三门核电AP1000机组辐射防护设计分析

2021-03-22臧义坤胡屹鹏

辐射防护 2021年1期

李辉，臧义坤，胡屹鹏

(1.中核霞浦核电有限公司，福建霞浦 355100； 2.三门核电有限公司，浙江三门 317112； 3.福建福清核电有限公司，福州 350318)

三门核电一期工程建设的两台机组(1号、2号)均采用AP1000技术，为美国西屋公司设计的第三代核电机组，其在设计上广泛引进一些先进的、成熟的辐射防护技术。比如一回路加锌、蒸汽发生器一回路水室电解抛光、压力容器采取一体化顶封头设计、乏燃料转运通道采用水囊屏蔽、采用非能动安全系统减少设备数量、核岛允许无线信号传输便于开展无线剂量监测等。通过这些设计以期降低机组辐射水平和工作人员职业照射剂量。三门核电1号、2号机组已于2018年商运，目前已积累较多的辐射防护数据，本文结合这些数据，并对比国内CPR1000机组的相关数据，对AP1000机组的辐射防护设计进行分析，并给出三门核电AP1000机组在辐射防护运行管理及技术改进方面的建议。

1 三门核电AP1000机组辐射防护设计

1.1 一回路加锌

三门核电1号、2号机组在首次热态功能试验期间(装料前)就开始加锌。加锌的方式是通过锌添加箱往一回路中连续注入20～5 000 ppm(10-6)的醋酸锌(贫化锌)，最大添加速率为0.01 m3/h，锌添加箱中的醋酸锌浓度主要根据系统中锌浓度是否平衡、净化流量和加锌泵流量确定配置。三门核电AP1000机组一回路冷却剂中的锌浓度控制范围为(10±5)ppb(10-9)。根据研究[1]，加锌能明显降低系统中的58Co和60Co，同类型机组加锌运行几个燃料循环后机组辐射水平比加锌前最多能降低50%。

1.2 采用较高pH值运行

pH值是通过调节锂-硼浓度进行控制的，pH值的优化也就是锂-硼协调曲线的优化。水化学控制对剂量率的降低也起到了重要的作用，采用改进型Li-B协调曲线要优于Li-B协调曲线[2]。三门核电AP1000机组首循环采用改进型Li-B 协调曲线，如图1所示。具体为：机组启动加热过程中维持4.5 ppm的锂浓度，然后沿着pH值7.0进行协调变化，锂浓度达到3.5 ppm后保持恒定，维持3.5 ppm直到目标pH值7.3，后续锂浓度随着硼浓度协调变化，维持目标pH值7.3，达到目标pH值后允许有0.1pH值的上下浮动空间。

图1 三门核电AP1000机组首循环硼锂协调曲线

1.3 停堆氧化操作

氧化操作是压水堆核电站降低辐射源项的重要手段之一[3]。三门核电AP1000机组也执行停堆氧化操作，当一回路冷却剂温度降到82 ℃以下,往一回路冷却剂中添加H2O2(浓度：30%，总量8 L左右)。为保证氧化过程的反应速度，添加过氧化氢时，一回路冷却剂温度尽量维持在75～82 ℃之间。一回路冷却剂中过氧化氢的浓度要求控制在2～10 ppm，若浓度高于10 ppm,则需考虑隔离除盐床(高于10 ppm可能导致除盐树脂分解)，直到其浓度低于10 ppm后再投运。氧化操作期间，维持化学和容积控制系统(CVS)最大下泄流速，进行主系统净化。停主泵期望值为：58Co<25 000 Bq/g、133Xe<1 500 Bq/g、131I<100 Bq/g、110mAg<4 000 Bq/g，没有设置停主泵限值，如果根据放射性核素活度浓度计算的停主泵运行时间远远超过大修计划时间，则由生产计划和保健物理部门评估对后续工期及人员受照剂量的影响，决定是否继续净化或者停运主泵。

1.4 蒸汽发生器一回路水室电解抛光

实践表明电解抛光对于降低沸水堆的辐射场是有效的。对压水堆蒸汽发生器重要部件使用电解抛光的实验已经证明不会产生不良效果[4]。鉴于以上研究结论，AP1000机组对蒸汽发生器一回路水室进行了电解抛光处理，抛光后一回路水室内表面光洁度为0.63 μm，这为降低活化腐蚀产物沉积提供了良好基础。AP1000机组的其他设备暂未应用电解抛光技术。

1.5 优化设备维修[5]

