核電站新型硼濃度探測裝置屏蔽設計

盤世標　楊永木　牛江

（中國核動力研究設計院反應堆物理與屏蔽研究實驗室 四川成都　610041）

核電站新型硼濃度探測裝置屏蔽設計

盤世標楊永木牛江

（中國核動力研究設計院反應堆物理與屏蔽研究實驗室 四川成都610041）

為了滿足核電站新型硼濃度探測裝置的中子探測效率和輻射防護要求，采用蒙特卡羅程序建立物理模型，模擬中子源在輻射場中的輸運。對計算模型進行評估改進得到最優(yōu)化屏蔽方案，為探測裝置的設計提供依據(jù)。并將模擬計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)做比較，兩者吻合較好，滿足探測裝置表面的最大劑量要求。

硼濃度計；屏蔽計算；探測裝置

1　引言

硼酸溶液是一種中子吸收能力很強的可溶毒物，輕水堆中通常將硼酸溶解在冷卻劑內(nèi)補償剩余反應性，減少反應堆內(nèi)控制棒的使用，簡化堆芯設計。為了監(jiān)測冷卻劑中硼濃度的變化，必須在一回路系統(tǒng)中加裝硼濃度探測裝置。根據(jù)某核電廠工程2號機組《硼濃度計規(guī)范書》的要求，新型硼濃度探測裝置直接安裝在核電站一回路的化容系統(tǒng)的下泄流管道上，與當前主流在役應用的硼表原理與技術(shù)不一致，對測量原理、一次裝置的屏蔽、中子源的強度及探測器的靈敏度等都需要通過試驗進行驗證。本文采用蒙特卡羅程序建立物理模型，對硼濃度探測裝置中子源的選擇、屏蔽等問題進行模擬計算，為探測裝置的設計提供依據(jù)。

2　核電站新型硼濃度探測裝置簡介

2.1硼濃度探測裝置的原理

硼濃度探測裝置由中子源、中子探測器、溫度傳感器和聚乙烯材料屏蔽體等組成。其監(jiān)測原理是利用反應堆冷卻劑中的10B吸收中子來測定反應堆冷卻劑中的硼濃度，冷卻劑中硼濃度越高，探測器測到的中子數(shù)就越少，對探測器測出的脈沖計數(shù)率進行處理，從而給出反應堆冷卻劑中的硼濃度。

2.2新型硼濃度探測裝置的特點

新型硼濃度探測裝置改進并簡化了核電站的核取樣系統(tǒng)，將中子源和探測器對稱懸掛在厚壁化容管道上進行在線測量，提高了其運行安全性，實現(xiàn)了對主回路硼濃度變化的在線實時監(jiān)測。這一改進對硼濃度計探測裝置帶來了諸如中子源強的選擇、屏蔽、探測器類型及靈敏度的選擇等許多復雜的問題；考慮到中子在厚壁化容管道上的散射、在含硼冷卻劑中的慢化、吸收后在厚壁化容管道上另一側(cè)的再次吸收等一系列復雜物理過程，為了既保證探測器計數(shù)管的探測效率，又滿足中子源在周圍環(huán)境產(chǎn)生的輻射劑量限值的要求，應恰當選取不同的屏蔽材料及厚度，盡可能減輕厚壁化容管道的承重，保證整個探測裝置對化容系統(tǒng)管道載荷的作用在安全范圍內(nèi)（如圖1）。

3　 MCNP程序的特點

MCNP是一個大型多功能通用蒙特卡羅程序，具有很強的幾何描述能力，可以處理任意三維材料結(jié)構(gòu)的粒子輸運問題，截面數(shù)據(jù)齊全，可用于計算中子、光子、中子-光子耦合以及光子-電子耦合的輸運問題，也可計算臨界系統(tǒng)（包括次臨界及超臨界）的本征值問題。MCNP是一種非確定性方法，不需要解輸運方程，而是通過跟蹤模擬大量粒子行為并進行抽樣記錄得到解。

圖1　新型硼濃度計探測裝置示意圖

4　計算模型

4.1點探測器抽樣理論

屏蔽體外圍是空氣，粒子發(fā)生散射的幾率很小，不適合用柵元計數(shù)和表面計數(shù)，只能采用點探測器進行模擬，點探測器是對空間某一點處通量的確定性估值。

假設p（μ，φ）dΩ表示在方向（μ，φ）上立體角dΩ內(nèi)生成的粒子和被散射進來的粒子的總概率，φ為方位角，μ為粒子入射方向與碰撞點到探測器方向夾角的余弦值cosθ。假設dΩ內(nèi)生成的粒子和被散射進來的粒子沒有經(jīng)歷再碰撞直接到達探測器，碰撞點到探測器的距離為R，則有：

在球面球面坐標系中：

將（2）、（3）代入（1），得到沿（μ，φ）方向到達探測器的通量：

在MCNP中，標準源的散射分布一般沿方位角對稱，φ在區(qū)間（0，2π）上均勻抽樣，積分得到角分布函數(shù)p（μ）：

考慮粒子權(quán)重W后，得到沿（μ，φ）方向到達探測器的通量為：

如果碰撞點離探測器距離很近，R趨于0，通量趨于無窮大，這樣的抽樣技術(shù)是有效和無偏的，但是收斂太慢也與實際不符。為了避免這種情形，假想一個球面包圍點探測器，球面半徑為R0。如果R0＜R，則通量用假想球面內(nèi)的平均通量值代替：

