“華龍一號”輻射防護相關孔洞封堵要求分析方法優化

張麗瑩，李卓然，李曉靜，王曉霞，米愛軍

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

核電廠核島廠房各房間之間難免有各種物項相互貫穿，如管道、電纜等，在土建施工過程中根據設計要求，在各廠房的土建結構中預留大量孔洞，以確保機械設備安裝時各種管道通過。為保證廠房安全的完整性，對于各種孔洞或套管，在物項布置完畢后需要采用孔洞封堵材料對預留孔洞進行封堵，以恢復土建結構的安全功能，如：氣密、水密、防火、生物屏蔽等。核島廠房多數土建結構承擔著輻射屏蔽的功能，土建結構的開孔會直接削弱其生物屏蔽功能，有可能導致墻體兩側劑量率超過原來的設計要求；為保證孔洞兩側房間的居留特性、工作人員職業照射滿足設計要求及相關法規標準要求，需要對某些墻體預留孔洞進行生物屏蔽封堵。而對于機械管道貫穿孔洞，當核電廠處于不同運行狀態時，某些管道受熱狀態不同，導致管道物項相對于所貫穿的孔洞發生熱位移，當管道物項熱位移超過普通封堵材料的使用工況時，則需采用能夠吸納管道熱位移的特殊封堵材料。

目前，“華龍一號”核電項目采用的機械孔洞封堵材料包括：防火硅酮泡沫、高密度防火硅酮橡膠、柔性高密度防火硅酮橡膠。其中防火硅酮泡沫可用于貫穿有熱位移管道孔洞的封堵，能夠滿足氣密、水密、防火等功能要求，但是不能滿足生物屏蔽功能。高密度防火硅酮橡膠用于貫穿無熱位移管道孔洞或者貫穿極小熱位移管道孔洞的封堵，能夠同時滿足氣密、水密、防火、生物屏蔽等功能要求。柔性高密度防火硅酮橡膠可用于貫穿有熱位移管道的孔洞，且可滿足氣密、水密、防火、生物屏蔽等功能要求。三種材料的價格依次上升。

根據上述各種材料特性，防火硅酮泡沫和柔性高密度防火硅酮橡膠均能吸納機械管道的熱位移。對于貫穿有較大熱位移管道的孔洞，若無生物屏蔽要求，則可采用防火硅酮泡沫，成本較低；若同時需要滿足生物屏蔽要求，則只能采用柔性高密度防火硅酮橡膠，成本較高。

由于核電廠廠房結構復雜，系統、設備的數量較多，施工過程中需要貫穿的物項也較多，預留的孔洞數量巨大。根據以往工程設計經驗，生物屏蔽封堵要求的判斷是根據每個孔洞的大小、孔洞兩側房間的輻射分區以及孔洞相對樓板的高度等因素進行封堵判斷，這種做法的優點是判斷規則簡單，但是判斷的結果偏保守。再加上“華龍一號”核電機組貫穿有較大熱位移管道的孔洞較多，柔性高密度防火硅酮橡膠用量大，生物屏蔽封堵工程投資過高。若能對生物屏蔽封堵需求判斷方法進行優化，減少需要進行生物屏蔽封堵的貫穿有較大熱位移管道孔洞的數量，則可降低柔性高密度防火硅酮橡膠用量，孔洞封堵的工程造價將隨之降低。為解決上述問題，開展了輻射防護相關孔洞封堵要求判斷方法的設計優化。

針對核電廠輻射防護封堵要求判斷方法，通過編制小程序提高初判效率；綜合考慮孔洞兩側輻射源的放射性介質及其在不同運行狀態下的充滿情況、輻射源的分布及射線類型、輻射源與孔洞的相對位置關系、孔洞開孔方向、孔洞周圍區域人員的到達情況等因素，對貫穿熱位移物項的孔洞進行生物屏蔽封堵判斷優化。

