“华龙一号”辐射防护相关孔洞封堵要求分析方法优化

张丽莹，李卓然，李晓静，王晓霞，米爱军

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

核电厂核岛厂房各房间之间难免有各种物项相互贯穿，如管道、电缆等，在土建施工过程中根据设计要求，在各厂房的土建结构中预留大量孔洞，以确保机械设备安装时各种管道通过。为保证厂房安全的完整性，对于各种孔洞或套管，在物项布置完毕后需要采用孔洞封堵材料对预留孔洞进行封堵，以恢复土建结构的安全功能，如：气密、水密、防火、生物屏蔽等。核岛厂房多数土建结构承担着辐射屏蔽的功能，土建结构的开孔会直接削弱其生物屏蔽功能，有可能导致墙体两侧剂量率超过原来的设计要求；为保证孔洞两侧房间的居留特性、工作人员职业照射满足设计要求及相关法规标准要求，需要对某些墙体预留孔洞进行生物屏蔽封堵。而对于机械管道贯穿孔洞，当核电厂处于不同运行状态时，某些管道受热状态不同，导致管道物项相对于所贯穿的孔洞发生热位移，当管道物项热位移超过普通封堵材料的使用工况时，则需采用能够吸纳管道热位移的特殊封堵材料。

目前，“华龙一号”核电项目采用的机械孔洞封堵材料包括：防火硅酮泡沫、高密度防火硅酮橡胶、柔性高密度防火硅酮橡胶。其中防火硅酮泡沫可用于贯穿有热位移管道孔洞的封堵，能够满足气密、水密、防火等功能要求，但是不能满足生物屏蔽功能。高密度防火硅酮橡胶用于贯穿无热位移管道孔洞或者贯穿极小热位移管道孔洞的封堵，能够同时满足气密、水密、防火、生物屏蔽等功能要求。柔性高密度防火硅酮橡胶可用于贯穿有热位移管道的孔洞，且可满足气密、水密、防火、生物屏蔽等功能要求。三种材料的价格依次上升。

根据上述各种材料特性，防火硅酮泡沫和柔性高密度防火硅酮橡胶均能吸纳机械管道的热位移。对于贯穿有较大热位移管道的孔洞，若无生物屏蔽要求，则可采用防火硅酮泡沫，成本较低；若同时需要满足生物屏蔽要求，则只能采用柔性高密度防火硅酮橡胶，成本较高。

由于核电厂厂房结构复杂，系统、设备的数量较多，施工过程中需要贯穿的物项也较多，预留的孔洞数量巨大。根据以往工程设计经验，生物屏蔽封堵要求的判断是根据每个孔洞的大小、孔洞两侧房间的辐射分区以及孔洞相对楼板的高度等因素进行封堵判断，这种做法的优点是判断规则简单，但是判断的结果偏保守。再加上“华龙一号”核电机组贯穿有较大热位移管道的孔洞较多，柔性高密度防火硅酮橡胶用量大，生物屏蔽封堵工程投资过高。若能对生物屏蔽封堵需求判断方法进行优化，减少需要进行生物屏蔽封堵的贯穿有较大热位移管道孔洞的数量，则可降低柔性高密度防火硅酮橡胶用量，孔洞封堵的工程造价将随之降低。为解决上述问题，开展了辐射防护相关孔洞封堵要求判断方法的设计优化。

针对核电厂辐射防护封堵要求判断方法，通过编制小程序提高初判效率；综合考虑孔洞两侧辐射源的放射性介质及其在不同运行状态下的充满情况、辐射源的分布及射线类型、辐射源与孔洞的相对位置关系、孔洞开孔方向、孔洞周围区域人员的到达情况等因素，对贯穿热位移物项的孔洞进行生物屏蔽封堵判断优化。

1 辐射防护相关孔洞封堵要求

基于对工作人员的外照射和内照射的防护需求，辐射防护相关孔洞封堵要求主要考虑两个方面：

（1） 防止降低原屏蔽墙体对中子和 γ射线的屏蔽效果影响现有防护设计，进行生物屏蔽封堵。

（2） 防止气载放射性物质的扩散，进行气密性封堵。

孔洞封堵要求的判断主要基于孔洞两侧房间内辐射源的形态及分布，生物屏蔽封堵主要考虑辐射源项发出的射线类型以及射线通过孔洞可能的贯穿情况，气密性封堵则主要考虑气载放射性物质的分布。同时应考虑功率运行、停堆检修、事故等各类工况，考虑各种工况下人员的通行、操作、检修、事故应急操作等过程中的防护。

