核電廠γ射線屏蔽材料優(yōu)化及應(yīng)用分析

楊威 魯栓

中圖分類號：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)：A 文章編號：1674-1145（2019）3-186-02

摘 要 在核電站運(yùn)行和停堆檢修期間，使用屏蔽裝置或設(shè)備對輻射熱點(diǎn)進(jìn)行屏蔽是一種常見并且有效的外照射控制手段。針對核電站傳統(tǒng)使用的屏蔽材料存在的不足進(jìn)行分析，通過對比分析新型屏蔽材料的應(yīng)用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，對輻射熱點(diǎn)進(jìn)行分類并制定對應(yīng)的屏蔽措施，找出利益-代價(jià)的最優(yōu)方式，為核電站輻射防護(hù)屏蔽材料的使用和開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞 屏蔽材料 應(yīng)用 分析

一、前言

對于核電廠而言，為確保工作人員輻射照射盡可能低，通常會(huì)采取外照射屏蔽措施，以降低現(xiàn)場γ射線強(qiáng)度對人員的照射，所以價(jià)格相對較低、效果尚可的鉛及衍生合金作為屏蔽材料被廣泛應(yīng)用。由于傳統(tǒng)的鉛屏蔽材料受其材料延展性、單體重量缺陷的制約，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的熱點(diǎn)設(shè)備、無支撐熱點(diǎn)管線或狹小空間管線，無法進(jìn)行快速的屏蔽搭設(shè)，且對設(shè)備抗震承重產(chǎn)生影響，往往產(chǎn)生代價(jià)大于利益的情況。因此，為滿足ALARA原則，降低屏蔽搭設(shè)人員受照劑量，需對屏蔽材料性能及特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出優(yōu)化改進(jìn)建議。

二、γ射線屏蔽材料應(yīng)用現(xiàn)狀

福清核電廠運(yùn)行機(jī)組主要放射性系統(tǒng)（RCP、RCV、PTR等）均存在較多熱點(diǎn)或熱點(diǎn)管線，且位于主要人員通道和常規(guī)工作場所區(qū)域。通常的作法是使用鉛材料進(jìn)行包裹屏蔽，但目前的鉛屏蔽材料在使用上存在較難包裹、作業(yè)人員受照劑量高、屏蔽的安全質(zhì)量及效果難以保證等缺點(diǎn)，如：

1.采用鐵絲固定時(shí)，有塌陷或掉落時(shí)損傷人員和設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，采用掛鉤進(jìn)行懸掛需要有懸掛點(diǎn)。

2.采用傳統(tǒng)鉛皮對管道進(jìn)行包裹，遇到管道支撐結(jié)構(gòu)限制就無法對該處進(jìn)行屏蔽，且受制于管道承重、抗震能力無法繼續(xù)覆蓋鉛皮，往往造成屏蔽效果無法達(dá)到預(yù)期。

3.無法完整的貼合熱點(diǎn)設(shè)備導(dǎo)致γ射線從屏蔽材料縫隙中泄露，導(dǎo)致屏蔽外輻射水平無法得到有效降低。

4.現(xiàn)場多數(shù)豎直管道位置無法直接進(jìn)行屏蔽，需要人員進(jìn)行貼身作業(yè)進(jìn)行包裹，屏蔽人員受照劑量較高，且屏蔽材料在自身重力作用下，會(huì)逐漸滑動(dòng)導(dǎo)致屏蔽效果不佳。

因此，需對現(xiàn)有的屏蔽材料進(jìn)行優(yōu)化，新型屏蔽材料需要具備更好地可塑性以及屏蔽性能。其至少應(yīng)具備以下性能特點(diǎn)：

1.比傳統(tǒng)鉛屏蔽材料具有更好地屏蔽效果。

2.比傳統(tǒng)鉛屏蔽材料重量相對比較要更輕。

3.便于裝拆，節(jié)約工作時(shí)間，減少屏蔽實(shí)施人員受照劑量。

4.可塑性強(qiáng)，能滿足現(xiàn)場對規(guī)格尺寸所提出的特殊要求。

三、屏蔽材料應(yīng)用分析

目前，滿足更具可塑性及較好屏蔽性能的γ射線屏蔽材料種類主要有三種，分別為橡膠基柔性屏蔽材料、軟鉛屏蔽材料、鎢柔性屏蔽材料。

（一）橡膠基柔性屏蔽材料

通過密煉（或開煉）工藝，利用合理的多組添加劑改善膠料的理化性能，并用混煉工藝將鉛粉均勻彌撒在丁苯橡膠基體中。橡膠基柔性屏蔽材料中鉛含量能達(dá)到75%以上，硬度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)鉛材料，拉斷伸長率可達(dá)到650%以上，鉛當(dāng)量可大于0.3mmPb。其產(chǎn)品分類較多，管道包布、膠帶、磁性材料均具備，且柔性材料的可塑性及單位體積的質(zhì)量低于純鉛產(chǎn)品，且可添加磁鐵材料便于屏蔽的拆裝。其主要特點(diǎn)如下：

