基于SuperMC的ITER下窗口生物屏蔽插件屏蔽分析

庄思璇，宋 婧，杨 琪，俞盛朋，郑晓磊

(1.中国科学院核能安全技术研究所，中国科学院中子输运理论与辐射安全重点实验室，安徽合肥230031；2.中国科学技术大学，安徽合肥230027)



基于SuperMC的ITER下窗口生物屏蔽插件屏蔽分析

庄思璇1,2，宋 婧1，杨 琪1，俞盛朋1，郑晓磊1

(1.中国科学院核能安全技术研究所，中国科学院中子输运理论与辐射安全重点实验室，安徽合肥230031；2.中国科学技术大学，安徽合肥230027)

在国际热核聚变实验堆(ITER)中，窗口生物屏蔽插件需为电子设备和工作人员提供必要的辐射屏蔽防护。基于中子学分析的生物屏蔽插件设计是ITER设计的重要内容。本文基于超级蒙卡核模拟软件SuperMC，在ITER大厅三维中子学模型中整合了ITER设计整合部门(DIN)最新设计的下窗口生物屏蔽插件模型，对四种下窗口生物屏蔽插件进行了屏蔽分析。分析结果显示，低温恒温器低温泵生物屏蔽插件中子屏蔽性能最好，室内监视系统生物屏蔽插件屏蔽性能最差；室内检视系统生物屏蔽插件停堆剂量率最小，环形低温泵生物屏蔽插件停堆剂量率最大。在SA2辐照方案下，停堆12天后，环形低温泵生物屏蔽插件处停堆剂量率超过规定限值20倍。分析结果表明，ITER下窗口生物屏蔽插件设计有待优化。

SuperMC；ITER；屏蔽；生物屏蔽插件

国际热核聚变实验堆ITER中，下窗口生物屏蔽插件能够为窗口附近的电子设备和工作人员提供必要的屏蔽和防护，避免真空室和低温设备附近出现高通量密度场，确保ITER装置的安全运行和维修[1,2]。基于中子学分析的生物屏蔽插件分析是ITER核设计的重要内容之一。在[3]中，基于ITER B-lite模型对4号和12号下窗口进行了屏蔽分析。分析结果表明，停堆12天之后，低温泵外围窗口插件剂量为100 μSv/h，与安全阈值接近，12号下窗口插件的诊断系统插口处中子通量密度较高，设计仍需改进。2015年7月，ITER设计整合部门(DIN)改进了下窗口生物屏蔽插件并提交ITER组织。更新后的插件的屏蔽性能有待分析和评估。

本文中，使用超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC，基于DIN提供的三维几何模型，建立了包括下窗口生物屏蔽插件在内的ITER大厅中子学模型，并对生物屏蔽插件性能进行了分析与评估。

1 方法与工具

1.1 计算方法

本文对ITER下窗口生物屏蔽插件进行计算与分析。进行计算与分析的方法由如下步骤组成：

1) 模型创建：基于原始CAD模型，在ITER大厅三维中子学模型中整合生物屏蔽插件模型；

2) 生物屏蔽插件性能分析：

a) 使用输运计算得到的中子源，对ITER下窗口四种生物屏蔽插件进行通量密度衰减和活化计算，并与重混凝土和混凝土屏蔽模块进行对比；

b) 对受等离子体辐照最严重的环形低温泵生物屏蔽插件，采用一步法计算停堆剂量率。

1.2 计算工具

计算基于FDS团队自主研发的超级蒙特卡罗和计算仿真软件系统SuperMC开展。FDS团队在中子学分析与程序开发[4-7]、堆芯设计与材料研究[8-11]、核能安全研究[12-13]、实验及核技术应用[14-16]等方面具有丰富的研究经验和突出的研究成果。SuperMC计算正确性已通过ITER 基准模型测试验证，并得到ITER组织的认可[17-18]。