2 辐射防护孔洞封堵要求设计改进

辐射防护孔洞封堵需求判断方法设计改进主要包括两个方面：孔洞封堵要求初判方法优化和热位移孔洞封堵要求判断方法优化。

2.1 孔洞封堵要求初判方法

根据“华龙一号”核岛厂房辐射分区原则（见表 1），区域内辐射分区情况反映了该区域内辐射源项的分布情况，或者相邻区域内辐射源对该区域的辐射贡献。在判断孔洞封堵功能类型时，可根据孔洞两侧房间（房间1和房间2）的辐射分区来进行初步判断。由于通风量、换气次数等通风系统设计的差异，监督区与控制区以及高辐射区之间存在压差，为避免气载放射性物质的扩散，位于上述区域边界的孔洞应进行气密性封堵（气密性封堵通常以“A”标示）。不同辐射分区房间内辐射源及其导致的剂量率水平不同，为保证原有生物屏蔽功能的完整性，高辐射区及超高辐射区房间边界上的孔洞初判应进行生物屏蔽封堵（生物屏蔽封堵通常以“B”标示）。基于辐射分区的孔洞封堵初判原则如表2所示。

表2 基于辐射分区的孔洞封堵初判原则[1]Table 2 The preliminary judgment principles for the hole plugging needs based on radiation zoning

孔洞两侧房间的辐射分区是辐射防护专业判断孔洞封堵要求的重要依据。原设计方法需要设计人员根据该工程项目的辐射分区图逐一查找孔洞两侧房间所在位置以及对应的辐射分区，费时费力，效率不高，因此对孔洞封堵要求初判方法进行优化。

现场施工阶段，辐射分区已经固化，基于核岛厂房辐射分区图，通过编制辐射分区表与孔洞表之间的接口小程序，实现自动读取孔洞两侧房间辐射分区，并将其填充在孔洞表中。基于辐射防护专业孔洞封堵初判原则编制辐射防护专业孔洞封堵要求判断小程序，实现初判孔洞封堵要求的自动填充，提高了设计效率，也降低了人因出错的可能性。

2.2 热位移孔洞封堵要求判断方法优化

孔洞封堵要求初判可以满足大部分孔洞的封堵要求，但是对于含有热位移管道同时具有生物屏蔽封堵需求的孔洞，为降低柔性高密度硅酮材料的使用量，降低工程投资、缩短施工周期，需要对封堵要求判断方法进行进一步的优化。

2.2.1基于孔洞两侧辐射源在不同运行状态下的分布优化

此类孔洞主要分布在反应堆厂房。功率运行工况下，反应堆厂房无人员进入，只有在停堆工况下，才有相关工作人员陆续进入反应堆厂房进行检修等工作。因此，对于反应堆厂房相关预留孔洞的生物屏蔽封堵要求分析可基于停堆工况下系统管道内的辐射源状况进行分析。

典型的如R312和R215（两房间辐射分区见图1）之间的 5RX03TT0039T孔洞，该孔洞正对R312房间内的主管道。功率运行工况下，主管道内介质为一回路主冷却剂，剂量率水平达到了红区（＞100 mSv/h），如不封堵则由该孔洞的辐射漏束造成的 R215房间剂量率水平超过该房间黄区辐射分区的剂量率控制值。在本次设计优化过程中，考虑到工作人员大量接近 R215房间的时间为维修冷停堆阶段的低低水位期间，此时主管道内已经没有主冷却剂介质，主要辐射源为主管道内的活化腐蚀产物沉积源项。经调研国内已运行 M310机组低低水位期间主管道表面剂量率水平均小于1.0 mSv/h，也即处于黄区水平，此时R312房间主管道辐射源通过该预留孔洞的辐射漏束对 R215房间造成的剂量率水平变化将很小，因此分析判断该孔洞可取消生物屏蔽要求。

图1 功率运行工况下R312和R215房间辐射分区Fig.1 Radiation zoning of R312 and R215 during power operation conditions

2.2.2基于孔洞两侧辐射源在不同运行状态下的分布优化

对于某些孔洞，虽然其位于工作人员可接近区域且孔洞两侧房间辐射分区等符合原有的生物屏蔽封堵要求，但是孔洞位置距离主要辐射源位置较远，如经过计算分析孔洞位置处的剂量率水平由孔洞的辐射漏束导致的增加量很小，则可以取消生物屏蔽封堵要求。

典型的如R211房间与R210房间之间的贯穿有热位移管道的孔洞，R211房间内主要辐射源为核岛疏水排气系统的管道、泵体及疏水坑，其余管线均为不含放射性介质的系统管线，主要放射性管线如图2所示。结合R211房间内的放射性设备及管线布置情况、与孔洞的相对位置关系等，考虑不进行生物屏蔽封堵，建立计算模型进行计算分析，可以得到R211房间内的辐射源对R210房间的剂量率贡献微乎其微。因此对R211房间与R210房间的贯穿孔洞可以取消生物屏蔽封堵要求。

图2 R211房间主要辐射源分布示意图Fig.2 Radiation source distribution of R211

2.2.3基于孔洞周围区域人员到达情况的优化

对于某些孔洞，虽然孔洞两侧房间辐射分区、孔洞与辐射源的关系等符合原有的生物屏蔽封堵要求，但是孔洞位于工作人员不可接近区域，因此孔洞位置处的剂量率水平由孔洞处的辐射漏束导致的增加对于工作人员职业受照不产生任何影响，则可以取消生物屏蔽封堵要求。