1.結(jié)構(gòu)柔軟、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐酸堿腐蝕、力學(xué)性能和耐輻照老化性能良好。

2.鉛粉彌散包裹在高分子基體材料中，分布較為均勻，不易脫落，能在300度以下的環(huán)境溫度中使用。

3.實(shí)用性廣泛，既可直接作屏蔽材料使用，也可加工成屏蔽服和特殊屏蔽裝置使用。

4.具有一定的γ射線屏蔽功能。

根據(jù)橡膠基屏蔽材料屏蔽性能數(shù)據(jù)分析，雖其對γ射線的屏蔽效果弱于純鉛產(chǎn)品，但該類型的屏蔽材料可以依據(jù)現(xiàn)場熱點(diǎn)類型和設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行定制，可以較好的契合設(shè)備表面且便于固定。針對管道、彎管等結(jié)構(gòu)并依托熱點(diǎn)分布情況，可以對設(shè)備采用半包或全包方式進(jìn)行屏蔽。

（二）軟鉛屏蔽材料

軟鉛屏蔽材料實(shí)質(zhì)上仍為以鉛為主要成分的屏蔽材料。其采用獨(dú)有的鉛絲加工技術(shù)，鉛絲為圓柱形，直徑較小，提高了產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和柔韌性，保證產(chǎn)品具有較佳的彎折度，同時(shí)包覆面材料可以定制，不易沾附異物且易清潔去污，屏蔽效果可以根據(jù)需求進(jìn)行定制，實(shí)現(xiàn)有效鉛厚度3～8mmPb 的變化要求。其較合適構(gòu)建“平面式”屏蔽。其主要特點(diǎn)如下：

1.純鉛制造，特殊方法加工，結(jié)構(gòu)柔軟，可任意折疊。

2.對γ射線的屏蔽效果較好。

3.有外包裝及安裝掛鉤，便于去污和裝拆。

此類產(chǎn)品近乎純鉛產(chǎn)品，其對γ射線的屏蔽效果較好，對于大面積的熱點(diǎn)或者熱點(diǎn)管道區(qū)域配合腳手架或者定制的支架產(chǎn)品使用，具有較好的便捷性和屏蔽效果。

（三）鎢柔性屏蔽材料

在航空和醫(yī)療領(lǐng)域，鎢合金作為主要的屏蔽件，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。和傳統(tǒng)鉛屏蔽材料相比，鎢合金的高密度性（17.0-18.5g/cm3），使得鎢合金的屏蔽效果更佳，同時(shí)鎢合金材料體積比相同屏蔽效果的鉛小1/3。在氯丁橡膠里混入約10%的金屬粉而形成的無鉛高密度橡膠輻射屏蔽材料，通過加入鎢、鉍、氧化鉍等三種添加料而獲得高密度橡膠，該材料不含鉛、重量較輕，其屏蔽效果優(yōu)于鉛材料。其主要特點(diǎn)如下：

1.屏蔽性能高，對高能射線的屏蔽性能優(yōu)于鉛及鉛合金。

2.無毒環(huán)保，可循環(huán)回收利用。

3.密度可控：可根據(jù)使用要求調(diào)整材料的密度和屏蔽性能。

4.柔韌性高，加工成型快捷。

核電廠目前已使用鎢柔性屏蔽材料作為外照射防護(hù)用品，其制成的鎢衣屏蔽效果遠(yuǎn)高于鉛衣；針對鎢柔性屏蔽材料，其屏蔽效果較好且其可塑性和設(shè)備的貼合性能遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)鉛皮。其對小口徑的管道較為實(shí)用，大大減輕管道承受的重力，且屏蔽效果優(yōu)于同等厚度的純鉛制品。

