核電廠屏蔽混凝土配合比設(shè)計規(guī)程起草單位

中國核工業(yè)二四建設(shè)有限公司、中廣核工程有限公司、中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司、四川中核艾瑞特工程檢測有限公司。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于輻射屏蔽的屏蔽混凝土配合比設(shè)計方法和步驟。本標(biāo)準(zhǔn)適用于核電廠屏蔽混凝土配合比設(shè)計，其他有輻射屏蔽功能需求的設(shè)施所采用的屏蔽混凝土配合比設(shè)計可參照執(zhí)行。

伍崇明、劉兆瑞、張輝赤、王輝誠、叢成河、鄧國平、趙景發(fā)、沈媛媛、沈益軍、路進學(xué)、張建平、劉向榮。2100433B

進行屏蔽設(shè)計首先要確定輻射源的類型和活度，確定觀察點的輻射水平和屏蔽體的形狀，然后選擇適當(dāng)?shù)钠帘尾牧虾陀嬎愎絹碛嬎闫帘误w的厚度。

核電廠的輻射源主要是反應(yīng)堆，其次還有一次冷卻劑，乏燃料元件和放射性廢物。反應(yīng)堆在運行時將產(chǎn)生γ射線和中子。γ射線主要是核裂變時放出的瞬發(fā)γ射線和裂變產(chǎn)物衰變時放出的γ射線，此外還有熱中子俘獲γ射線和快中子非彈性散射產(chǎn)生的γ射線，核反應(yīng)產(chǎn)物的γ射線，活化產(chǎn)物的γ射線，湮沒輻射和韌致輻射等。中子主要是裂變中子，此外還有緩發(fā)中子，活化產(chǎn)物的中子和光激中子等。一座發(fā)電能力為1000 MW的反應(yīng)堆，在運行時其γ射線發(fā)射率接近3.5×10MeV/s， 中子發(fā)射率約為2.5×10n/s。停堆之后，基本上沒有中子，但裂變產(chǎn)物和活化產(chǎn)物的γ射線仍可達1021MeV/s。一次冷卻劑的主要輻射是裂變產(chǎn)物和活化產(chǎn)物的γ射線， 其放射性濃度可達4×107Bq/L。典型的乏燃料水池內(nèi)可存放約13/3堆芯裝載量的乏燃料，但因已衰變多日，其最大活度大約相當(dāng)于堆芯的5%。

屏蔽標(biāo)準(zhǔn)

確定觀察點的輻射水平 確定各個觀察點的輻射水平與屏蔽的目的有關(guān)。為了工作人員的健康，應(yīng)根據(jù)工作人員接近輻射源的頻率和時間， 確定不同的輻射水平，分區(qū)進行屏蔽(見核電廠輻射分區(qū))。為了防止設(shè)備的輻照損傷， 防止材料的活化和保持屏蔽體的穩(wěn)定性，應(yīng)根據(jù)材料的特性和使用要求確定其輻射水平。中國核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定： ①堆本體各部件所受輻照應(yīng)低于規(guī)定限值; ②普通硅酸鹽混凝土屏蔽體內(nèi)表面中子注量率應(yīng)小于等于5×10n/ (cm·s)，γ射線能(量) 注量率應(yīng)小于等于4×10MeV/ (cm·s); ③對于停堆后工作人員進行工作的場所， 在堆運行時熱中子注量率應(yīng)小于等于1×10n/ (cm·s)。

屏蔽材料選擇

核電廠的屏蔽體應(yīng)具有以下特性：①密度大，可以有效地吸收一次γ和二次γ射線，同時還可以通過非彈性散射把快中子慢化下來; ②含有足夠多的氫， 可以有效地把非彈性散射閾值以下的中子慢化為熱中子;③要有足夠的機械強度、機械穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性;④價格低廉，容易加工和建造。只有混合使用幾種材料才能滿足這些要求。在核電廠中常用的屏蔽材料為鋼、水、混凝土(包括含有結(jié)晶水或硼的重金屬骨料的混凝土)，局部地方也選用鉛或含硼塑料等。

屏蔽計算

計算γ射線在屏蔽體內(nèi)的減弱通常使用點核技術(shù)和積累因子。對于含氫材料的屏蔽體， 常用分出一擴散法計算快中子的減弱和熱中子在屏蔽體內(nèi)的分布。試驗表明，當(dāng)屏蔽體內(nèi)有足夠的氫 (約6 g/cm的氫， 或者約50cmH₂O的水)時，裂變中子在其中的減弱近似遵守指數(shù)規(guī)律。這可以認(rèn)為經(jīng)散射而降低能量并改變方向的中子從快中子束中“分出”去了，所以這種減弱截面被稱為分出截面。被分出的中子將進入擴散過程，可按擴散理論來計算中能中子和熱中子在屏蔽體中的分布，這對于屏蔽體內(nèi)二次γ射線分布的計算是必不可少的。必須注意，在屏蔽體內(nèi)含氫量不足時，中能中子劑量往往成為中子劑量的主要貢獻者。

計算機技術(shù)的發(fā)展使人們可以用數(shù)值方法來求解中子或γ光子在屏蔽體中的輸運問題。這里有兩種途徑，一種是宏觀的，即求解玻爾茲曼方程，所用的方法有矩方法、球諧函數(shù)法、離散縱標(biāo)法等。另一種是微觀的，即蒙特卡羅法，它描述個別粒子通過屏蔽體直到它被吸收或穿透出去的過程，只要采樣的數(shù)量足夠大，就可以準(zhǔn)確地描述中子或γ光子在屏蔽體內(nèi)的輸運過程。這些計算方法都已成熟地用于工程設(shè)計中。

分類屏蔽核電廠內(nèi)

