ITER极向场线圈维修过程及照射剂量虚拟仿真

赵锦波，张 澍，何 桃，龙鹏程，胡丽琴,*

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

国际热核聚变实验堆(ITER)计划[1]的目标是为未来聚变示范堆(DEMO)的设计和建造提供技术和数据基础。为了保障ITER运行过程中磁场位形的稳定，在ITER服役期限内，需要ITER停堆进行极向场线圈PF Coils等低温室内部件的人工检修工作。为了确保停堆后给维修人员造成的剂量在允许范围内，针对现有ITER的设计方案，需要对维修方案进行预评估和人员操作过程的培训，避免因人员不熟练导致的操作失误，使最终的辐射危害达到最小程度。

在国际合作框架协议的支持下，本文工作以ITER四号极向场线圈(PF4)为例，对ITER典型部件维修过程进行了虚拟仿真分析，验证当前ITER屏蔽设计方案的合理性和可行性。在核与辐射安全仿真系统SuperMC/VisualDose2.3[2-6]的支持下开展维修过程的虚拟漫游仿真、最大辐射剂量率评估、实时累积剂量评估和关键位置虚拟操作仿真等工作，用于指导ITER PF4部件维修方案的制定，确保维修过程中工作人员辐射剂量符合ITER设计标准。

结果表明，根据现有ITER核设计方案，ITER停堆106s后人员进入低温室开展ITER PF4检修工作所受到的累积剂量为2.19 mSv，为ITER核设计分析人员提供参考。仿真结果对辅助ITER维修优化具有积极意义，同时也表明虚拟现实技术能实现预评估辐射环境下人员的受照剂量。

1 维修方案与仿真场景

根据ITER设计需求[7]，假设ITER根据SA2方案运行，停堆冷却7天后，需要2位工作人员从低温室顶盖进入低温室检修PF4线圈双绞线接头[8]，维修方案路径如图1所示，详细方案定义如表1所示，研究数据来源于ITER当前磁体维修策略。

图1 ITER PF4维修路径图[7]

表1 ITER极向场线圈PF4双绞线接头断开检修任务步骤[8]

续表

本文工作首先利用CATIA建立好模型，导入到3DSMax当中，使用OgreMax插件直接将模型转为OGRE Mesh格式并导入到SuperMC/VisualDose2.3当中。基于3DSMax的仿真场景模型如图2所示，输出的整个场景不仅包含约420万个三角面片的几何信息，还包括模型的材质等信息。

图2 ITER大厅和托卡马克模型

为了评估，辐射剂量场分布采用ITER国际组织提供的计算结果[9]。基于SuperMC/VisualDose2.3的该辐射通量场0.1～1 keV数据和模型的叠加可视化如图3所示。

2 维修过程职业剂量仿真评估

2.1 维修过程漫游仿真与实时剂量评估

基于上述维修方案和仿真场景，用户在SuperMC/VisualDose2.3上完成维修方案的设计和仿真场景的创建。工人在维修过程中所受到的辐射剂量根据工人在每一个点的停留时间计算得到。辐射虚拟人Rad-Human[10]被选为SuperMC/VisualDose 2.3在本次方案仿真中的辐射剂量评估模型，该模型由中国科学院核能安全技术研究所·凤麟团队[11-16]自主构建，包含46个器官，由多物理耦合分析建模程序SuperMC/MCAM[17-21]创建，该模型如图4所示。

图4 Rad-Human模型示意图[22]

基于SuperMC/VisualDose 2.3，开展了累积剂量的实时评估、有效剂量率的实时评估。工人维修过程的行走速度假设为5 km/h，并且人物行走位置刷新率为50 Hz。通过仿真发现，ITER PF4维修过程当中，人员在整个维修过程中受到的累积剂量是2.19 mSv。基于SuperMC/VisualDose 2.3的ITER PF4维修过程漫游仿真与实时剂量评估如图5所示。

图5 ITER PF4维修过程漫游仿真与实时剂量评估

2.2 检修过程虚拟培训

依托中科院核能安全技术研究所·凤麟团队的先进反应堆设计和安全仿真实验室，基于SuperMC/VisualDose2.3完成了ITER PF4维修虚拟现实仿真环境的建立，如图6所示。用户能在虚拟环境中控制虚拟任务的行走方向，可视化反应堆模型和辐射场数据，并且体验维修过程。在该仿真环境中，剂量信息实时的显示在仿真环境的投影屏幕当中，支持用户实时评估行走过程中所受到的辐射剂量，当辐射剂量超过了剂量阈值则发出警报提示。

图6 ITER PF4维修过程虚拟培训仿真示意图

依托该虚拟现实仿真环境，核辐射环境下的运行和维修方案在执行之前，能够先在计算机中进行模拟。通过计算机对核与辐射环境真实再现后，用户借助虚拟现实外设以真实世界一致的交互方式与虚拟仿真环境中的场景物体相互影响、交互操作，从而产生身临其境般的真实感受和体验，更加直观迅速地接受和处理各种信息。同时，设计人员能够根据仿真的结果更好的完成应用方案的设计和优化，使得设计的应用方案尽可能地满足ALARA原则的要求。

2.3 结果与讨论

通过仿真发现，该维修任务人员接受的累积剂量为2.19 mSv，根据ITER的设计标准[23]，人工维修过程中年均所有维修任务的累积剂量限值为500 mSv，可知此次维修活动仅占全年累积剂量限值的0.438%，表明当前ITER磁体维修策略安全可行。仿真结果为ITER核设计分析人员提供参考，针对该维修任务，如想降低维修工人所受到的照射剂量以便进行多人多次维修活动，可通过引入临时屏蔽或者推迟人员进入等措施。

3 结论

在国际合作框架协议的支持下，基于核与辐射安全仿真系统SuperMC/VisualDose2.3，开展了ITER PF4维修过程的工人职业照射剂量仿真分析。仿真结果表明，根据现有ITER核设计方案，ITER停堆106s后人员进入低温室开展ITER PF4检修工作所受到的累积剂量为2.19 mSv，为ITER核设计分析人员提供了参考。仿真结果对辅助ITER 维修优化具有指导意义，同时也表明虚拟现实技术能有效地预评估辐射环境下人员的受照剂量。

后期将根据本次仿真结果，开展降低维修人员辐射剂量的措施分析，主要通过研究采用临时屏蔽和推迟工人进入时间来研究降低辐射剂量的措施。

致谢

本文工作中ITER PF4维修任务的制定得到了ITER职员Michael Loughlin博士和John Oldfield博士的指导，同时也得到了凤麟团队其他成员的帮助，在此一并表示感谢。