1 輻射防護相關孔洞封堵要求

基于對工作人員的外照射和內照射的防護需求，輻射防護相關孔洞封堵要求主要考慮兩個方面：

（1） 防止降低原屏蔽墻體對中子和 γ射線的屏蔽效果影響現有防護設計，進行生物屏蔽封堵。

（2） 防止氣載放射性物質的擴散，進行氣密性封堵。

孔洞封堵要求的判斷主要基于孔洞兩側房間內輻射源的形態及分布，生物屏蔽封堵主要考慮輻射源項發出的射線類型以及射線通過孔洞可能的貫穿情況，氣密性封堵則主要考慮氣載放射性物質的分布。同時應考慮功率運行、停堆檢修、事故等各類工況，考慮各種工況下人員的通行、操作、檢修、事故應急操作等過程中的防護。

2 輻射防護孔洞封堵要求設計改進

輻射防護孔洞封堵需求判斷方法設計改進主要包括兩個方面：孔洞封堵要求初判方法優化和熱位移孔洞封堵要求判斷方法優化。

2.1 孔洞封堵要求初判方法

根據“華龍一號”核島廠房輻射分區原則（見表 1），區域內輻射分區情況反映了該區域內輻射源項的分布情況，或者相鄰區域內輻射源對該區域的輻射貢獻。在判斷孔洞封堵功能類型時，可根據孔洞兩側房間（房間1和房間2）的輻射分區來進行初步判斷。由于通風量、換氣次數等通風系統設計的差異，監督區與控制區以及高輻射區之間存在壓差，為避免氣載放射性物質的擴散，位于上述區域邊界的孔洞應進行氣密性封堵（氣密性封堵通常以“A”標示）。不同輻射分區房間內輻射源及其導致的劑量率水平不同，為保證原有生物屏蔽功能的完整性，高輻射區及超高輻射區房間邊界上的孔洞初判應進行生物屏蔽封堵（生物屏蔽封堵通常以“B”標示）。基于輻射分區的孔洞封堵初判原則如表2所示。

表2 基于輻射分區的孔洞封堵初判原則[1]Table 2 The preliminary judgment principles for the hole plugging needs based on radiation zoning

孔洞兩側房間的輻射分區是輻射防護專業判斷孔洞封堵要求的重要依據。原設計方法需要設計人員根據該工程項目的輻射分區圖逐一查找孔洞兩側房間所在位置以及對應的輻射分區，費時費力，效率不高，因此對孔洞封堵要求初判方法進行優化。

現場施工階段，輻射分區已經固化，基于核島廠房輻射分區圖，通過編制輻射分區表與孔洞表之間的接口小程序，實現自動讀取孔洞兩側房間輻射分區，并將其填充在孔洞表中。基于輻射防護專業孔洞封堵初判原則編制輻射防護專業孔洞封堵要求判斷小程序，實現初判孔洞封堵要求的自動填充，提高了設計效率，也降低了人因出錯的可能性。

2.2 熱位移孔洞封堵要求判斷方法優化

孔洞封堵要求初判可以滿足大部分孔洞的封堵要求，但是對于含有熱位移管道同時具有生物屏蔽封堵需求的孔洞，為降低柔性高密度硅酮材料的使用量，降低工程投資、縮短施工周期，需要對封堵要求判斷方法進行進一步的優化。

2.2.1基于孔洞兩側輻射源在不同運行狀態下的分布優化

此類孔洞主要分布在反應堆廠房。功率運行工況下，反應堆廠房無人員進入，只有在停堆工況下，才有相關工作人員陸續進入反應堆廠房進行檢修等工作。因此，對于反應堆廠房相關預留孔洞的生物屏蔽封堵要求分析可基于停堆工況下系統管道內的輻射源狀況進行分析。

