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三維停堆劑量率計(jì)算程序研發(fā)及其在EAST上的應(yīng)用

2011-04-26 08:46吳亮亮應(yīng)棟川邱岳峰王國(guó)忠張延云婧何周少恒
核科學(xué)與工程 2011年1期
關(guān)鍵詞:蒙特卡羅劑量率中子

吳亮亮,應(yīng)棟川,邱岳峰,王國(guó)忠,張延云,宋 婧何 桃,,周少恒,熊 健,,李 佳,

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230027;2.中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所,安徽合肥 230031;3.合肥工業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院,安徽 合肥 230069)

停堆劑量是由核裝置運(yùn)行期間被中子活化的材料所發(fā)射的衰變光子輻射引起的。在核裝置在運(yùn)行停止或運(yùn)行間歇期間,工作人員需要靠近或進(jìn)入裝置內(nèi)部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量或維修檢測(cè)工作,將受到放射性照射的危險(xiǎn)。因此準(zhǔn)確地評(píng)估核裝置的停堆劑量率水平,對(duì)于核裝置設(shè)計(jì)及維護(hù)人員的安全有著重要的參考意義[1]。

對(duì)于聚變裝置停堆劑量率的計(jì)算,通常采用的是基于三維蒙特卡羅程序的停堆劑量率計(jì)算方法[2-3]。由于該方法僅能考慮有限的核素,且只能處理一步的衰變過(guò)程,不適用于求解具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)先進(jìn)反應(yīng)堆(如核聚變反應(yīng)堆、聚變裂變混合堆、加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆等)的停堆劑量率。本文在FDS團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的大型集成多功能中子學(xué)計(jì)算與分析系統(tǒng)VisualBUS[4]框架下,通過(guò)采用嚴(yán)格二步法[1,5](R2S:Rigorous 2-step method),耦合具有處理復(fù)雜幾何能力的三維蒙特卡羅程序MCNP[6]和國(guó)際上廣泛使用的活化計(jì)算程序FISPACT[7],發(fā)展了三維停堆劑量計(jì)算程序。該程序?qū)崿F(xiàn)了中子輸運(yùn)、材料活化和光子劑量計(jì)算的自動(dòng)耦合,可獲得核裝置停堆后周圍空間劑量場(chǎng)的三維精細(xì)分布信息。本文將從計(jì)算方法、程序?qū)崿F(xiàn)及其在先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)上的初步應(yīng)用三個(gè)方面來(lái)介紹該程序的發(fā)展?fàn)顩r。

1 停堆劑量率計(jì)算方法

核裝置在運(yùn)行期間,部分組件在中子的輻照之下被活化而具有放射性。裝置停止運(yùn)行或運(yùn)行間歇期間,被活化了的材料會(huì)向周圍空間發(fā)出γ光子[8]。因此,要計(jì)算停堆劑量率的分布情況,需要先求得衰變光子源在時(shí)間、空間及能量上的分布。R2S方法計(jì)算過(guò)程如圖1所示。

圖1 R2S方法計(jì)算流程Fig.1 Flow scheme of R2Smethod

對(duì)于合適的計(jì)算模型,中子輸運(yùn)計(jì)算可以得到裝置運(yùn)行過(guò)程中所有非空柵元中子注量率在空間、能量上的分布情況。對(duì)于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維模型(如托卡馬克裝置),中子輸運(yùn)計(jì)算通常采用適合求解復(fù)雜三維幾何問(wèn)題的蒙特卡羅方法[9]。本文利用國(guó)際上通用的三維蒙特卡羅輸運(yùn)程序MCNP進(jìn)行中子輸運(yùn)計(jì)算以獲得下一步活化計(jì)算所需的中子注量率數(shù)據(jù)。

R2S方法利用中子輸運(yùn)計(jì)算所得的中子注量率數(shù)據(jù),在一定的輻照時(shí)間和冷卻時(shí)間的條件下,進(jìn)行材料活化計(jì)算。本文使用國(guó)際上廣泛使用的活化計(jì)算程序FISPACT-2007得到光子源的描述文件,用于下一步的光子輸運(yùn)計(jì)算。

最后,R2S方法進(jìn)行光子輸運(yùn)模擬,得到不同冷卻時(shí)間下核裝置周圍空間的三維劑量場(chǎng)分布。計(jì)算中所使用的數(shù)據(jù)庫(kù)為國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)最新版本聚變?cè)u(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)FENDL-2.0[10]。

2 程序?qū)崿F(xiàn)

