基于MCNP模拟对“华龙一号”堆坑小室通道屏蔽墙的优化设计

徐佳梁

(中原运维海外工程有限公司,上海 200233)

1 背景和原理

堆坑小室通道屏蔽墙是“华龙一号”独有设备，通过在堆坑通道与堆坑小室附近设置屏蔽敷设体，对功率运行条件下堆坑小室附近的中子进行有效屏蔽，降低功率运行期间堆坑小室内的剂量率水平，允许工作人员在正常功率运行工况下有限制地接近堆坑，如图1所示。

图1 堆坑小室通道Fig.1 The reactor pit passage

正常功率运行工况下堆芯中子通量密度高，虽然有层层防护，但难免还是会有中子泄漏出来。国际放射防护委员会(ICRP)制定的放射防护原则指出：人员的防护应做到最大化，即在合理可行尽量低(ALARA)的情况下尽量减少人员受到的电离辐射剂量。作为对这一要求的响应，核电厂中子屏蔽设计应使得工作人员受到的电离辐射剂量尽可能地少。

中子屏蔽的精细化设计是三代堆型核电厂区别于二代堆的主要放射防护设计特征之一，其设计优劣直接影响了辐射场内设备寿命及运行期间进入区域的工作人员的辐射安全[1]。中子因为其不带电的特性而具有较强的穿透能力，是核电厂放射防护的重要目标之一。在中子束穿透反射层的过程中，有一部分会与反射层表面(或内部)的原子核发生散射，从而形成散射角大于90°的中子，其中顺利地摆脱反射层又从入射表面逃逸出来的中子被称为反照中子，该现象被称为中子反照效应[2]。

根据中子的波粒二象性特性[3]，中子波的波长与其速度成反比，即λ∝1/v。由于该特性与机械波极为相似，故由此提出一个假设：在屏蔽材料表面增加凸起的悬挑结构将会减少反照中子的产生。

本研究通过使用MCNP程序模拟1 eV和100 eV中子入射到带有悬挑结构的混凝土反射层表面，以对在屏蔽墙表面增加悬挑结构会减少反照的中子这一假设进行研究。MCNP程序构筑重复结构的功能为本课题的研究带来了极大的便利。

2 优化的设计结构

对设计结构的优化是指在屏蔽墙表面增加凸出的悬挑结构以提高与中子相互作用的几率，从而减少屏蔽结构产生的反照中子数。增加悬挑结构后屏蔽墙的外形如图2所示。

图2 增加悬挑结构的屏蔽墙Fig.2 The shielding wall with cantilever structure

在计算机模拟阶段，表面增加的悬挑结构形状分为圆柱、正六面体和圆锥体三类，按突出部几何体宽高比的比值对应1/2、1、2分为低、中、高三种(底面尺度一致)。悬挑结构阵列密度是将屏蔽墙表面划分为10×10、100×100、1000×1000的三种网格，其阵列模式分为1/2间隔和全布置两种，1/2间隔就是像国际象棋棋盘那样的相邻空开，全布置就是图2中所示的每一个小格的布置。

3 实验方法

模拟实验采用控制变量的方法进行。对所有输入文件进行计算。模拟计算共耗时约27.5 h，得到110个输出文件(如表1所示模拟分组情况)，按能量分布和空间分布提取了220组数据。

表1 模拟分组规划Table 1 The plan for simulation grouping

对提取的220组数据按控制变量的原则进行分类。通过对比各组数据，重点研究悬挑结构的形状、宽高比、分布模式、分布密度、粒子能量等变量的变化对系统中产生反照中子的计数空间分布和能量分布所造成的影响。

通过设置球面探测器,确保100%收集系统中所产生的反照中子，通过FRV卡记录反照中子入射探测器表面时与X轴的夹角为收集0°到90°之间反照中子的空间分布信息。以此从能量分布和空间分布两个角度开展对所产生中反照中子的研究。图3为模拟实验的几何布置简图，图中的正六面体为屏蔽墙体，它的一个面与坐标系的ZOY面重合，且该表面的几何中心同时也是坐标系的原点以及球面探测器的球心，S点为中子源的位置。