（四）屏蔽材料性能對比分析

通過對同等厚度的屏蔽材料的屏蔽性能進(jìn)行對比分析（詳見下表），軟鉛屏蔽材料、鎢系柔性屏蔽材料在同等厚度情況下，其減弱效果較為明顯，且鎢系柔性屏蔽材料其重量較輕。

四、輻射場熱點(diǎn)分類及合理屏蔽方式分析

在考慮提升屏蔽效果的同時(shí)還需要考慮不同熱點(diǎn)的設(shè)備結(jié)構(gòu)和管道布置以及管道的承重能力、屏蔽材料的采購成本。為此針對部分大型熱點(diǎn)設(shè)備的屏蔽還需要定制的模型支架進(jìn)行搭配使用，才可以達(dá)到更好的屏蔽效果的同時(shí)降低屏蔽搭設(shè)的作業(yè)時(shí)間，以及控制采購成本，從而達(dá)到輻射防護(hù)最優(yōu)化的目的。以M310堆型機(jī)組為例：

1.永久性熱點(diǎn)設(shè)備：如REA011FI PTR005FI，針對過濾器腔室形狀制作鎢屏蔽材料直接進(jìn)行包裹。

2.豎管：如主泵間測溫旁路豎管，配合長方體模型支架外掛柔性屏蔽材料，支管處采用柔性屏蔽材料定制屏蔽圈。

3.閥門：大型閥門—圍欄式模型支架，外掛柔性屏蔽材料。中小型—直接覆蓋或定制屏蔽圈；折邊柔性屏蔽材料。

4.法蘭：大型法蘭—圍欄式模型支架，外掛軟鉛；無沿帽式覆蓋。

5.彎管：專用定制屏蔽圈。

6.懸空管道：懸空箱體以承載軟鉛或屏蔽圈。

7.T型管道：專用T型屏蔽圈。

8.閥/管匯集區(qū)：墻面/屏風(fēng)式屏蔽結(jié)合定點(diǎn)定型屏蔽圈。

9.貼近地面管道：專用管道罩結(jié)合軟鉛或直接套合定型屏蔽圈。

10.一側(cè)靠近墻面管道：專用管道罩結(jié)合軟鉛或直接套合定型屏蔽圈。

五、應(yīng)用分析

考慮橡膠基柔性屏蔽材料在屏蔽性能上弱于同等厚度的傳統(tǒng)鉛皮，故暫不作應(yīng)用分析。在結(jié)合現(xiàn)場熱點(diǎn)分布和熱點(diǎn)所處設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（多為閥門或管道結(jié)構(gòu)變化處），分析考慮主要使用軟鉛屏蔽材料和鎢柔性屏蔽材料，兩者配合使用，以確保現(xiàn)場屏蔽效果，并引進(jìn)模型支架，來進(jìn)一步降低裝拆人員受照劑量。

1.軟鉛屏蔽材料主要用于：具備獨(dú)立支撐的大型管道、貼近墻體的熱管或熱點(diǎn)位置、細(xì)小管道匯集的高輻射區(qū)域，但其使用一般需要配合腳手架或?qū)Ｓ媚Ｐ椭Ъ堋?/p>

2.鎢柔性屏蔽材料主要用于：DN≤200mm的豎直或水平管道，管道彎頭或支管等變徑處、閥門等不規(guī)則設(shè)備、狹小空間無法布置支架的區(qū)域。彎管、設(shè)備處采用定制的管道包布，直管采用屏蔽膠帶，對于高輻射水平的管道可采用磁性材料，便于快速安裝，減少屏蔽布置人員受照劑量。由于鎢產(chǎn)品價(jià)格高于鉛材料，全部替換鉛材料不滿足經(jīng)濟(jì)代價(jià)最小化，應(yīng)針對特殊位置使用。

六、結(jié)語

福清核電通過現(xiàn)場使用實(shí)踐表明，使用軟鉛屏蔽材料和鎢柔性屏蔽材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉛屏蔽材料對放射性熱點(diǎn)屏蔽和劑量控制是具有較好效果的。根據(jù)現(xiàn)場熱點(diǎn)分布和熱點(diǎn)類型，大多為管道結(jié)構(gòu)不規(guī)則處（支管、彎管、管道變徑位置）及閥門設(shè)備處，軟鉛屏蔽材料對于管道的承重能力要求略高，故鎢柔性屏蔽材料應(yīng)該作為γ射線屏蔽材料提升優(yōu)化的首選，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際與軟鉛屏蔽材料配合使用，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)代價(jià)最小化和輻射防護(hù)最優(yōu)化。