典型的如R312和R215（兩房間輻射分區見圖1）之間的 5RX03TT0039T孔洞，該孔洞正對R312房間內的主管道。功率運行工況下，主管道內介質為一回路主冷卻劑，劑量率水平達到了紅區（＞100 mSv/h），如不封堵則由該孔洞的輻射漏束造成的 R215房間劑量率水平超過該房間黃區輻射分區的劑量率控制值。在本次設計優化過程中，考慮到工作人員大量接近 R215房間的時間為維修冷停堆階段的低低水位期間，此時主管道內已經沒有主冷卻劑介質，主要輻射源為主管道內的活化腐蝕產物沉積源項。經調研國內已運行 M310機組低低水位期間主管道表面劑量率水平均小于1.0 mSv/h，也即處于黃區水平，此時R312房間主管道輻射源通過該預留孔洞的輻射漏束對 R215房間造成的劑量率水平變化將很小，因此分析判斷該孔洞可取消生物屏蔽要求。

圖1 功率運行工況下R312和R215房間輻射分區Fig.1 Radiation zoning of R312 and R215 during power operation conditions

2.2.2基于孔洞兩側輻射源在不同運行狀態下的分布優化

對于某些孔洞，雖然其位于工作人員可接近區域且孔洞兩側房間輻射分區等符合原有的生物屏蔽封堵要求，但是孔洞位置距離主要輻射源位置較遠，如經過計算分析孔洞位置處的劑量率水平由孔洞的輻射漏束導致的增加量很小，則可以取消生物屏蔽封堵要求。

典型的如R211房間與R210房間之間的貫穿有熱位移管道的孔洞，R211房間內主要輻射源為核島疏水排氣系統的管道、泵體及疏水坑，其余管線均為不含放射性介質的系統管線，主要放射性管線如圖2所示。結合R211房間內的放射性設備及管線布置情況、與孔洞的相對位置關系等，考慮不進行生物屏蔽封堵，建立計算模型進行計算分析，可以得到R211房間內的輻射源對R210房間的劑量率貢獻微乎其微。因此對R211房間與R210房間的貫穿孔洞可以取消生物屏蔽封堵要求。

圖2 R211房間主要輻射源分布示意圖Fig.2 Radiation source distribution of R211

2.2.3基于孔洞周圍區域人員到達情況的優化

對于某些孔洞，雖然孔洞兩側房間輻射分區、孔洞與輻射源的關系等符合原有的生物屏蔽封堵要求，但是孔洞位于工作人員不可接近區域，因此孔洞位置處的劑量率水平由孔洞處的輻射漏束導致的增加對于工作人員職業受照不產生任何影響，則可以取消生物屏蔽封堵要求。

典型的如核輔助廠房N411和N409之間的孔洞，N411和N409房間均為上下貫穿房間，房間樓板分別位于 N311和 N309房間，貫穿 + 0.0 m層和 + 4.8 m層，工作人員活動區域位于 + 0.0 m層（N311和N309房間），N411和N409房間標高處工作人員均不會直接接近，因此這兩個房間的貫穿孔洞均可以取消生物屏蔽要求（見圖3）。

圖3 N411與N409、N311與N309位置關系及輻射分區示意圖Fig.3 Relative location and radiation zoning of N411 and N409, N311 and N309

2.2.4基于孔洞開孔方向的優化

在進行預留孔洞生物屏蔽封堵要求判斷過程中發現，某些孔洞的開孔方向并不垂直于墻體，而是上下或者左右斜穿墻體，如圖4所示。對于此類開孔方式，由于屏蔽墻體并不是被直通貫穿，各類射線直接貫穿孔洞到達另一側房間內的概率極小，因此對于原屏蔽體的局部削弱作用也較小。對于此類孔洞，通過進一步的計算分析，可基于孔洞兩側的輻射源分布情況考慮取消生物屏蔽封堵要求。