基于R2S方法的三維停堆劑量計(jì)算程序采用兩個(gè)接口程序?qū)⒚商乜_輸運(yùn)計(jì)算程序MCNP和活化計(jì)算程序FISPACT自動(dòng)連接,實(shí)現(xiàn)精確求解核裝置的停堆劑量率。三維停堆劑量率計(jì)算程序流程如圖2所示。

其中接口程序 MF-Interface的主要功能是解析輸運(yùn)計(jì)算的輸出文件,自動(dòng)生成包含中子注量率和材料信息的活化計(jì)算輸入文件;接口程序FM-Interface的主要功能是處理活化計(jì)算輸出文件,將衰變光子強(qiáng)度及能譜分布計(jì)算結(jié)果經(jīng)處理后生成光子源的描述文件,用于MCNP衰變光子輸運(yùn)計(jì)算。

圖2 停堆劑量率計(jì)算程序流程圖Fig.2 Shutdow n dose calculation code based on R2S

為提高計(jì)算效率,程序允許用戶提供輸運(yùn)計(jì)算輸出文件,避免重復(fù)進(jìn)行MCNP程序計(jì)算。同時(shí),根據(jù)用戶的不同需求,計(jì)算中可以采用多種中子能群結(jié)構(gòu)(包括69群的W IMSD、175群的VITAMIN-J和 315群的 TRIPOLI等能群結(jié)構(gòu))[7]。

在實(shí)際計(jì)算中,組成柵元材料的某些微量元素在輸運(yùn)計(jì)算中可以被忽略,但可能對(duì)活化的結(jié)果造成巨大的影響,考慮這些微量元素對(duì)提高活化計(jì)算的精確度具有重要意義。為此,程序提供了用戶自定義材料的功能,用戶可以更改活化計(jì)算的材料,加入輸運(yùn)中被忽略的微量元素,提高了活化計(jì)算的精確程度。

由于輸運(yùn)計(jì)算程序MCNP對(duì)源卡個(gè)數(shù)的限制,無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜的核裝置模型的計(jì)算。本文通過(guò)使用接口程序FM-Interface對(duì)柵元與源卡的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化,使得源卡的個(gè)數(shù)滿足MCNP程序的限值。同時(shí),程序提供一個(gè)方便的源描述接口,用戶可以通過(guò)定義一個(gè)包圍所有柵元的較大取樣空間來(lái)完成對(duì)衰變光子源的隨機(jī)取樣,從而使MCNP衰變光子輸運(yùn)計(jì)算成為可能。

3 在EAST上的初步應(yīng)用

3.1 計(jì)算模型

EAST是中科院等離子體物理研究所自主設(shè)計(jì)建造的世界上首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置。主機(jī)部分高11m,直徑8m,重400 t,由超高真空室、縱場(chǎng)線圈、極向場(chǎng)線圈、內(nèi)外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統(tǒng)等六大子系統(tǒng)組成。

本文采用未經(jīng)簡(jiǎn)化EAST裝置的45°CAD模型作為分析對(duì)象,通過(guò)FDS團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的蒙特卡羅計(jì)算自動(dòng)建模軟件MCAM[12-15]將該CAD模型轉(zhuǎn)換為三維中子學(xué)MCNP計(jì)算模型(如圖3所示)。該計(jì)算模型包含了精細(xì)的組件結(jié)構(gòu),使得劑量計(jì)算結(jié)果的更加精確。EAST中子學(xué)模型的材料組成如表1所示。

圖3 帶大廳的EAST裝置45°模型Fig.3 The 45°modelof EASTw ith a hall

表1 EAST中子學(xué)模型的材料組成[15]Table1 Materia l composition of EAST neutronicsmodel

本文計(jì)算分析了EAST裝置在D-D等離子體反應(yīng)模式下的停機(jī)劑量信息。假設(shè)中子源均勻分布在等離子體區(qū),能量為2.45 MeV,典型D-D反應(yīng)的中子產(chǎn)額為1×1015n/s,使用單脈沖放電時(shí)間1 000 s作為輻照參數(shù)[16]。為了較為全面地考查停機(jī)后不同時(shí)間段的輻射劑量情況的變化趨勢(shì),本文在計(jì)算方案中選取了6個(gè)冷卻時(shí)間,分別為10m in,100min,400min,1 000 m in和10 000 min。

