蒙特卡羅方法在高放廢物貯存庫屏蔽蓋板設計中的應用

常葉笛,李卓然,王炳衡,高桂玲

(中國核電工程有限公司 反應堆工藝研究所,北京100840)

隨著我國科學技術的快速發展,核技術在各行業應用越來越廣泛,隨之產生的廢舊放射源和放射性固體廢物持續增加[1]。有效的輻射屏蔽設計是放射性廢物庫安全管理的重要保障,只有確保放射性廢物庫輻射安全,才能保證輻射工作人員的健康[2]。

在進行放射性廢物庫屏蔽設計過程中,不僅要求貯存庫接收標準按相關規定控制[3],且入庫貯存的廢物桶表面沾污水平也應符合相關標準要求[4]。

高放廢物靶件貯存在放射性廢物庫的廢物貯存井內,表面劑量率水平超過100 Sv·h-1,為滿足人員在廢物大廳內檢修時的安全需求,應為高放廢物貯存井設計屏蔽蓋板,使人員在蓋板上方活動時,所處位置的劑量率水平不超過橙區控制值(25 μSv·h-1)。

本文采用2種屏蔽材料,分別是密度為2.2 g·cm-3的混凝土和密度為7.8 g·cm-3的碳鋼,后者的屏蔽效果更強,但材料的采購成本也更高,因此,在滿足輻射安全控制值要求的前提下,需綜合考慮不同材料的選取與配合,以達到降低設計成本,提高核設施經濟性的目的。

貯存井蓋板輻射防護分析,采用了蒙特卡羅模擬方法[5],對工程設計中遇到的問題進行模擬計算。蒙特卡羅方法的主要優點在于計算精度高、受幾何條件限制小、收斂速度與問題的維數無關及具有優良的并行計算特性和同時計算多種未知量的能力[6]?；谶@些獨特的優點,蒙特卡羅方法被國際反應堆物理界認為是新一代高精度高保真的堆芯物理分析方法的重要候選方法之一,也是國際上的研究熱點[7-8]。本文使用蒙特卡羅方法,對粒子輸運進行精細化建模模擬,提高了分析精度,為分析結果的準確性提供了依據。在屏蔽計算過程中,考慮到設備源項計算的不確定度等影響,考慮一定的安全裕量,通常為劑量率計算結果的2倍。

1 貯存井單元結構

首先,使用蒙特卡羅方法對放射性廢物庫單個單元(貯存井)的結構進行分析,圖1為貯存井的結構示意圖。其中,貯存井壁采用混凝土材質,厚度為30 cm,屏蔽蓋板采用整體碳鋼,厚度需達41 cm才能滿足橙區控制值的要求,這種設計結構可在較小的空間范圍內實現屏蔽效果,但造價也較昂貴。

(a)Top view

(b)Side view

實際上,放射性廢物庫中布置了多個貯存井,每個貯存井上的蓋板分布排列,因此需對多個蓋板進行建模分析,考慮相鄰貯存井內放射性廢物輻射的影響。

2 蓋板對屏蔽效果的影響

2.1 蓋板間縫隙寬度對屏蔽效果的影響

使用蒙特卡羅方法對多個貯存井結構進行建模,圖2為多個貯存井的結構示意圖。

(a)Top view

(b)Side view

施工過程中廢物庫貯存井無法按照設計既定的精度進行施工,貯存井定位精度偏差為±3 cm,因此,貯存井相鄰蓋板之間會形成0～6 cm的縫隙,這個縫隙是屏蔽薄弱項,會造成放射性射線漏束,漏束的比例與縫隙的大小有關,對施工精度造成的最小偏差與最大偏差之間所有縫隙尺寸進行輻射防護建模及分析,不同寬度縫隙外的劑量率水平如表1所列。

