某研究堆辐射防护最优化设计原则

冯建　张剑巍　曾波　谭晶华　宋良军　白晓峰　王野

【摘 要】辐射防护最优化是辐射防护的基本原则之一。本文对某研究堆考虑的最优化设计原则进行介绍，从材料选择、水质控制、分区限制、合理布局、设备可靠及可维修、管理优化等多个方面采取措施，确保某研究堆在后续设计中有效贯彻辐射防护最优化原则。

【关键词】辐射防护；最优化；设计原则

中图分类号： TL752 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）08-0273-002

Optimization Design Principles of Radiation Protection in a Certain Research Reactor

FENG Jian ZHANG Jian-wei ZENG Bo TAN Jing-hua SONG Liang-jun BAI Xiao-feng WANG Ye

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu 610213，China）

【Abstract】The optimization of radiation protection is one of the basic principles of radiation protection.This paper introduces the optimization design principles of radiation protection in a certain research reactor，from various aspects including material selection，liquid quality control，radiological zoning，reasonable layout，reliable equipment and management optimization，which can ensure the effective implementation of radiation protection optimization principles in the following reactor design.

【Key words】Radiation protection；Optimization；Design principles

0 引言

輻射防护的基本原则之一是辐射防护最优化，即确保在各种运行状态下，工作人员及公众的所有辐射照射剂量保持在规定限值内并合理可行尽量低。根据国家相关法规和导则的要求，辐射防护最优化须贯穿核设施设计、运行和退役的全过程。

某研究堆在设计过程中，从多个方面对辐射防护最优化设计的原则加以考虑。本文将对此进行简要介绍，并初步探讨其合理性。

1 源项控制

可有效控制压水堆辐射源项的措施主要是控制反应堆冷却剂中腐蚀产物、活化产物的产生。根据法国压水堆运行经验，90%以上的集体剂量来自于腐蚀产物和活化产物[1]。因此，某研究堆在设计时考虑采取多种措施控制辐射源项。

1）材料选用

某研究堆在堆芯组件、堆内构件、控制棒及驱动机构、主泵、主冷却器、容补器、冷却剂管道等系统设备设计时，考虑对所用铝材、铍材、不锈钢等材料的化学成分加以严格控制，特别是Co、Ag、Sb、Cu等杂质的含量。比如，所用T6060Al合金中Co含量限制在不超过0.001%，其余材料Co含量限制在不超过0.05%；Be材中Ag含量限制在不超过5μg/g；堆内构件镍基合金棒材中Sb含量限制在0.0025%；主泵材料中Cu含量限制在不超过1.0%。

通过严格控制材料中化学成分的方式，可有效降低Co-60、Sb-122、Ag-110等活化产物的产生。而根据以往的经验，这些活化产物对个人剂量的贡献甚至可高达90%[2]。

2）反应堆冷却剂水质控制[3]

某研究堆考虑对反应堆冷却剂水质提出明确要求，以减少反应堆燃料元件、结构材料以及传热设备的腐蚀和结垢。

反应堆冷却剂的pH值是影响材料腐蚀的重要因素。某研究堆考虑将反应堆冷却剂pH值（25℃）严格控制在5.5～6.5，有利于降低燃料包壳材料铝合金的腐蚀速率，维持其保护性氧化膜的稳定性。

某研究堆将严格控制反应堆冷却剂中杂质离子的浓度，将氯离子、氟离子、硫酸根离子浓度限制在不超过0.1mg/kg，将铜离子、铅离子浓度限制在不超过0.01mg/kg，可有效降低铝合金的点腐蚀以及不锈钢应力腐蚀。

某研究堆考虑将悬浮物浓度限制在不超过1.0mg/kg，可有效减少活化腐蚀产物在燃料包壳表面的沉积以及反应堆冷却剂系统的放射性累积。

3）净化

净化是实现反应堆冷却剂pH值控制以及有害离子、杂质去除的重要措施。某研究堆设置净化系统，并对净化流量进行充分考虑。在满足反应堆运行要求的前提下，尽可能选取较大的净化流量，以保证反应堆冷却剂水质更优。同时，某研究堆还考虑设置除气系统，对反应堆冷却剂中的放射性惰性气体进行连续去除。

