薛 峰

(中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

國內(nèi)某核電廠發(fā)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器所用保溫不銹鋼外殼被活化，接觸劑量率為100～200 μSv/h；反應(yīng)堆堆坑房間的保溫盒被活化，接觸劑量率最大400 μSv/h；某輪次大修期間執(zhí)行“壓力釋放門檢查”工作期間，發(fā)現(xiàn)壓力釋放門外的鐵柵欄門及門鎖被活化，現(xiàn)場測量接觸劑量率達(dá)到400 μSv/h等。此類現(xiàn)象表明雖然某些金屬設(shè)備不屬于放射性系統(tǒng)或者沒有與主回路冷卻劑接觸，但仍可能被中子活化而具有放射性(以下稱為易活化非放設(shè)備)，因此控制區(qū)中還存在一些未被識別出的潛在放射性源項(xiàng)物質(zhì)，并給控制區(qū)檢修活動的輻射風(fēng)險分析和防護(hù)帶來隱患。

1 反應(yīng)堆廠房功率運(yùn)行期間中子分布評估

1.1 中子能譜分析

壓水堆周圍工作場所中子輻射由燃料棒內(nèi)的235U裂變中子經(jīng)過重生物屏蔽材料的慢化和散射形成，主要中子能量范圍從熱中子到10 MeV中子之間。通常包括三部分：0.4 eV以下(熱中子)；0.4 eV～10 keV (1/En依賴的散射中子，En為中子能量，包括慢中子和中能中子)；10 keV～10 MeV (裂變中子及發(fā)生散射的中子，快中子)。

壓水堆反應(yīng)堆廠房的金屬設(shè)備較多，這些金屬材料中通常含有鈷(Co)、鎳(Ni)等元素，其中的59Co吸收熱中子，經(jīng)過俘獲反應(yīng)生成60Co，58Ni被快中子轟擊，經(jīng)過(n，p)反應(yīng)生成58Co。

為了分析這些金屬可能的活化情況，在反應(yīng)堆廠房的各主要層面選擇了測量點(diǎn)(見表1)，對這些點(diǎn)進(jìn)行了中子能譜測量調(diào)查。

表1 反應(yīng)堆廠房中子能譜測量點(diǎn)的描述

通過對調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各能區(qū)中子數(shù)目占比見表2。

表2 各能區(qū)中子數(shù)目占比 %

從中子能譜的測量結(jié)果來看，各測量點(diǎn)中子能譜有明顯差異。1號測量點(diǎn)位置遠(yuǎn)離堆芯活性區(qū)，因此有較多的熱中子。5號測量點(diǎn)與活性區(qū)之間屏蔽層較厚，所以熱中子成分也較多，而其他4個測量點(diǎn)的熱中子成分很少。熱中子是引發(fā)核反應(yīng)的主要中子活度，特別是直接影響到60Co的生成率。通過中子能譜數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，在不同的區(qū)域，均有熱中子的存在，熱中子的占比與屏蔽的厚度和距離堆芯的距離均有關(guān)系?？傮w而言距離堆芯越遠(yuǎn)占比越大；屏蔽厚度越大占比越大。

1.2 中子活化反應(yīng)

經(jīng)中子活化反應(yīng)產(chǎn)物的某特征性放射性強(qiáng)度I (pps)，和樣品中待測元素的含量W(g)成正比，而且也跟照射的中子束通量密度Φ(n/cm2·s)、探測器的效率ε成正比。在單能中子通量密度穩(wěn)定的簡單情況下，I可以表示為：

其中NA為阿伏伽德羅常數(shù)，A為待測元素原子量，Q為反應(yīng)同位素在待測元素中的豐度，δ是活化截面，λ為這種放射性的衰變常數(shù)，其中（1-e-λt0）是飽和因子S，-eλt是衰變因子D，它們是由放射性的衰變特性決定的。

所以活化反應(yīng)的速率在待測樣品確定后，活化截面、衰變常數(shù)等也已經(jīng)確定；對于核反應(yīng)堆外的中子照射，只需要考慮照射中子束通量密度。中子通量密度即單位時間內(nèi)通過垂直于中子運(yùn)動方向的單位面積的中子數(shù)。對于同一能譜的中子，中子束通量密度越大，則反應(yīng)率越大。