表1 不同寬度縫隙外的劑量率水平

由表1可知,由于施工縫隙的存在,高放廢物產生的放射性射線會對外部空間造成較大的影響。因此在施工階段應盡量減小縫隙,并在屏蔽不足時適當增加屏蔽蓋板的厚度。

2.2 蓋板材料對屏蔽效果的影響

2.2.1 混凝土基座-碳鋼蓋板

為減小施工精度造成的碳鋼蓋板之間的縫隙,考慮將井下方的混凝土基座向上延伸,盡可能與上層的碳鋼蓋板貼合。使用蒙特卡羅方法建模,圖3為混凝土基座-碳鋼蓋板的結構示意圖?；炷粱c碳鋼蓋板之間也有微小的縫隙,如圖4所示,但與第2.2.1節提到的縫隙(0～6 cm)相比,降低了一個量級,該方案的精度偏差為±3 mm,即整體縫隙尺寸為0～6 mm。

圖3 混凝土基座-碳鋼蓋板的結構示意圖

圖4 混凝土基座與碳鋼蓋板之間的縫隙

對此蓋板結構進行輻射防護分析,如需滿足屏蔽要求,碳鋼蓋板厚度需為41 cm,此時蓋板上方的劑量率水平為25 μSv·h-1,所需混凝土基座的厚度為85 cm,此時蓋板上方的劑量率水平為24 μSv·h-1。但混凝土基座與碳鋼蓋板未搭接的下半段部位,可能存在屏蔽厚度不足,使一部分放射性射線斜向泄漏。因此,為提高設計的安全性和經濟性,考慮將碳鋼蓋板修改為混凝土蓋板,解決基座與蓋板之間搭接不足的問題。

2.2.2 混凝土基座-混凝土蓋板

為進一步消除施工偏差造成的縫隙帶來的放射性泄漏,將碳鋼蓋板調整為混凝土蓋板,同樣采用混凝土材料作為基座,相同混凝土材料之間的貼合更緊密。采用蒙特卡羅方法建模,圖5為混凝土基座-混凝土蓋板的結構示意圖。通過數值模擬,為滿足屏蔽要求,混凝土基座和混凝土蓋板所需的厚度均為100 cm,此時蓋板上方劑量率水平為23 μSv·h-1,滿足橙區劑量率控制值要求。

圖5 混凝土基座-混凝土蓋板的結構示意圖

3 不同類型貯存井內壁結構及貯存形式對屏蔽效果的影響

影響貯存井蓋板屏蔽效果的因素是多樣的,如貯存井內壁的結構、每個貯存井內放置放射性廢物的數量及放置形式等,利用蒙特卡羅方法分別建模模擬分析,貯存井內壁為圓柱體及長方體時,多個貯存井的結構示意圖如圖6所示。

(a)Cylindrical inner wall

(b)Rectangular inner wall

分析可知,在每個貯存井內放置4個廢物棒時,采用相同厚度的混凝土蓋板,圓柱形貯存井外的劑量率為3.38 mSv·h-1,長方體貯存井外的劑量率為4.03 mSv·h-1。不同形狀的貯存井壁會對相同厚度的屏蔽蓋板產生不同的屏蔽效果,其中,圓柱形貯存井的效果優于長方體貯存井。

在滿足劑量率控制值要求的條件下,在單個貯存井內放多個放射性廢物,可減少整個廢物庫內對廢物貯存井數量的需求,較大地節約了建造成本,但又對屏蔽蓋板的厚度提出了更高的要求,因此需在二者之間尋求平衡,找到一個最佳解決方案。

4 結論

通過對比分析,發現在進行廢物庫貯存井屏蔽設計時,采用混凝土基座-混凝土蓋板結構,雖所需的屏蔽厚度是碳鋼結構的2倍多,但由于混凝土材料價格低廉,仍可降低設計和建造的成本。同時在單個貯存井內放置多個(但不是大量)廢物,并采用圓柱形內壁結構,也可實現降低建造成本的目的。

因此在進行輻射防護設計時,應綜合考慮多方面的因素,利用蒙特卡羅計算方法,對可能對設計方案造成影響的因素,如基座和蓋板的材質、每個貯存井內放置的廢物數量及貯存井的內壁形狀,進行控制變量法分析,在分析一個特定參數的影響時,其他參數應保持不變。通過對各個方案的對比分析,在保障輻射安全的前提下,提出較為經濟的解決方案,如在本文的設計中,最終通過分析提出了采用混凝土基座-混凝土蓋板結構,在單個貯存井內合理放置多個廢物,并采用圓柱形內壁結構的方案,實現設計的安全性和經濟性。