2 辐射防护分区

2.1 分区标准

在主导及潜在情况下，工作场所的辐射水平和污染水平在各区域之间是有差别的。根据这种差别，划分出不同的辐射防护分区，以实施差别化的工程和管理措施，这是贯彻辐射防护最优化理念的重要设计内容之一。

某研究堆根据国家相关标准的要求，结合工程自身实际情况，将工作场所分为监督区和控制区。为加强管理，考虑将控制区进一步划分为控制Ⅰ区、控制Ⅱ区、控制Ⅲ区[4]，具体分区标准见表1。

通过对不同辐射防护分区的居留特征进行限制，可有效保证工作人员的职业照射剂量水平在安全可控范围内。

表1 辐射防护分区标准

2.2 通风设计

某研究堆对工作场所的所有房间和各区域进行逐一考虑，根据其可能的污染水平大小确定适宜的换气次数。在保证空气污染水平满足相关要求的前提下，换气次数尽量经济、优化。

對于不同的辐射分区，设定不同的负压值。在保证气流由低污染区域向高污染区域流动的同时，尽量选定较低的负压值，可有效降低通风系统设备、材料的用量及费用。因此，某研究堆考虑控制Ⅰ区负压保持在（-30～-50）Pa，控制Ⅱ区负压保持在（-50～-100）Pa，控制Ⅲ区负压保持在（-150～-450）Pa[4]。

2.3 通道设计

某研究堆考虑在监督区和控制区之间设置卫生通道，进出互不交叉，在出口处进行人体表面沾污测量。与部分在用研究堆不同的是，某研究堆拟限定，离开卫生通道的工作人员只有在表面沾污测量不达标时方才允许淋浴洗消，以减少洗消废水产生量和处理量，满足废物最小化原则。

在平面图布置阶段，某研究堆需从多角度考虑通道设计的合理性，经多方案比较后选定最优的通道布局，最大限度地保证通道尽量短，避免不必要的迂回曲折。同时，将人流、物流通道尽量分开，避免工作人员受到不必要的照射。对于不可避免的人流和物流交叉区域，在进行放射性物质运输时，实施设置警示隔离带的管理措施，禁止不相关人员通过该区域。

3 厂房与布局

某研究堆采用低泄漏率的密闭厂房设置方案，以控制事故工况下放射性物质向环境释放。然而，泄漏率越低，密闭厂房承压要求越高，这都导致建筑成本极大地提高。因此，在设计中经反复比较，选取2.0%/d作为合适的泄漏率数值，既可确保非居住区边界公众照射剂量满足要求，又可降低工程建造费用。

在厂房布局设计中，尽量考虑将放射性物项的布置与操作隔离开来。比如，某研究堆反应堆冷却剂的净化系统使用了离子交换柱等设备，其在运行后期辐射水平较高，故考虑将其布置于独立的设备间，通过阀门远传等措施，在操作间实现工作人员对设备的操作，可大大降低人员的受照剂量。

4 维修优化

某研究堆充分考虑后期维修的需求，对设备设计与布置进行合理优化。比如，尽量采用电动阀代替气动阀，以降低检修频率；高辐射区域的部分阀门具备远程操作功能以及部分仪表具备数据远传功能，降低人员现场检修、监测等作业需求；对于部分安装位置较高的设备，设计固定的钢平台，避免临时搭建作业导致人员受到不必要的照射；设备尽量选用易于去污的材料和结构，对于易形成沉积的部件，在设计和安装时预留搭建临时屏蔽所需的空间；设备布置时保证充足的维修空间，对于空间不足的设备，设计上尽量考虑易于装拆，并设置专门的吊具和吊装孔道，便于后期将其转移至开阔处进行维修等。

5 结束语

某研究堆在设计上考虑通过选用高品质材料、优化水质及分区控制、限制停留时间、合理布局、提高设备可靠性及可维修性、管理优化等方式实施辐射防护最优化，可有效降低辐射风险，保障人员和环境安全。

【参考文献】

[1]任学明，等CEPR核电厂辐射防护最优化设计[J].核动力工程，2015，36（1）：49-62.

[2]方岚，等.压水堆核电站一回路活化腐蚀产物源项控制措施探讨[J].辐射防护，2012，32（1）：008-014.

[3]谢杨.反应堆冷却剂水化学技术条件，中国核动力研究设计院，2013.

[4]胡一非，等.反应堆辐射防护系统设计，中国核动力研究设计院，2015.