4.2源描述

本裝置采用的中子源為238Pu-Be源，半衰期86.4年，中子產(chǎn)額6.6×106n/s，中子平均能量為5.0MeV。根據(jù)同位素中子源的特點，源描述采用通用源SDEF卡，用ERG=D1分布給出源的能譜分布概率。MCNP中，無論是采用標準源還是用戶提供源子程序，都假設碰撞是各向同性的，對角分布函數(shù)p（μ）積分得：

4.3探測裝置的幾何結(jié)構(gòu)

柵元用于描述探測裝置的幾何結(jié)構(gòu)，通常按功能及材料將探測裝置劃分成不同柵元，然后在各柵元中填充相應材料的化學成分，并對各柵元的重要性逐一進行描述。

同位素中子源接近于點源，以點源為坐標原點建立坐標系，依次對探測裝置的不同組成部分劃分柵元。MCNP輸出的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示，左邊是XZ平面剖面圖，右邊是ZY平面剖面圖。在XZ平面剖面圖縱軸方向為Z軸，橫軸方向為X軸，最頂端的圓柱體空腔為源，化溶管道和探測器是平行于Y軸的兩個圓柱體。整個探測裝置填充聚乙烯屏蔽材料，用紅顏色表示，外圍是不銹鋼包殼，最外層是一個球殼，用于限制中子和光子的跟蹤范圍，當粒子跑出這個區(qū)域就不再進行跟蹤計算。

圖2　 MCNP輸出的幾何結(jié)構(gòu)

4.4計數(shù)卡設置

采用點探測器F5卡及劑量轉(zhuǎn)換卡Den，在聚乙烯屏蔽體的6個外立面中心處設置點探測器。只要在最大劑量位置滿足了屏蔽設計要求，其他位置也滿足要求，點探測器卡的格式：

式中：n表示探測器記數(shù)類型號，選擇F5卡對點探測器處的通量進行跟蹤；p1為選擇跟蹤粒子的類型，選擇n，p則同時進行跟蹤中子和光子；X，Y，Z：探測點幾何坐標。R0就是（7）式中的假想球面半徑，也稱為探測點處鄰域球半徑，R0的選擇一般根據(jù)經(jīng)驗值來確定。

將參加反應的中子從熱中子到快中子分成13個能量段，即：0.5e-06、10e-03、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10（單位MeV），結(jié)合通量—劑量率轉(zhuǎn)換因子及質(zhì)量因數(shù)[1]（見表1）。分別計算聚乙烯屏蔽體6個外立面中心處的中子及γ劑量分布曲線，積分得到所求的中子及γ劑量概率分布值。

表1　通量-劑量率轉(zhuǎn)換因子及質(zhì)量因數(shù)

5　數(shù)據(jù)處理

5.1中子劑量分布

根據(jù)MCNP計算輸出文件，屏蔽體6個外立面處的中子劑量分布計算結(jié)果如表2。

表2　中子劑量分布計算值

對應的中子劑量概率分布曲線如圖3所示。

圖3　中子劑量分布

5.2 γ劑量分布

根據(jù)MCNP計算輸出文件，屏蔽體6個外立面中心處的光子劑量分布計算結(jié)果如下：應的光子劑量概率分布曲線如圖4所示。

5.3結(jié)果比較

分別將中子和光子劑量概率分布曲線積分，乘上源強得到屏蔽體6個外立面中心處的中子和光子劑量值。為了較核理論計算，在相同尺寸和材料的探測裝置上，測量了屏蔽體各方向外立面上的中子和γ劑量值，并將MCNP模擬計算的結(jié)果跟實測值進行比較，中子劑量計算值與γ劑量計算值都與實驗值符合較好。

圖4　

6　結(jié)論

模擬計算和實驗測量表明，新型硼濃度探測裝置的屏蔽設計方案滿足《硼濃度計規(guī)范書》規(guī)定的探測器表面最大劑量限值要求：n<500μSv/h，γ<35μSv/h。探測裝置的尺寸、重量及各項技術(shù)指標滿足訂貨合同要求。目前，現(xiàn)該項目已通過驗收，并處于安裝調(diào)試階段。

[1]RSICC COMPUTER CODE COLLECTION MCNP4C[M].Los Alamo National，Laboratory，1997.3，LosAlamos，New Mexico.s

[2]N.M.謝佛.核反應堆屏蔽工程學[M].原子能出版社，1983.

[3]塞歐蓋爾.反應堆屏蔽設計手冊[M].中國工業(yè)出版社，1962.

TL375.5

A

1673-0038（2015）20-0138-03

2015-4-26

盤世標（1978-），男，助理研究員，碩士學位，2006年畢業(yè)于四川大學，粒子物理與原子核物理專業(yè)，主要從事反應堆物理與屏蔽方面的研究工作。