1.3 中子劑量率測量

為了檢查控制區(qū)主要廠房關(guān)鍵系統(tǒng)及設(shè)備生物屏蔽的效果是否滿足設(shè)計(jì)要求，并得到不同功率狀態(tài)下反應(yīng)堆廠房內(nèi)從-3.4 m至24 m各層不同房間共計(jì)94個點(diǎn)位的中子的劑量率分布圖，以反應(yīng)堆廠房5 m為例，設(shè)置測量點(diǎn)進(jìn)行測量。

對于235U，每次裂變平均放出2.43個中子。為了準(zhǔn)確地對反應(yīng)堆廠房的中子輻射水平進(jìn)行評估，測量采用重量輕、靈敏度高的NSN3中子劑量率儀，該儀器為內(nèi)充有機(jī)混合氣體的正比計(jì)數(shù)器，其中子能量范圍從0.025 eV至15 MeV，100 %功率運(yùn)行期間反應(yīng)堆廠房5 m的測量結(jié)果見表3。

表3 功率運(yùn)行期間反應(yīng)堆廠房5 m中子劑量率測量數(shù)據(jù) mSv/h

總體分析越靠近堆芯，屏蔽層越少，活化的概率越高，比如45～48號點(diǎn)處于5 m內(nèi)環(huán)廊，中子劑量率較高。為了快速甄別現(xiàn)場的非放物項(xiàng)，擬按照總體中子輻射水平劑量率來評估活化的可能性。

2 中子活化實(shí)例驗(yàn)證分析

2.1 實(shí)例

2.1.1 實(shí)例1

某核電廠大修期間執(zhí)行“壓力釋放門檢查”工作期間，發(fā)現(xiàn)壓力釋放門外的鐵柵欄門及門鎖被活化，現(xiàn)場測量接觸劑量率達(dá)到400 μSv/h。

該門位置距離堆芯附近1 m左右，符合活化的特征，屏蔽層少、靠近堆芯、中子輻射劑量率大。

2.1.2 實(shí)例2

某核電廠大修期間，在進(jìn)行反應(yīng)堆廠房8 m內(nèi)環(huán)某系統(tǒng)逆止閥維修過程外送閥瓣時，發(fā)現(xiàn)其被活化接觸劑量率約為40 μSv/h，核素主要為60Co。

閥門位置在內(nèi)環(huán)附近房間，符合活化的特征，屏蔽層少、靠近堆芯、中子輻射劑量率大。

2.1.3 實(shí)例3

某核電廠大修期間，在外送反應(yīng)堆廠房內(nèi)環(huán)某閥門的支架時，測得接觸劑量率為489 nSv/h，主要核素為60Co和59Fe。支架的位置在8 m內(nèi)環(huán)附近在蒸汽發(fā)生器的房間，符合活化的特征，屏蔽層少、靠近堆芯、中子輻射劑量率大。

2.2 材料核實(shí)

根據(jù)中子活化反應(yīng)的原理可知，通常以中子反應(yīng)截面來表示上述各種核反應(yīng)的幾率大小，該物理量是不同核素或者元素的特征量。在核電站現(xiàn)場非放射性系統(tǒng)使用的或沒有與主回路冷卻劑接觸的金屬材料大多為鐵基合金(如不銹鋼、鐵等)，個別為鋁合金、銅合金(如門鎖)等。這些材料中通常會含有鐵、鈷、鎳、鉻、錳等核素。其中的鈷(59Co)易活化且生成的60Co半衰期長，所以60Co為最需要關(guān)注的核素，同時也要關(guān)注58Fe，58Co等核素。

通過核實(shí)上述發(fā)現(xiàn)的支架、門鎖均還有Co元素，通過γ譜分析也發(fā)現(xiàn)其主要核素為60Co。經(jīng)過咨詢，雖然部分金屬無法確定是否含鈷，但幾乎所有的閥門和電機(jī)殼等均含鈷。