3.2 計(jì)算分析

使用FDS團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的科學(xué)計(jì)算可視化分析軟件SV IP[16]對(duì)三維停機(jī)劑量程序計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行可視化,得到EAST裝置停機(jī)后周圍三維空間劑量場(chǎng)的分布。圖4分別顯示了以裝置為中心的水平橫向截面和豎直縱向截面上劑量場(chǎng)的分布情況。

圖4 SV IP中EAST裝置三維劑量場(chǎng)分布Fig.4 Th ree-dimensional dose distribution of EAST

1)劑量率在徑向上的變化

分析計(jì)算不同冷卻時(shí)間下托克馬克窗口高度處劑量率,得到劑量率隨徑向變化情況的分布曲線,如圖5所示。由于在靠近等離子體的區(qū)域,受到的中子輻照較強(qiáng),因而輻射劑量率相對(duì)較高。從圖中可以看出,在靠近托克馬克表面(450 cm)處輻射劑量值最高。而隨著半徑方向距離的增加,輻射劑量逐漸減小。不同的冷卻時(shí)間的情況下,劑量率沿徑向的分布近似遵循指數(shù)衰減規(guī)律。當(dāng)冷卻時(shí)間超過(guò)1 000m in,裝置周圍的劑量水平低于 10μSv/h,滿足EAST裝置的輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[15]。

圖5 劑量率徑向分布曲線Fig.5 The curve of dose rates along the radius

2)劑量率在極向上的變化

分析計(jì)算外真空杜附近極向上的數(shù)據(jù)對(duì)劑量率的分布情況,得到變化曲線如圖6所示。可以看出,不同冷卻時(shí)間的劑量率沿極向方向的分布規(guī)律大致相同,在高度約為550 cm處劑量率達(dá)到最大值,離該位置越遠(yuǎn)則劑量率越小。因?yàn)榇宋恢米羁拷研镜入x子體區(qū)域,結(jié)構(gòu)材料受到的中子輻照主要集中在該高度附近,活化光子源也主要集中在該區(qū)域。同時(shí)可以看出,在冷卻時(shí)間超過(guò)1 000 m in后,裝置周圍的劑量水平低于10μSv/h,滿足EAST裝置的輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

3)劑量率隨冷卻時(shí)間的變化

圖6 劑量率極向分布曲線Fig.6 The curve of dose rates along the axis

為了研究EAST裝置的停機(jī)劑量率隨冷卻時(shí)間的變化情況以便確定劑量率水平在多長(zhǎng)的冷卻時(shí)間后可以達(dá)到對(duì)人體安全的水平,本文選取了不同冷卻時(shí)間下大廳中劑量率最高處(R=450 cm,Z=550 cm,θ=45°)的劑量率進(jìn)行了比較分析,得到劑量率隨冷卻時(shí)間的變化曲線,如圖7所示。

圖7 劑量率隨冷卻時(shí)間的變化曲線Fig.7 The curve o f dose rate with the coo ling time

由圖可以看出停機(jī)劑量率在大約100 m in以前,衰減比較慢。因?yàn)檫@段時(shí)間內(nèi),停堆劑量率主要來(lái)自于裝置材料SS304L中的雜質(zhì)55Mn吸收中子發(fā)生(n,γ)俘獲反應(yīng)生成的放射性核56M n,半衰期為2.58 h。隨后,51Cr(半衰期為27.8 d)開(kāi)始變成主要放射性核素,它主要來(lái)自于裝置材料SS304L中的雜質(zhì)50Cr與中子發(fā)生(n,g)反應(yīng),從圖中可以看出,在100 min至10 000 min(約一星期)衰減加快。另外,放射性核素55Fe、60Co及60Com在相應(yīng)的冷卻時(shí)間段對(duì)停堆劑量亦有所貢獻(xiàn)。根據(jù)EAST裝置的輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn),EAST裝置正常運(yùn)行時(shí)工作場(chǎng)所的輻射水平不得高于10μSv/h。從圖中可以看到,當(dāng)冷卻時(shí)間大于 1 000 m in以后,EAST裝置的劑量水平小于10μSv/h。因此在這種情況下,工作人員在停機(jī)以后必須等待1 000 m in之后,才能靠近裝置進(jìn)行操作。而一周以后,大廳內(nèi)的劑量率則已經(jīng)衰減到天然本底的水平(0.1μSv/h)。