AP1000机组在设计上通过减少设备数量、提高设备免维护率、降低设备检修复杂度等措施来实现设备检修的最优化，降低检修人员的受照剂量。

在减少设备数量方面，AP1000机组只有2个环路，且AP1000机组采用的是非能动安全系统，相比于国内其他类型的压水堆机组，其安全系统的阀门、泵和管道分别减少了约50%、35%和80%。

在提高设备免维护率方面，AP1000机组有2个典型的例子：一个是主泵，AP1000机组采用的是全密封式的屏蔽电机泵，理论上在60年内不需要解体检修，而国内其他类型机组的主泵在运行一段时间后均需要进行解体检修；另一个是AP1000机组用永久性的堆腔密封环取代了常规机组用的临时膨胀式橡胶密封环，后者在每次换料期间都需要安装和拆卸，有时因为泄漏还需要对其进行改装。

在降低设备检修复杂度方面，AP1000机组典型的例子是反应堆压力容器采用一体化顶封头，相比于国内一些运行机组的非一体化顶封头，其拆卸与安装工作量减少了很多，检修时间大大减少。

1.6 优化辐射源屏蔽[5]

AP1000机组的乏燃料转运通道屏蔽采用的是水囊屏蔽，即在乏燃料转运通道混凝土模块与钢制安全壳之间宽5.08 cm的地震缝中安装水囊。因为水形状可变，可以充满整个地震缝。而且水囊还设计有充排水管线，这使得水囊的维护变得很简单。

AP1000机组水囊屏蔽效果十分理想，三门核电1号机组在首次大修装换料过程中，乏燃料组件经过时，水囊上部外表面接触剂量率基本为本底辐射水平。

1.7 无线剂量监测

AP1000机组允许在核岛内进行无线信号传输，且AP1000机组还设计了一套无线电话系统，这为AP1000机组应用无线剂量监测(RMT)技术提供了良好基础。RMT技术在国外的一些核电厂中已得到较为广泛的应用，大量实践表明，RMT技术的应用能减少辐射防护人员现场监督的工作量和受照剂量，有助于辐射工作人员职业照射剂量的精细化管理，有助于辐射调查[6]。

三门核电2018年已开发并应用了RMT，RMT的信号通过无线电话系统传输。目前三门核电RMT系统实现了电子式个人剂量计、γ剂量率探头、移动式空气污染监测仪及摄像头无线数据传输功能，并开发了配套的管理软件。从应用情况来看，已具备初步使用功能，但因AP1000机组无线电话系统在局部区域信号质量较差，导致RMT在局部区域应用效果不佳。

2 三门核电AP1000机组辐射防护设计分析

三门核电1号、2号机组相继于2018年6月、8月并网发电，两台机组商运至今，积累了较多的辐射防护数据，通过对这些数据进行整理，并对比CPR1000机组(福清核电3号、4号机组)相关测量数据，从辐射水平以及职业照射剂量两个方面对AP1000机组辐射防护设计进行分析。

2.1 机组辐射水平

机组在运行期间和停堆大修期间的辐射水平是辐射防护设计效果最直观的体现。选取三门核电AP1000机组部分典型区域的辐射水平与福清核电3号、4号机组相应区域的辐射水平进行对比，分析AP1000机组辐射防护设计效果。

2.1.1满功率运行期间机组辐射水平

(1) 核岛厂房

满功率运行期间，三门核电AP1000机组核岛厂房典型区域辐射水平与福清3号、4号机组相应区域辐射水平列于表1。

表1 满功率运行期间AP1000机组与CPR1000机组核岛厂房典型区域辐射水平

通过与CPR1000机组的辐射水平数据对比，可以看出，满功率运行期间AP1000机组与CPR1000机组主泵附近环境剂量率相近；AP1000机组安注箱房间环境剂量率为CPR1000机组的5倍；CPR1000机组换料操作平台上的环境剂量率约为AP1000机组的30倍。通过辐射水平对比可以看出，AP1000机组核岛厂房部分区域(主要是换料操作平台)的生物屏蔽效果比CPR1000机组好。

(2) 辅助厂房

AP1000机组设计文件给出，满功率运行期间，辅助厂房共有41个房间的设计辐射分区为橙区以上，根据三门核电AP1000机组的日常运行辐射调查数据，实际仅除盐床/过滤器间(12151)、废树脂暂存间(12373)、废物处理罐区域(12374)及核岛液体废物系统泵房间(12268)部分区域的辐射水平曾超过1 mSv/h，其他房间的辐射水平还未发现超过1 mSv/h的情况，大部分房间的环境剂量率处于本底～10 μSv/h的水平。

