蒙特卡罗方法在高放废物贮存库屏蔽盖板设计中的应用

常叶笛,李卓然,王炳衡,高桂玲

(中国核电工程有限公司 反应堆工艺研究所,北京100840)

随着我国科学技术的快速发展,核技术在各行业应用越来越广泛,随之产生的废旧放射源和放射性固体废物持续增加[1]。有效的辐射屏蔽设计是放射性废物库安全管理的重要保障,只有确保放射性废物库辐射安全,才能保证辐射工作人员的健康[2]。

在进行放射性废物库屏蔽设计过程中,不仅要求贮存库接收标准按相关规定控制[3],且入库贮存的废物桶表面沾污水平也应符合相关标准要求[4]。

高放废物靶件贮存在放射性废物库的废物贮存井内,表面剂量率水平超过100 Sv·h-1,为满足人员在废物大厅内检修时的安全需求,应为高放废物贮存井设计屏蔽盖板,使人员在盖板上方活动时,所处位置的剂量率水平不超过橙区控制值(25 μSv·h-1)。

本文采用2种屏蔽材料,分别是密度为2.2 g·cm-3的混凝土和密度为7.8 g·cm-3的碳钢,后者的屏蔽效果更强,但材料的采购成本也更高,因此,在满足辐射安全控制值要求的前提下,需综合考虑不同材料的选取与配合,以达到降低设计成本,提高核设施经济性的目的。

贮存井盖板辐射防护分析,采用了蒙特卡罗模拟方法[5],对工程设计中遇到的问题进行模拟计算。蒙特卡罗方法的主要优点在于计算精度高、受几何条件限制小、收敛速度与问题的维数无关及具有优良的并行计算特性和同时计算多种未知量的能力[6]。基于这些独特的优点,蒙特卡罗方法被国际反应堆物理界认为是新一代高精度高保真的堆芯物理分析方法的重要候选方法之一,也是国际上的研究热点[7-8]。本文使用蒙特卡罗方法,对粒子输运进行精细化建模模拟,提高了分析精度,为分析结果的准确性提供了依据。在屏蔽计算过程中,考虑到设备源项计算的不确定度等影响,考虑一定的安全裕量,通常为剂量率计算结果的2倍。

1 贮存井单元结构

首先,使用蒙特卡罗方法对放射性废物库单个单元(贮存井)的结构进行分析,图1为贮存井的结构示意图。其中,贮存井壁采用混凝土材质,厚度为30 cm,屏蔽盖板采用整体碳钢,厚度需达41 cm才能满足橙区控制值的要求,这种设计结构可在较小的空间范围内实现屏蔽效果,但造价也较昂贵。

(a)Top view

(b)Side view

实际上,放射性废物库中布置了多个贮存井,每个贮存井上的盖板分布排列,因此需对多个盖板进行建模分析,考虑相邻贮存井内放射性废物辐射的影响。

2 盖板对屏蔽效果的影响

2.1 盖板间缝隙宽度对屏蔽效果的影响

使用蒙特卡罗方法对多个贮存井结构进行建模,图2为多个贮存井的结构示意图。

(a)Top view

(b)Side view

施工过程中废物库贮存井无法按照设计既定的精度进行施工,贮存井定位精度偏差为±3 cm,因此,贮存井相邻盖板之间会形成0～6 cm的缝隙,这个缝隙是屏蔽薄弱项,会造成放射性射线漏束,漏束的比例与缝隙的大小有关,对施工精度造成的最小偏差与最大偏差之间所有缝隙尺寸进行辐射防护建模及分析,不同宽度缝隙外的剂量率水平如表1所列。

