高放射性粉末自動取樣裝備的安全分析

艾利君 周國梁 鄧錫斌

摘? 要：鈾钚混合氧化物（MOX）燃料是一種新型的可再循環的核燃料，其燃料芯塊一般通過粉末冶金工藝制造。MOX粉末是一種高放射性、高衰變熱功率的可裂變核材料，其生產設備的系統安全設計是重要參數之一。本文以自動取樣設備的臨界、輻射防護、密封性、衰變熱為研究對象，闡明核設備在設計期間需要開展的安全分析，并通過ANSY、MCNP等程序對設計方案進行校核，結果表明，取樣設備結構設計合理，滿足放射性粉末生產制備取樣需求及輻射防護標準。

關鍵詞：自動取樣? 臨界安全? 輻射防護? 密封性? 熱分析

中圖分類號：TL752? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0042-03

Safety analysis of automatic sampling equipment for high-level radioactive powder

AI Lijun? ZHOU Guoliang? Deng Xibin

（The 404 Company Limited， CNNC，Jiayuguan，Gansu Province，735100 China）

Abstract： The Mixed Oxide（MOX） fuel is a new type of recyclable nuclear. Its fuel pellets are generally manufactured by powder metallurgy process. MOX powder is a kind of fissile nuclear material with high radioactivity and high decay thermal power. The system safety design of its production equipment is one of the important parameters. Taking the criticality， radiation protection， sealing and decay heat of automatic sampling equipment as the research object， this paper expounds the safety analysis that needs to be carried out during the design of nuclear equipment， and checks the design scheme through ANSY， MCNP and other programs. The results show that the structural design of sampling equipment is reasonable and meets the sampling requirements of radioactive powder production and radiation protection standards.

Key Words： Automatic sampling; Criticality safety; Radiation protection; Sealing performance; Thermal analysis

MOX燃料是鈾、钚混合氧化物顆粒混合物，即（U1-y，Puy）O2+x，MOX燃料用于快中子增殖堆，是核燃料閉式循環戰略的關鍵環節[1]。MOX粉末具有高毒、強放射、低流動性和粘性大等特點，使生產線處于密閉性、空間狹小的手套箱環境內。這種手套箱圍封的工況給燃料生產制造、工人操作帶來了極大的局限性。本文以高放射性核燃料粉末冶金工業中粉末自動取樣技術為例，設計一種高放射性粉末自動取樣系統，主要包括取樣設備、轉運容器、取樣瓶等機構，該設備既需要滿足自動控制標準，又要滿足核安全需要[2-3]。其中，常規的機械設計滿足《機械設計手冊》與機械行業通用標準，本文不再贅述。核設備在運行中必須遵守核安全準則，保證其安全、高效，故在設備的制造、運行前應開展相關安全驗證或安全計算分析。因此，基于MOX燃料生產的實際工況與核安全方面的考慮，本文針對研發的高放射性粉末自動取樣系統，重點開展了核臨界、輻射防護安全及熱效應計算，并驗證了該系統的密封性。

1? 取樣安全分析必要性

高放射性粉末自動取樣系統采用“翻轉定容取樣”的取樣方式，主要由取樣設備、手套箱、電控系統、轉運容器、取樣瓶等組成[4-6]。

在核設備研制過程中，重點需要考慮臨界安全、輻射防護、核泄漏，以及設備對核物料的影響，針對本取樣系統，從結構及運行路徑分析，涉及安全的放射性物料包容在轉運容器內，這是第一道屏障，而鉛玻璃手套箱是第二道屏障。故核安全分析主要對該系統核臨界、輻射防護安全及熱效應進行計算，并對轉運容器開展密封性驗證[7]。

2? 臨界安全

MCNP是一種常用的利用蒙特卡羅方法解決核粒子輸運的問題的程序，主要應用在反應堆設計、核臨界安全、輻射屏蔽和核防護等領域[8-9]。本文通過MCNP對設備的臨界與輻射屏蔽進行計算，對粉末轉運容器進行簡化并建模。

經MCNP計算，以30cm厚的水層作為全水反射條件，計算結果偏保守。初始粉末堆積密度為3g/cm3，水分含量按最大值7μg/g計。臨界安全分析中使用U、Pu質量比以比利時PWR-MOX生產標準開展，UO2中235U的含量為0.7%，PuO2中Pu同位素組成為：238Pu占比2.69%、239Pu占比57.69%、240Pu占比23.16%、241Pu占比10.66%、242Pu占比5.81%（基于235U初始富集度4.45wt.%，卸料燃耗為45000MWd/tU）。

經計算，實際裝料情況獲取體積計算裝料高度為9.48cm，代入MCNP模型中計算得Keff=0.28679± 0.00044，遠低于次臨界限值0.95，因此是臨界安全的。

3? 輻射安全

根據取樣罐工作環境在MCNP中建立手套箱模型，手套箱尺寸為2000（長）×1910（寬）×2470（高），取樣罐位于手套箱中央位置。

根據PWR-MOX核素成分計算結果，結合U、Pu同位素的自發裂變產額，計算得中子發射率為1.34174981×106 n/s。

考慮中子與其他物質作用產生的次級γ射線貢獻。手套箱材質為鉛玻璃，厚度為5cm。取樣罐距手套箱相鄰兩面的距離分別為81cm和85.5cm，本次計算距取樣罐81cm面的劑量水平。據此開展輻射屏蔽計算，分別計算手套箱中部（計算點水平高度106cm，為MOX物料高度1/2處）距表面50cm、100cm、150cm和200cm處的劑量率。計算結果見表1，其中，距手套箱50cm處的劑量率為0.0397μSv/h，低于綠區表面劑量限值5μSv/h。工作人員年接受劑量率為33μSv，低于年工作人員劑量限制20mSv[10]。

4? 容器密封性

自動取樣裝備采用多重密封措施，包括：密封AB閥、密封取樣閥、手套箱等措施。本文對密封性進行測試，密封閥氣密性試驗按照《密封箱室密封性分級機檢驗方法》（EJ/T1096-1999）進行。表2給出了密封性測試試驗數據，密封閥主動性能好于子閥，整體貼合后的密封性好于單獨閥板的密封性。實驗采用的密封材料為普通橡膠，在1000次后密封性略低于二級密封。

5? 容器散熱性能

轉運容器中钚放射性衰變會造成初始粉末物性改變，特別是核物料粉末中含有一定比例的有機添加劑，如硬脂酸鋅等，其失效溫度為90℃。若有機添加劑失效則會影響MOX燃料最終良品率。本文對容器的散熱進行ANSYS模擬，輸入條件為容器中钚的熱生產率約10W/KgPu，導熱系數0.12W/m℃（100℃），獲得溫度數值模擬結果[11-13]。隨時間增加，容器內工藝物料溫度逐漸升高，并在一定時間內達到熱平衡。在18000s（5h），容器內最高溫度為52.74℃，低于有機添加劑分解溫度，因此轉運容器的散熱性能滿足要求，臨時存儲核素粉末不會造成物料損失。

6? 結語

本文以高放射性粉末冶金工業中自動取樣設備為例，闡述在設備研制過程中核安全分析內容，并對MOX粉末臨界、設備輻射防護、容器貯存過程中溫度進行數值計算，以及轉運容器的密封性驗證。經計算與試驗驗證，該自動取樣系統滿足核安全基本要求，可應用于MOX工業燃料的生產過程自動取樣分析。

參考文獻

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