4 結(jié)論

本文基于嚴(yán)格二步法(R2S),耦合蒙特卡羅輸運(yùn)計(jì)算程序MCNP和活化計(jì)算程序FISPACT,發(fā)展了三維停機(jī)劑量計(jì)算程序。該程序充分利用了MCNP程序中子、光子輸運(yùn)計(jì)算以及處理復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的能力,并結(jié)合FISPACT程序材料活化及光子衰變計(jì)算的能力,實(shí)現(xiàn)了核裝置停機(jī)后周圍空間劑量場(chǎng)分布的精確描述和分析。

該停機(jī)劑量計(jì)算程序已初步應(yīng)用于EAST裝置,所得結(jié)果直觀顯示了 EAST裝置停機(jī)后,不同冷卻時(shí)間和空間下劑量場(chǎng)的三維空間分布情況,這些數(shù)據(jù)可以為EAST輻射防護(hù)工作提供了重要參考。同時(shí),停機(jī)劑量計(jì)算程序在EAST裝置上的成功應(yīng)用也為其在其他核聚變裝置上的應(yīng)用提供了參考。在下一步的工作中,需要進(jìn)行各種單脈沖放電和多脈沖放電條件下停機(jī)劑量率的分析計(jì)算,以獲得EAST裝置停機(jī)后輻射劑量場(chǎng)在三維空間的真實(shí)分布。

5 致謝

本文工作是在中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(編號(hào)k JCX2-YW-N37與KJCX 2-YWN35)和中科院信息化專項(xiàng)項(xiàng)目(編號(hào)INFO-115-C01-SDB2-010)的資助下進(jìn)行的。

[1] 陳義學(xué),吳宜燦,Fischer U.核聚變裝置停機(jī)劑量率分析計(jì)算的嚴(yán)格兩步(R2S)法[J].核技術(shù),2003,26(10):763-764.

[2] Iida H,Valenza D,Plentada R,et al.JNucl Sci Tech,2000(Supp l1):235-242.

[3] Valenza D,Iida H,Plenteda R,et al.Fus Eng Design,2001,55:411-418.

[4] 吳宜燦,李靜驚,李瑩,等.大型集成多功能中子學(xué)計(jì)算與分析系統(tǒng)VisualBUS的研究與發(fā)展[J].核科學(xué)與工程,2007,27(4):365-368.

[5] Davis A,Pampinb R.Benchmarking theMCR2S system for high-resolu tion activation dose analysis in ITER[J].Fusion Engineering and Design,FUSION-5010,2009:1-2.

[6] Briesmeister JF,et al.MCNP-A General Mon te Carlo N-Particle T ransport Code[M].Version 4C,Los A lamos National Laboratory,Report LA-13709-M,Ap ril 2000.

[7] Forrest R A.FISPACT 2007:User Manual[R].UKAEA Fusion,Report UKAEA FUS 534,March 2007.

[8] 柴竹新,吳宜燦,劉伯學(xué).核聚變裝置 EAST高可靠性輻射防護(hù)控制系統(tǒng)[J].核電子學(xué)與控測(cè)技術(shù),2005,25(1):28-29.

[9] 謝仲生,鄧力.中子輸運(yùn)理論數(shù)值計(jì)算方法[M].陜西:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

[10]Pashchenko A B,Wienke H,Kopecky J,et al.FENDL/A-2.0 Neutron Activation Cross Section Data Lib rary for Fusion Application[R].IAEA Vienna,Report IAEA-NDS-173,Rev.1,October 1998.

[11]W u Y C.CAD-based interface p rog ram s for fusion neutron transport simu lation[J].Fusion Engineering and Design,2009,84(7-11):1987-1992.

[12]吳宜燦,李瑩,盧磊,等.蒙特卡羅粒子輸運(yùn)計(jì)算自動(dòng)建模程序系統(tǒng)的研究與發(fā)展[J].核科學(xué)與工程,2006,26(1):20-27.

[13]曾勤,盧磊,李瑩,等.蒙特卡羅粒子輸運(yùn)計(jì)算自動(dòng)建模程序MCAM在ITER核分析建模中的應(yīng)用[J].核科學(xué)與工程,2006,23(2):138-141.

[14]吳宜燦,胡麗琴,龍鵬程,等.先進(jìn)核能系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)研發(fā)進(jìn)展[J].核科學(xué)與工程,2010,30(1):55-64.

[15]陳義學(xué).托卡馬克裝置三維輻射場(chǎng)計(jì)算方法的發(fā)展及其在HT-7U環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[D].中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所,2002.

[16]羅月童,龍鵬程,薛曄,等,面向中子學(xué)分析的集成可視化平臺(tái)SV IP的發(fā)展研究[J].核科學(xué)與工程,2007,27(4):374-378.

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