(3) 附属厂房及放射性废物厂房

满功率运行期间，在未存放放射性物质的情况下，附属厂房及放射性废物厂房的辐射水平基本为本底水平。

2.1.2停堆大修期间机组辐射水平

三门核电1号机组与福清核电3号、4号机组首次大修氧化运行结束(停主泵)后核岛厂房及余热排出系统主要设备间典型测量位置的辐射水平列于表2。

从表2可以看出，停堆大修期间，AP1000机组主泵附近的剂量率与CPR1000机组相近；AP1000机组安注箱A/B间的剂量率约为CPR1000机组的17倍(两个房间剂量率平均值的比值)；AP1000机组蒸汽发生器一回路人孔附近剂量率是CPR1000机组的14倍；AP1000机组余热排出系统主要设备平均辐射水平约为CPR1000机组的1/2。

表2 停堆大修期间AP1000机组与CPR1000机组典型区域辐射水平

AP1000机组安注箱A/B间剂量率高的主要原因是停堆氧化操作结束后房间内的PXS-V123 A/B(爆破阀)、PXS-V125 A/B(爆破阀)下游管道出现热点，热点管道接触剂量率为2 mSv/h以上。蒸汽发生器一回路人孔附近剂量率高的原因也是附近存在热点管道，热点管道接触剂量率为1 mSv/h以上。三门核电1号机组大修氧化操作结束后，除了11206、11207、11301、11302存在热点管道外，11300维修平台也存在两处热点管道。这些管道基本为非能动堆芯冷却系统(PXS)管道，均是在氧化操作结束后形成，经过初步调查，形成热点的原因是这些管道存在盲端、弯管及管道变径，管道内介质流动性太差，氧化操作期间这些管道内介质没有得到充分净化，腐蚀活化产物容易在这些管道内沉积。而且这些管道的位置在整个一回路中处于偏低位置，氧化操作结束后，这些管道内的高放射性物质无法及时排出。

2.2 机组职业照射剂量

三门核电1号机组已经历了一个完整的燃料循环(2018年6月30日至2020年1月19日，近18个月)，期间经历了一次50%平台小修，一次100%平台小修，两次调停，以及首次大修(工作量相当于10年大修)，其职业照射剂量数据具有一定代表性。根据统计，1号机组一个燃料循环的集体照射剂量为377.5 人·mSv，其中首次大修集体照射剂量为361.4 人·mSv，集体照射剂量年化值为251.7 人·mSv(一个燃料循环集体剂量×12/18)。AP1000机组剂量预估文件给出一个燃料循环的集体照射剂量为468.0 人·mSv，集体照射剂量年化值为312.0 人·mSv[7]。三门核电1号机组职业照射剂量实际值比设计预估值低19.3%。

大修集体剂量通常占机组一个燃料循环集体剂量的90%以上，结合海阳核电1号、2号机组及福清3号、4号机组首次大修集体剂量及工期(具体见表3)，可以看出AP1000机组首次大修的集体剂量及工期均约为CPR1000机组的1/2。

表3 AP1000机组与CPR1000机组首次大修集体剂量

此外，初步统计了大修期间AP1000机组11206、11207、11301、11302四个房间(此四个房间也是辐射水平明显高于CPR1000机组的典型区域)内开展的检修工作的集体剂量，约为100.0人·mSv，约占整个机组大修集体剂量的27.7%。这四个房间内开展的检修工作的集体剂量较高的原因除了环境剂量率较高外，还有一个原因是房间内设备布局十分紧凑，检修空间狭小。如11206、11207房间，此次1号机组大修只需要检修底层两个爆破阀，但是这两个爆破阀要吊出检修必须拆掉其上方的两个爆破阀，增加了近一倍的工作量，同时增加了近一倍的受照剂量。又如11301、11302房间一回路人孔附近，空间十分狭小，搭建核空气隔离间(SAS棚)较为困难，耗时较多，且检修人员在SAS内活动范围十分小(约1 m2)，严重影响工作效率，导致同样的工作比国内其他类型机组耗时都要多。

虽然大修期间AP1000机组部分主要检修工作场所的辐射水平明显高于CPR1000机组，但AP1000机组的大修集体剂量却明显低于CPR1000机组，其主要原因是工作量少。据统计，三门核电1号机组首次大修总工单数量为5 763个，其中辐射工作工单870个；而福清3号、4号机组首次大修平均总工单数为9 186个，辐射工作工单数约5 500个。AP1000机组首次大修辐射工作工单数量约为CPR1000机组的1/6。