典型的如核辅助厂房N411和N409之间的孔洞，N411和N409房间均为上下贯穿房间，房间楼板分别位于 N311和 N309房间，贯穿 + 0.0 m层和 + 4.8 m层，工作人员活动区域位于 + 0.0 m层（N311和N309房间），N411和N409房间标高处工作人员均不会直接接近，因此这两个房间的贯穿孔洞均可以取消生物屏蔽要求（见图3）。

图3 N411与N409、N311与N309位置关系及辐射分区示意图Fig.3 Relative location and radiation zoning of N411 and N409, N311 and N309

2.2.4基于孔洞开孔方向的优化

在进行预留孔洞生物屏蔽封堵要求判断过程中发现，某些孔洞的开孔方向并不垂直于墙体，而是上下或者左右斜穿墙体，如图4所示。对于此类开孔方式，由于屏蔽墙体并不是被直通贯穿，各类射线直接贯穿孔洞到达另一侧房间内的概率极小，因此对于原屏蔽体的局部削弱作用也较小。对于此类孔洞，通过进一步的计算分析，可基于孔洞两侧的辐射源分布情况考虑取消生物屏蔽封堵要求。

典型的如R421房间与R441房间之间的贯穿有热位移管道的孔洞，如图5标识热位移管道贯穿孔洞。R421房间内主要辐射源为蒸汽发生器，R441为管道间，此处生物屏蔽封堵需求主要考虑R421侧蒸汽发生器辐射源对R441侧房间的剂量率影响。由图5所示，管道斜穿R4202墙体，不存在蒸汽发生器辐射直接贯穿孔洞现象，孔洞对原有屏蔽墙体有部分削弱，经评估削弱作用较小，可以取消生物屏蔽封堵需求。

图4 斜穿孔洞示意图Fig.4 Schematic of inclined holes

图5 R421房间与R441房间之间热位移管道贯穿孔洞示意图Fig.5 Schematic of the hole between R421 and R441 with thermal-deformation piping pass through

2.3 某些厂房的特殊考虑

不同厂房设置的放射性系统及功能不同，在进行辐射防护相关封堵要求判断的时候需要特殊考虑，主要包括以下几种情形。

（1） 反应堆厂房

事故工况下若反应堆厂房内高能管道发生破裂，管道内的质量、能量大量急剧地喷入隔室空间造成隔室升压升温，在隔室墙壁两侧产生较大的压差，影响反应堆厂房墙体的安全性。反应堆厂房内稳压器、蒸汽发生器、主泵及堆本体所在区域的孔洞，其中用于事故中压力释放的孔洞不考虑辐射防护相关封堵要求。

（2） 安全厂房

事故工况下若工作人员需要进入的区域受相关系统管线中放射性物质的影响，对这些系统管线分布的密集区域与人员操作、维修位置以及主要通道之间的孔洞需进行生物屏蔽封堵。

（3） 燃料厂房

应考虑在燃料组件操作期间，对燃料组件吊运及运输过程中所途径区域内的孔洞进行封堵判断和处理。

（4） 辅助厂房及其他

应考虑在放射性废物转运期间，对放射性废物转运过程中所途径区域内的孔洞进行封堵判断和处理。

3 优化效果

本设计优化一方面提高了孔洞封堵需求判断效率，另一方面大大减少了贯穿有较大热位移管道孔洞的生物屏蔽封堵需求，降低柔性高密度硅酮橡胶用量，进而降低贯穿有较大热位移管道孔洞的生物屏蔽封堵工程投资。

本次设计优化实施后，福清 5号机组核岛厂房取消生物屏蔽封堵要求的孔洞共计 1 357个，取消生物屏蔽封堵要求后86个孔洞无需再进行孔洞封堵，1 271个孔洞需要采用低密度硅酮泡沫进行封堵以满足气密、防火等要求。本设计优化方案为福清核电 5号机组带来的有益效果包括以下两点：

（1） 减少柔性高密度硅酮橡胶用量，大大降低贯穿有较大热位移管道孔洞的生物屏蔽封堵工程投资。

（2） 减少柔性高密度硅酮橡胶用量，改用低密度硅酮泡沫，大大节约热位移管道孔洞封堵施工时间。

4 结论

本次“华龙一号”核电厂核岛厂房孔洞生物封堵的设计改进工作，主要针对“华龙一号”示范工程福建福清核电5号机组，对于福清核电6号机组，核岛厂房除了核废物厂房之外，两者预留孔洞基本相同，因此本次设计优化成果可直接应用于福清核电 6号机组的预留孔洞生物屏蔽封堵需求。在巴基斯坦K-2、K-3机组，多数预留孔洞基本相同，因此除个别孔洞需要重新分析外，本次优化成果也可直接应用。同时，对于后续建设的核电站，设计优化方法也可直接应用于孔洞生物屏蔽需求判断。

核岛厂房孔洞生物屏蔽封堵设计方法已经形成了中核集团企业标准并已正式发布，并且正在编制能源行业标准，将在全国范围内进行推广。此外，我部门目前也正在开发基于核电厂三维模型的辐射防护设计平台，针对孔洞封堵要求分析工作，将结合上述需求，开发专业的分析软件，未来有望实现完全自动的辐射防护相关孔洞封堵要求判断方案。