4 模拟结果的对比与分析

4.1 模拟结果的对比

以100 eV的中子源为例，通过比较无悬挑结构的普通屏蔽墙与布置有悬挑结构的屏蔽墙之间的模拟结果，从总计数、空间分布和能量分布3个角度进行讨论分析。表2记录的分别是普通屏蔽墙和布置有悬挑结构的屏蔽墙所产生的反照中子的空间分布数据，表3记录的分别是普通屏蔽墙和布置有悬挑结构的屏蔽墙所产生的反照中子的能量分布数据。

图3 模拟实验几何布置简图Fig.3 The geometric layout of simulation experiment

表2 空间分布数据Table 2 Data of space distribution

表3 能量分布数据Table 3 Data of energy distribution

4.1.1 总计数的影响

从总计数来看,以平面墙为屏蔽体的系统中产生的反照中子与增加了悬挑结构的屏蔽体系统所产生的反照中子分别为64.73%和55.94%。模拟计算结果显示，增加悬挑结构减少了近8.79%反照中子。

4.1.2 空间分布的影响

将表2模拟空间分布数据转化为曲线图,如图4所示。

图4 空间分布的对比Fig.4 Comparison of space distribution

图4中蓝色曲线为普通屏蔽墙所产生的反照中子计数随空间的分布，红色曲线为增加悬挑结构后的屏蔽墙所产生的反照中子数的空间分布情况。观察图4能够发现，屏蔽墙表面增加悬挑结构后显著减少了30°～90°的中子计数，略微提升了0°到30°之间的中子计数。

4.1.3 能量分布的影响

将表3模拟空间分布数据转化为曲线图如图5所示。

图5 能量分布的对比Fig.5 Comparison of energy distribution

图5中蓝色曲线为普通屏蔽墙所产生的反照中子计数随能量的分布，红色曲线为增加悬挑结构后的屏蔽墙所产生的反照中子数的能量分布情况。观察图5能够发现，屏蔽墙表面增加悬挑结构后略微减少了2×10-5～7×10-5MeV的中子计数，显著减少了8×10-5MeV到1×10-4MeV之间的中子计数，而在1×10-5MeV附近可以看到增加悬挑结构后的屏蔽墙所产生的反照中子计数反而略高于平面屏蔽墙的系统。总体而言，悬挑结构的引入有效降低了系统中大多数反照中子的能量。

4.2 模拟结果的分析

在对所有数据进行处理、分类、比较后发现：不论是对于1 eV低能中子源还是100 eV能量较高的入射中子，有悬挑结构的屏蔽墙总是产生更少的反照中子，且反照中子的数量与所增加的悬挑结构体积存在反比的趋势，即Na；除了总体数量的减少，悬挑结构的存在还改变了反照中子的空间分布趋势，在较显著地减少了中、高角度区域反照中子数的同时，略微增加了低角度区域的反照中子数；悬挑结构的存在也改变了反照中子的能量分布趋势，在较显著地减少了中、高能量区域反照中子数的同时略微增加了低能量区域的反照中子数。

5 结论

通过对MCNP模拟结果进行的比较和分析可以发现，悬挑结构对系统中的反照中子产生了抑制作用，尤以总计数的减少最为明显。据此现象可以判断：理论上在堆坑小室通道屏蔽墙表面增加悬挑结构可以减少系统中反照中子的总数，从而有利于进一步降低功率运行期间堆坑小室内的剂量水平。

本文以优化“华龙一号”堆坑小室通道屏蔽墙设计为目的，由中子的波粒二象性特征出发提出假设：在屏蔽墙表面增加悬挑结构有助于减少系统中反照中子的数量。使用MCNP软件对54种不同形状的悬挑结构屏蔽墙进行模拟，通过对比增加悬挑结构前、后屏蔽墙所产生反照中子的总计数、空间分布和能量分布三个方面的变化，分析变化趋势。发现在屏蔽墙表面增加悬挑结构后：1)屏蔽墙产生的反照中子数量有所减少(MCNP模拟结果显示减少8.79%)；2)球面探测器的中、高纬度区域(30°～90°)中子数显著减少，低纬度区域(0°～30°)中子数略微增加；3)高能量区域的中子数显著减少，低能量区域的中子数略微增加。上述三条结论并不违背中子与物质相互作用的一般规律，从理论上证实了在屏蔽墙表面增加悬挑结构有助于减少反照中子这一假设，并在此基础上提出：在屏蔽墙表面增加悬挑结构是一种可以进一步降低功率运行期间堆坑小室内剂量水平的优化设计。