2.3 活化實(shí)例分析說明

按照已經(jīng)活化的區(qū)域R411/423/440分析具有如下信息：中子能量范圍0.4 keV的中子大于2×105/s；中子劑量率大于100 mSv/h；可能含有鈷、鐵、鎳元素成分的金屬設(shè)備。因此擬定如下區(qū)域作為易活化非放設(shè)備關(guān)注區(qū)域(見表4)。

表4 反應(yīng)堆廠房易活化非放設(shè)備關(guān)注區(qū)域

3 易活化非放設(shè)備檢修輻射風(fēng)險控制策略

傳統(tǒng)上，輻射防護(hù)重點(diǎn)關(guān)注的是放射性系統(tǒng)設(shè)備的風(fēng)險和防護(hù)，對于易活化非放設(shè)備檢修工作沒有充分重視。在大修過程中，易活化非放設(shè)備關(guān)注區(qū)域內(nèi)的非放射性設(shè)備檢修，存在輻射防護(hù)風(fēng)險的作業(yè)主要有閥門解體、支架板切割打磨、其他金屬材質(zhì)設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)及存放。上述工作的輻射安全風(fēng)險大致為：

(1) 外照射風(fēng)險。被活化的非放設(shè)備檢修、存放、轉(zhuǎn)運(yùn)未經(jīng)有效識別和管控。

(2) 表面污染風(fēng)險、內(nèi)污染風(fēng)險。被活化的非放設(shè)備切割、打磨等操作產(chǎn)生粉塵。

(3) 放射性物品失控。被活化的非放設(shè)備運(yùn)出控制區(qū)。

相應(yīng)作業(yè)的輻射風(fēng)險控制策略如下。

3.1 閥門解體的輻射風(fēng)險控制策略

(1) 不涉及研磨操作的。按照非放射性系統(tǒng)閥門解體要求進(jìn)行作業(yè)。

(2) 解體后需對閥瓣和閥座進(jìn)行研磨操作的。拆裝過程按照非放射性系統(tǒng)閥門解體要求進(jìn)行作業(yè)，閥瓣應(yīng)優(yōu)先轉(zhuǎn)運(yùn)至低本底區(qū)域(按照非放物品轉(zhuǎn)運(yùn))進(jìn)行測量與識別其是否已被活化。

① 如識別后發(fā)現(xiàn)閥瓣未被活化，由于閥座和閥瓣位置緊靠，可認(rèn)定閥座亦未被活化，則閥瓣和閥座均按照非放設(shè)備研磨要求進(jìn)行作業(yè)。

② 如識別后發(fā)現(xiàn)閥瓣已被活化，可認(rèn)定閥座亦被活化。

閥瓣研磨要求：禁止與放射性設(shè)備檢修共享污染區(qū)，應(yīng)在低本底區(qū)域設(shè)置污染檢修作業(yè)區(qū)進(jìn)行研磨操作，及時清理產(chǎn)生的粉塵(按放射性廢物處理)，確保無粉塵遺留在閥瓣上。

閥座研磨要求：禁止與放射性設(shè)備檢修共享污染區(qū)，研磨過程需對閥腔口進(jìn)行封堵(將粉塵控制在閥腔內(nèi))，確保無粉塵溢出，人員使用乳膠手套、全面罩進(jìn)行污染防護(hù)，研磨產(chǎn)生的粉塵需徹底去除(按放射性廢物處理)，確保閥腔無殘留。

3.2 切割打磨的輻射風(fēng)險控制策略

(1) 原地切割打磨(不拆卸)。開工前由檢修人員使用銼刀在需要加工的位置銼下少量粉塵完成取樣，將樣品運(yùn)至低本底區(qū)域進(jìn)行測量，判定其是否已被活化。

① 樣品未被活化。按照非放射性檢修要求進(jìn)行作業(yè)。

② 樣品已被活化。禁止與放射性設(shè)備檢修共享污染區(qū)，布置密閉負(fù)壓檢修棚污染檢修作業(yè)區(qū)，人員使用全面罩、乳膠手套、紙衣、塑料鞋套進(jìn)行污染防護(hù)，切割打磨產(chǎn)生的鐵屑、粉塵需徹底去除（按放射性廢物處理），確保管道內(nèi)部無殘留。