表1 不同宽度缝隙外的剂量率水平

由表1可知,由于施工缝隙的存在,高放废物产生的放射性射线会对外部空间造成较大的影响。因此在施工阶段应尽量减小缝隙,并在屏蔽不足时适当增加屏蔽盖板的厚度。

2.2 盖板材料对屏蔽效果的影响

2.2.1 混凝土基座-碳钢盖板

为减小施工精度造成的碳钢盖板之间的缝隙,考虑将井下方的混凝土基座向上延伸,尽可能与上层的碳钢盖板贴合。使用蒙特卡罗方法建模,图3为混凝土基座-碳钢盖板的结构示意图。混凝土基座与碳钢盖板之间也有微小的缝隙,如图4所示,但与第2.2.1节提到的缝隙(0～6 cm)相比,降低了一个量级,该方案的精度偏差为±3 mm,即整体缝隙尺寸为0～6 mm。

图3 混凝土基座-碳钢盖板的结构示意图

图4 混凝土基座与碳钢盖板之间的缝隙

对此盖板结构进行辐射防护分析,如需满足屏蔽要求,碳钢盖板厚度需为41 cm,此时盖板上方的剂量率水平为25 μSv·h-1,所需混凝土基座的厚度为85 cm,此时盖板上方的剂量率水平为24 μSv·h-1。但混凝土基座与碳钢盖板未搭接的下半段部位,可能存在屏蔽厚度不足,使一部分放射性射线斜向泄漏。因此,为提高设计的安全性和经济性,考虑将碳钢盖板修改为混凝土盖板,解决基座与盖板之间搭接不足的问题。

2.2.2 混凝土基座-混凝土盖板

为进一步消除施工偏差造成的缝隙带来的放射性泄漏,将碳钢盖板调整为混凝土盖板,同样采用混凝土材料作为基座,相同混凝土材料之间的贴合更紧密。采用蒙特卡罗方法建模,图5为混凝土基座-混凝土盖板的结构示意图。通过数值模拟,为满足屏蔽要求,混凝土基座和混凝土盖板所需的厚度均为100 cm,此时盖板上方剂量率水平为23 μSv·h-1,满足橙区剂量率控制值要求。

图5 混凝土基座-混凝土盖板的结构示意图

3 不同类型贮存井内壁结构及贮存形式对屏蔽效果的影响

影响贮存井盖板屏蔽效果的因素是多样的,如贮存井内壁的结构、每个贮存井内放置放射性废物的数量及放置形式等,利用蒙特卡罗方法分别建模模拟分析,贮存井内壁为圆柱体及长方体时,多个贮存井的结构示意图如图6所示。

(a)Cylindrical inner wall

(b)Rectangular inner wall

分析可知,在每个贮存井内放置4个废物棒时,采用相同厚度的混凝土盖板,圆柱形贮存井外的剂量率为3.38 mSv·h-1,长方体贮存井外的剂量率为4.03 mSv·h-1。不同形状的贮存井壁会对相同厚度的屏蔽盖板产生不同的屏蔽效果,其中,圆柱形贮存井的效果优于长方体贮存井。

在满足剂量率控制值要求的条件下,在单个贮存井内放多个放射性废物,可减少整个废物库内对废物贮存井数量的需求,较大地节约了建造成本,但又对屏蔽盖板的厚度提出了更高的要求,因此需在二者之间寻求平衡,找到一个最佳解决方案。

4 结论

通过对比分析,发现在进行废物库贮存井屏蔽设计时,采用混凝土基座-混凝土盖板结构,虽所需的屏蔽厚度是碳钢结构的2倍多,但由于混凝土材料价格低廉,仍可降低设计和建造的成本。同时在单个贮存井内放置多个(但不是大量)废物,并采用圆柱形内壁结构,也可实现降低建造成本的目的。

因此在进行辐射防护设计时,应综合考虑多方面的因素,利用蒙特卡罗计算方法,对可能对设计方案造成影响的因素,如基座和盖板的材质、每个贮存井内放置的废物数量及贮存井的内壁形状,进行控制变量法分析,在分析一个特定参数的影响时,其他参数应保持不变。通过对各个方案的对比分析,在保障辐射安全的前提下,提出较为经济的解决方案,如在本文的设计中,最终通过分析提出了采用混凝土基座-混凝土盖板结构,在单个贮存井内合理放置多个废物,并采用圆柱形内壁结构的方案,实现设计的安全性和经济性。