反應(yīng)堆廠房的屏蔽一般采用兩級屏蔽的方案，即堆本體的屏蔽(一次屏蔽)和一次冷卻劑系統(tǒng)的屏蔽(二次屏蔽)。因為在反應(yīng)堆周圍布置的是一次冷卻劑系統(tǒng)的管道和設(shè)備， 當(dāng)堆運行時，它們本身也是較強的輻射源，也是不可接近的。所以堆本體的屏蔽主要是防止這些設(shè)備和二回路冷卻劑的活化并保證在停堆后屏蔽體外來自反應(yīng)堆的輻射的水平低于來自這些設(shè)備本身的輻射的水平。而一次冷卻劑系統(tǒng)的屏蔽則為保護工作人員的健康，降低反應(yīng)堆廠房周圍環(huán)境的γ輻射水平。一次和二次屏蔽的概況見圖。

堆本體

堆本體的屏蔽(一次屏蔽)是由壓力容器內(nèi)的多重鋼、水屏蔽和周圍厚約2m的環(huán)形混凝土墻構(gòu)成的。幾層鋼、水屏蔽分別是堆芯隔板、堆芯筒體、熱屏蔽、壓力容器及其中間的水層構(gòu)成的。這些屏蔽除了具有安全防護的目的外， 還有一些工程上的考慮，如熱屏蔽可用來保護壓力容器的機械性能，不會因過量的中子照射而變壞; 降低混凝土中的發(fā)熱以及防止一次屏蔽外設(shè)備的活化等。

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的屏蔽(二次屏蔽)包括反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)四周的環(huán)形吊車承重墻及其上面的水泥操作地板。也有把安全殼的混凝土結(jié)構(gòu)也算做二次屏蔽的。反應(yīng)堆冷卻劑內(nèi)的主要輻射源是N。二次屏蔽的目的就是把輻射減弱到安全水平， 使工作人員在反應(yīng)堆滿功率運行時能夠短時間進入安全殼，進行必要的檢查、維護工作。二次屏蔽還有這樣的作用，即在反應(yīng)堆滿功率運行時，人們可以在安全殼外正常地進行工作，并當(dāng)堆芯熔化，大量放射性物質(zhì)進入安全殼時保護工作人員和周圍居民免受過量的照射。

為了減少剩余電容，對屏蔽體的形狀應(yīng)有要求，屏蔽體做成殼體比平板要好，密封殼體比開窗孔的殼體好，例如，變壓器初次級間電屏蔽效果，封閉優(yōu)于外折屏蔽、外折屏蔽優(yōu)于帶狀屏蔽。

屏蔽體的材料應(yīng)選擇導(dǎo)電性能良好的銅鋁和鎂等導(dǎo)體。在高頻時，屏蔽體表面還應(yīng)鍍銀層。

變壓器電屏蔽是利用渦流的反磁作用原理來實現(xiàn)屏蔽的。電磁作用相當(dāng)于“堵”磁。典型的設(shè)計采用 4~6 mm 厚銅板或 7~8mm 鋁板制作，加工成與所屏蔽位置一致的形狀。

屏蔽服是電場屏蔽的具體應(yīng)用。等電位帶電作業(yè)時，一般用很細的導(dǎo)電銅絲或?qū)щ娎w維與其他纖維混紡做成衣服、鞋帽、手套、襪子，并使之成為一體構(gòu)成屏蔽服。

在核電廠中，輻射屏蔽的主要對象是γ射線(γ光子)和中子。γ光子在通過屏蔽體時主要通過光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對形成等過程把能量傳遞給屏蔽體而被減弱或吸收。光電效應(yīng)是光子把全部能量傳給軌道電子，使電子脫離所在殼層，從原子中釋放出來，這對低能γ光子(能量小于幾百keV的γ光子)的吸收起主要作用?？灯疹D散射是光子與自由電子碰撞，把部分能量傳給電子，同時改變自己的方向和能量，對降低中能γ光子(能量在幾百keV和幾MeV之間)的能量起主要作用。電子對形成是γ光子與核的電場發(fā)生作用，γ光子完全湮沒，其能量轉(zhuǎn)換成一對正負電子的質(zhì)量和動能以及反沖核的動能，對高能γ光子(能量大于幾MeV)的吸收起主要作用。

快中子進入屏蔽體，多數(shù)情況是通過彈性散射和非彈性散射將其能量傳遞給屏蔽物質(zhì)，變成熱中子或超熱中子，然后通過輻射俘獲等過程被物質(zhì)吸收。彈性散射是中子和屏蔽物質(zhì)的原子核發(fā)生彈性碰撞，把一部分(極個別情況下是全部)能量傳給反沖核，同時改變自己的能量和運動方向。反沖核的質(zhì)量越小，一次碰撞平均傳給它的能量越多。對能量為2 MeV的快中子和氫核碰撞，平均碰撞18次就可以慢化成熱中子;而2 MeV的快中子與鉛核碰撞則大約需要2000次才能慢化成熱中子。非彈性散射與彈性散射不同之點在于反沖核除得到動能外，其本身還處于激發(fā)態(tài)，并通過放出γ射線而回到穩(wěn)態(tài)。非彈性散射發(fā)生的概率隨中子能量和屏蔽物質(zhì)原子序數(shù)的增加而增加。一次非彈性散射可以把相當(dāng)多的能量傳給反沖核，所以非彈性散射是快中子(能量大于1 MeV)減速的主要過程。輻射俘獲[(n，γ)反應(yīng)]是中子被屏蔽物質(zhì)吸收的最后一個過程。大多數(shù)核素都易與熱中子發(fā)生(n，γ)反應(yīng)，少數(shù)核素還易與超熱中子發(fā)生共振吸收反應(yīng)。