(2) 轉(zhuǎn)運(yùn)至機(jī)加工處(無法原地處理)。

設(shè)備拆卸后如未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，則按非放設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)至低本底區(qū)域；如已發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，則應(yīng)使用紅色塑料布妥善包裹后轉(zhuǎn)運(yùn)至低本底區(qū)域；在低本底區(qū)域使用環(huán)境級劑量率儀器直接測量設(shè)備是否被活化。

① 未活化。按照非放要求轉(zhuǎn)運(yùn)和處理。

② 已活化。禁止轉(zhuǎn)運(yùn)至放射性/非放射性機(jī)加工車間進(jìn)行切割打磨，應(yīng)轉(zhuǎn)運(yùn)至低本底區(qū)域，布置密閉負(fù)壓檢修棚污染檢修作業(yè)區(qū)，處理人員使用全面罩等附加用品進(jìn)行污染防護(hù)，切割打磨使用非放設(shè)備。

3.3 金屬材質(zhì)設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)及存放

未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的設(shè)備，按照非放物品轉(zhuǎn)運(yùn)至低本底區(qū)域；已發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的設(shè)備，使用紅色塑料布妥善包裹后，按照放射性物品轉(zhuǎn)運(yùn)至低本底區(qū)域；在低本底區(qū)域使用環(huán)境級劑量率直接測量其是否被活化。

(1) 控制區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)及存放。

① 未被活化。直接按照非放物品轉(zhuǎn)運(yùn)要求進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)、存放。

② 已被活化但未發(fā)生結(jié)構(gòu)破損。直接轉(zhuǎn)運(yùn)即可，到達(dá)存放點(diǎn)應(yīng)布置標(biāo)準(zhǔn)放射性物品存放場地，做好標(biāo)識，執(zhí)行定期巡檢。禁止將活化物品長時間存放于公共區(qū)域或低本底待工點(diǎn)。

③ 已被活化且發(fā)生結(jié)構(gòu)破損。應(yīng)妥善包裹后再轉(zhuǎn)運(yùn)，到達(dá)存放點(diǎn)應(yīng)做好標(biāo)識，執(zhí)行定期巡檢。禁止將活化物品長時間存放于公共區(qū)域或低本底待工點(diǎn)。

(2) 運(yùn)出控制區(qū)。

① 未被活化。直接按照非放物品運(yùn)出控制區(qū)要求執(zhí)行。

② 已被活化。禁止運(yùn)至非控制區(qū)。如需轉(zhuǎn)運(yùn)至其他控制區(qū)，應(yīng)按放射性物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)要求，妥善包裹后方可轉(zhuǎn)運(yùn)，到達(dá)其他控制區(qū)存放點(diǎn)應(yīng)布置標(biāo)準(zhǔn)放射性物品存放場地，做好標(biāo)識，執(zhí)行定期巡檢。禁止將活化物品長時間存放于公共區(qū)域或低本底待工點(diǎn)。

4 結(jié)束語

以上對工作實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的易活化非放設(shè)備存在放射性的情況進(jìn)行了研究。從中子活化、設(shè)備材料分析著手，結(jié)合反應(yīng)堆廠房中子能譜測量和中子劑量率測量數(shù)據(jù)，篩選出需要重點(diǎn)關(guān)注的設(shè)備元素(如鈷、鎳、鐵)，劃定反應(yīng)堆廠房中離堆芯較近、屏蔽較少的區(qū)域作為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

對重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域中易活化非放設(shè)備的外照射、表面污染、內(nèi)污染和放射性物品失控等風(fēng)險進(jìn)行了充分的分析，制定了閥門解體、支架板切割打磨、其他金屬材質(zhì)設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)及存放的詳細(xì)風(fēng)險控制和防護(hù)流程，并在實(shí)踐中得到了應(yīng)用。

長期以來輻射防護(hù)人員多關(guān)注的是放射性系統(tǒng)設(shè)備的輻射風(fēng)險和防護(hù)。以上為現(xiàn)場易活化非放設(shè)備處理過程中的潛在污染源管控，為避免相關(guān)放射性物質(zhì)的失控提供一種思路和方法。