應根據材料的特性和使用要求確定其輻射水平。中國核工業標準規定:①堆本體各部件所受輻照應低於規定限值;②普通矽酸鹽混凝土禁止體內表面中子注量率應小於等於5×10n/(cm·s),γ射線能(量)注量率應小於等於4×10MeV/(cm·s);③對於停堆後工作人員進行工作的場所,在堆運行時熱中子注量率應小於等於1×10n/(cm·s)。
禁止材料選擇 核電廠的禁止體應具有以下特性:①密度大,可以有效地吸收一次γ和二次γ射線,同時還可以通過非彈性散射把快中子慢化下來;②含有足夠多的氫,可以有效地把非彈性散射閾值以下的中子慢化為熱中子;③要有足夠的機械強度、機械穩定性、熱穩定性和化學穩定性;④價格低廉,容易加工和建造。只有混合使用幾種材料才能滿足這些要求。在核電廠中常用的禁止材料為鋼、水、混凝土(包括含有結晶水或硼的重金屬骨料的混凝土),局部地方也選用鉛或含硼塑膠等。
禁止計算 計算γ射線在禁止體內的減弱通常使用點核技術和積累因子。對於含氫材料的禁止體,常用分出—擴散法計算快中子的減弱和熱中子在禁止體內的分布。試驗表明,當禁止體內有足夠的氫(約6g/cm的氫,或者約50cmH2O的水)時,裂變中子在其中的減弱近似遵守指數規律。這可以認為經散射而降低能量並改變方向的中子從快中子束中“分出”去了,所以這種減弱截面被稱為分出截面。被分出的中子將進入擴散過程,可按擴散理論來計算中能中子和熱中子在禁止體中的分布,這對於禁止體內二次γ射線分布的計算是必不可少的。必須注意,在禁止體內含氫量不足時,中能中子劑量往往成為中子劑量的主要貢獻者。
計算機技術的發展使人們可以用數值方法來求解中子或γ光子在禁止體中的輸運問題。這裡有兩種途徑,一種是巨觀的,即求解玻爾茲曼方程,所用的方法有矩方法、球諧函式法、離散縱標法等。另一種是微觀的,即蒙特卡羅法,它描述個別粒子通過禁止體直到它被吸收或穿透出去的過程,只要採樣的數量足夠大,就可以準確地描述中子或γ光子在禁止體內的輸運過程。目前這些計算方法都已成熟地用於工程設計中。
核電廠內的禁止 反應堆廠房的禁止一般採用兩級禁止的方案,即堆本體的禁止(一次禁止)和一次冷卻劑系統的禁止(二次禁止)。因為在反應堆周圍布置的是一次冷卻劑系統的管道和設備,當堆運行時,它們本身也是較強的輻射源程式,也是不可接近的。所以堆本體的禁止主要是防止這些設備和二迴路冷卻劑的活化並保證在停堆後禁止體外來自反應堆的輻射的水平低於來自這些設備本身的輻射的水平。而一次冷卻劑系統的禁止則為保護工作人員的健康,降低反應堆廠房周圍環境的γ輻射水平。一次和二次禁止的概況見圖。
反應堆廠房一次和二次禁止示意圖反應堆廠房一次和二次禁止示意圖
堆本體的禁止 堆本體的禁止(一次禁止)是由壓力容器內的多重鋼、水禁止和周圍厚約2m的環形混凝土牆構成的。幾層鋼、水禁止分別是堆芯隔板、堆芯筒體、熱禁止、壓力容器及其中間的水層構成的。這些禁止除了具有安全防護的目的外,還有一些工程上的考慮,如熱禁止可用來保護壓力容器的機械性能,不會因過量的中子照射而變壞;降低混凝土中的發熱以及防止一次禁止外設備的活化等。
反應堆冷卻劑系統的禁止 反應堆冷卻劑系統的禁止(二次禁止)包括反應堆冷卻劑系統四周的環形吊車承重牆及其上面的水泥操作地板。也有把安全殼的混凝土結構也算做二次禁止的。反應堆冷卻劑內的主要輻射源是16N。二次禁止的目的就是把輻射減弱到安全水平,使工作人員在反應堆滿功率運行時能夠短時間進入安全殼,進行必要的檢查、維護工作。二次禁止還有這樣的作用,即在反應堆滿功率運行時,人們可以在安全殼外正常地進行工作,並當堆芯熔化,大量放射性物質進入安全殼時保護工作人員和周圍居民免受過量的照射。
乏燃料儲運禁止是由卸料腔和儲存水池的水、卸料腔、運輸通道和儲存水池的牆和乏燃料運輸容器構成的。卸料時反應堆容器上部空間(卸料腔)充水,水層厚度可保證從堆芯提出乏燃料時水面上照射量率不大於規定值。卸出的燃料經連通安全殼和燃料儲存水池的運輸通道進入儲存廠房儲存。經過一定時間後,在水下裝入運輸容器送往儲存庫或後處理廠。
輔助廠房內布置著化學容積控制、堆安全、反應堆冷卻劑淨化、硼酸濃縮及廢物處理等系統的各種設備,輻射水平差別很大。禁止設計的目的是為了保證工作人員可在其附近從事必要的操作和維護工作。各個工作場所的輻射水平按工作人員在那裡的停留時間和分區管理原則來確定。

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