计算中中子输运使用FENDL2.1聚变数据库，活化计算使用EAF2007数据库。

2 模型创建

由DIN设计的ITER下窗口生物屏蔽插件模型如图1所示，下窗口环形对称布置有18个生物屏蔽插件，分别是：3个低温恒温器低温泵，6个环形低温泵，6个室内检视系统，3个遥操[19-20]。

图1 下窗口生物屏蔽插件几何模型Fig.1 Geometry model of bio-shield plugs

将原始CAD模型转换并导入SuperMC/MCAM中，进行必要的检查与修补，得到ITER下窗口生物屏蔽插件中子学模型。将下窗口生物屏蔽插件的中子学模型导入到ITER Building模型[3]中，完成计算建模(见图2)。

图2 ITER大厅中子学模型(Z=-500 cm剖面图)Fig.2 Neutronic model of ITER building(Z=-500 cm)

3 屏蔽性能分析

3.1 通量密度衰减分析

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对四种生物屏蔽插件进行通量密度衰减分析，评估其对中子的屏蔽能力。在ITER中，通常的屏蔽材料为混凝土和重混凝土，计算中设置重混凝土和混凝土屏蔽模块作为参考基准，其尺寸与生物屏蔽插件除贯穿件外的主体框架部分尺寸相同。使用输运计算得到的中子源，其中子通量密度为1.633 03×108n/(cm2·s)，在屏蔽插件内侧设置400 cm×407.3 cm×10 cm的立方体源，其能谱如图3所示，源粒子方向为生物屏蔽插件内表面法线方向。

图3 通量密度衰减分析中子源能谱Fig.3 Spectrum of neutron source for neutron attenuation analysis

定义通量密度衰减因子为生物屏蔽插件最外侧(计数面3)面通量密度密度与源最外侧(计数面1)面通量密度密度之比，如图4所示。使用SuperMC得到的计算结果如图5和表1所示。

图4 源与计数面(以IVVS为例)Fig.4 Tally surfaces and source in IVVS

图5 计数面3的中子通量密度密度Fig.5 Neutron flux of tally surface 3(a) 能量范围10-7～20 MeV

图5 计数面3的中子通量密度密度(续)Fig.5 Neutron flux of tally surface 3(b) 能量范围1～20 MeV

表1 生物屏蔽插件中子通量密度[n/(cm2·s)]

在不同屏蔽模块的作用下，屏蔽插件后的中子通量密度分布趋势相同，但强度不同；室内检视系统生物屏蔽插件后的中子通量密度高于其他生物屏蔽插件。对比通量密度衰减因子，室内检视系统屏蔽模块的通量密度衰减因子最高，但低于重混凝土屏蔽模块，低温恒温器低温泵生物屏蔽插件后的通量密度衰减因子最低，且低于混凝土模块。

由此可见，低温恒温器低温泵生物屏蔽插件对中子的屏蔽能力最强，室内检视系统生物屏蔽插件对中子的屏蔽能力最弱。

3.2 活化分析

选择如图6所示的典型栅元进行计数，采用ITER的SA2辐照方案(500 MW聚变功率)，进行重混凝土、混凝土、不锈钢材料的活化分析。计算结果如表2和表3所示。

对比结果发现，室内检视系统生物屏蔽插件的停堆剂量率最低，并低于重混凝土屏蔽模块，环形低温泵生物屏蔽插件的停堆剂量率最高，但低于混凝土屏蔽模块。对每个屏蔽插件来说，不锈钢材料的剂量最高，重混凝土材料的剂量最低。重混凝土材料中59Fe和54Mn是主要活化核素，混凝土材料主要活化核素为24Na，不锈钢材料主要活化核素为60Co，其半衰期较长，为5.271a[21]。

图6 活化分析计数栅元Fig.6 Tally cells in activation analysis(a) 低温恒温器低温泵；(b) 环形低温泵；(c) 遥操;(d) 室内检视系统

表2 停堆1天后屏蔽模块的剂量率 (Sv/h)

表3 屏蔽模块中核素对剂量率的贡献(%)