典型的如R421房間與R441房間之間的貫穿有熱位移管道的孔洞，如圖5標識熱位移管道貫穿孔洞。R421房間內主要輻射源為蒸汽發生器，R441為管道間，此處生物屏蔽封堵需求主要考慮R421側蒸汽發生器輻射源對R441側房間的劑量率影響。由圖5所示，管道斜穿R4202墻體，不存在蒸汽發生器輻射直接貫穿孔洞現象，孔洞對原有屏蔽墻體有部分削弱，經評估削弱作用較小，可以取消生物屏蔽封堵需求。

圖4 斜穿孔洞示意圖Fig.4 Schematic of inclined holes

圖5 R421房間與R441房間之間熱位移管道貫穿孔洞示意圖Fig.5 Schematic of the hole between R421 and R441 with thermal-deformation piping pass through

2.3 某些廠房的特殊考慮

不同廠房設置的放射性系統及功能不同，在進行輻射防護相關封堵要求判斷的時候需要特殊考慮，主要包括以下幾種情形。

（1） 反應堆廠房

事故工況下若反應堆廠房內高能管道發生破裂，管道內的質量、能量大量急劇地噴入隔室空間造成隔室升壓升溫，在隔室墻壁兩側產生較大的壓差，影響反應堆廠房墻體的安全性。反應堆廠房內穩壓器、蒸汽發生器、主泵及堆本體所在區域的孔洞，其中用于事故中壓力釋放的孔洞不考慮輻射防護相關封堵要求。

（2） 安全廠房

事故工況下若工作人員需要進入的區域受相關系統管線中放射性物質的影響，對這些系統管線分布的密集區域與人員操作、維修位置以及主要通道之間的孔洞需進行生物屏蔽封堵。

（3） 燃料廠房

應考慮在燃料組件操作期間，對燃料組件吊運及運輸過程中所途徑區域內的孔洞進行封堵判斷和處理。

（4） 輔助廠房及其他

應考慮在放射性廢物轉運期間，對放射性廢物轉運過程中所途徑區域內的孔洞進行封堵判斷和處理。

3 優化效果

本設計優化一方面提高了孔洞封堵需求判斷效率，另一方面大大減少了貫穿有較大熱位移管道孔洞的生物屏蔽封堵需求，降低柔性高密度硅酮橡膠用量，進而降低貫穿有較大熱位移管道孔洞的生物屏蔽封堵工程投資。

本次設計優化實施后，福清 5號機組核島廠房取消生物屏蔽封堵要求的孔洞共計 1 357個，取消生物屏蔽封堵要求后86個孔洞無需再進行孔洞封堵，1 271個孔洞需要采用低密度硅酮泡沫進行封堵以滿足氣密、防火等要求。本設計優化方案為福清核電 5號機組帶來的有益效果包括以下兩點：

（1） 減少柔性高密度硅酮橡膠用量，大大降低貫穿有較大熱位移管道孔洞的生物屏蔽封堵工程投資。

（2） 減少柔性高密度硅酮橡膠用量，改用低密度硅酮泡沫，大大節約熱位移管道孔洞封堵施工時間。

4 結論

本次“華龍一號”核電廠核島廠房孔洞生物封堵的設計改進工作，主要針對“華龍一號”示范工程福建福清核電5號機組，對于福清核電6號機組，核島廠房除了核廢物廠房之外，兩者預留孔洞基本相同，因此本次設計優化成果可直接應用于福清核電 6號機組的預留孔洞生物屏蔽封堵需求。在巴基斯坦K-2、K-3機組，多數預留孔洞基本相同，因此除個別孔洞需要重新分析外，本次優化成果也可直接應用。同時，對于后續建設的核電站，設計優化方法也可直接應用于孔洞生物屏蔽需求判斷。

核島廠房孔洞生物屏蔽封堵設計方法已經形成了中核集團企業標準并已正式發布，并且正在編制能源行業標準，將在全國范圍內進行推廣。此外，我部門目前也正在開發基于核電廠三維模型的輻射防護設計平臺，針對孔洞封堵要求分析工作，將結合上述需求，開發專業的分析軟件，未來有望實現完全自動的輻射防護相關孔洞封堵要求判斷方案。