4 停堆剂量率计算

在18个下窗口中，12号窗口环形低温泵生物屏蔽插件受到最严重的等离子体源辐射作用[3]，考虑到设计保守性，对环形低温泵生物屏蔽插件停堆剂量率进行计算。

4.1 源设置

参考之前的计算[3]，定义源粒子方向为法线方向的面源，分析ITER大厅的剂量率分布，其能谱如图7所示。

图7 停堆剂量率计算面源能谱Fig.7 Spectrum of neutron source for dose rate calculation

4.2 计算结果

对环形低温泵生物屏蔽插件附近窗口栅元停堆剂量率进行计算，计数栅元如图8所示。

图8 剂量率计数栅元Fig.8 Tally cells in dose rate calculation(a) PZ=-600 cm;(b) PZ=-400 cm;(c) PZ =-490 cm

根据ITER中子学设计要求，窗口栅元的停堆剂量率限值为10 μSv/h[22]。表4列出了各计数栅元的剂量率结果。其中，306栅元的停堆剂量率最大，为240 μSv/h，298栅元的停堆剂量率最小，为44 μSv/h。环形低温泵生物屏蔽插件附近栅元的停堆剂量率超过限值20倍，说明设计需要进一步改进。

表4 环形低温泵插件附近栅元停堆剂量率(μSv/h)

5 结论

本文基于最新设计的ITER下窗口生物屏蔽插件模型，使用SuperMC构建了包括下窗口生物屏蔽插件在内的ITER大厅三维中子学模型，对下窗口生物屏蔽插件进行了屏蔽分析。结果表明，低温恒温器低温泵生物屏蔽插件的中子屏蔽性能最好，室内监视系统生物屏蔽插件的中子屏蔽性能最差；在中子源作用下，室内检视系统生物屏蔽插件停堆剂量率最小，环形低温泵生物屏蔽插件停堆剂量率最高。通过计算发现，停堆12天之后，环形低温泵生物屏蔽插件停堆剂量率超过规定限值20倍，说明ITER下窗口生物屏蔽插件设计需要进一步改进。

文中进行的分析与结果已提交ITER组织[23]，并为将来的设计与分析提供有价值的参考。

致谢

本文工作在ITER组织与FDS团队的合作下开展。工作开展过程中得到了FDS团队其他成员以及ITER组织的支持与帮助，在此表示感谢。

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Analysis for the Shielding of Bio-shield Plugs in Lower Ports of ITER Based on SuperMC

ZHUANG Si-xuan1,2, SONG Jing1, YANG Qi1, YU Sheng-peng1, ZHENG Xiao-lei1

(1. Key Laboratory of Neutronics and Radiation Safety, Institute of Nuclear Energy Safety Technology, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui Prov. 230031, China; 2. University of Science & Technology of China, Hefei, Anhui Prov. 230027, China)

The bio-shield plugs could provide significant shielding and protection for electronic devices and staff workers in ITER. The design and neutronic analysis of bio-shield plugs is a big concern in ITER. The Design Integration Section (DIN) of ITER has designed a new model of bio-shield plugs in lower ports. In this study, based on SuperMC, a three-dimensional neutronic model of ITER building is created, and shielding analysis is conducted to evaluate the current design. The results indicate that Cryostat Cryopump plug provides the strongest shielding while IVVS plug provides the weakest one. IVVS plug has the least dose rate and Torus Cryopump plug has the utmost one. Under the radiation scenario of SA2, the dose rate in Torus Cryopump bio-shield plug exceeds the limit value. The current design is insufficient and needed to be improved.

SuperMC; ITER; Shielding; Bio-shield plugs

2017-01-20

中国科学院战略性先导科技专项XDA03040000，中国科学院国防科技创新基金项目CXJJ-16Q231，国家自然科学基金(NSFC)11305205，国家磁约束核聚变能发展研究专项2014GB112001，产业化基金

庄思璇(1993—)，女，安徽人，博士研究生，主要从事中子输运理论研究工作

郑晓磊：xiaolei.zheng@fds.org.cn

TL61

A

0258-0918(2017)02-0235-07