核临界事故报警系统布置分析方法研究

邵 增，霍小东，易 璇，刘国明，杨海峰

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

在从事易裂变材料的操作、加工、贮存、处理等相关活动时，需要采取各种方法和措施来防止发生核临界事故。当这些方法或措施失效，或控制限值意外超出时，系统可能引入较大的正反应性，使得有效中子增殖因子大于1.0，形成非受控的中子链式裂变反应，从而引发核临界事故。核临界事故的发生伴随着强烈的中子和γ瞬发照射，并伴有放射性物质的释放，可能带来巨大的人员照射危害和放射性污染风险。

在核工业发展史上，燃料处理设施中共发生了22起公开报道的核临界事故[1]。通过对这22起核临界事故监测措施的设置和应用情况进行统计[2]，成功防止核临界事故造成严重后果的主要措施为核临界事故报警系统的成功报警。

核临界事故报警系统用于及时探测核临界事故并触发报警，敦促人员撤离，防止受到第一峰之后的辐射照射，避免造成严重后果。为确保核临界事故报警系统实现上述功能，需将其优化布置在合适的位置，并设置合理的报警阈值。

核临界事故报警系统的设计，应使“误报警”发生率降到最小，因此报警的阈值应足够高，但必须保证能瞬时探测到所关心的最小临界事故，且覆盖到每个具有核临界事故风险的设备。

为满足我国国家标准和审管当局对核临界事故报警系统覆盖性充分论证的要求，本文开展了核临界事故报警系统布置分析方法的研究工作，对最小临界事故源项分析方法、核临界事故报警系统布置分析方法分别开展了研究。

1 最小临界事故源项分析方法研究

1.1 核临界事故情景假设

最小临界事故的分析首先需要考虑可能发生的最不利的工况或临界安全控制手段意外失效的情形，即核临界事故情景假设。

从分析过程上来说，针对不同类型的设备，考虑对潜在核临界事故风险的初步分析，逐一列出可能发生核临界事故的各种机理，并进一步分析可能引发某种临界机理的现象、始发事件及其发生的可能性，最终筛选出核临界事故的情景假设。

所考虑的核临界事故发生机理包括：质量控制失效、浓度控制失效、几何控制失效、慢化控制失效、反射控制失效、间距控制失效、毒物控制失效、富集度控制失效等。

以质量控制失效为例，可能引发该机理的部分现象有：双批/多批投料；裂变材料含量高于预计值；缓慢积累等。

在实际应用中，主要识别几个影响辐射源项能谱的典型核临界事故情景，基本能满足最小临界事故源项分析的需求。

核临界事故的辐射源项主要包括中子源项和光子源项，根据射线放出时间的早晚，各有瞬发和缓发之分。对核临界事故报警系统而言，重要的是对核临界事故的瞬发源项进行报警。瞬发源项的计算包括裂变中子源、反应中子源、裂变光子(裂变反应直接产生的光子)和反应光子(裂变以外的反应产生的光子)。

采用三维蒙卡程序进行临界问题计算时，裂变产生的中子包含了缓发中子数据，而裂变产生的光子仅为瞬发裂变光子。对系统的边界面进行分群计数，就能统计出泄漏出系统的中子数、光子数及其分别的能谱。这里的计数是归一到一个裂变源中子。如已知核临界事故的总裂变数，要得到每次裂变从系统泄漏出的裂变中子数和裂变光子数，还需要将计数进行转化。这时，还需要统计系统内裂变总次数和平均每次裂变放出的中子数。

1.2 辐射源项分析方法

当系统keff=1.0时，中子泄漏数和光子泄漏数可以直接除以系统内裂变总次数(或乘以每次裂变放出的中子数)以得到每次裂变从系统泄漏出的中子数和光子数。当系统keff1.0时，中子泄漏数仍是需乘以平均每次裂变放出的中子数以得到每次裂变从系统泄漏出的中子数，光子泄漏数的情况则复杂一些，因为裂变光子和反应光子的归一化因子并不相同，需要分别考虑。

裂变光子的产生及泄漏部分除以系统内裂变总次数得到每次裂变从系统泄漏出的光子数，而反应光子数需乘以每次裂变放出的中子数，当keff偏离1.0较大时，两种转化方式差别很大。为分析系统keff1.0时的最小临界事故源项，就需要分别分析裂变光子源项和反应光子源项的具体数据。

由于程序正常输出的光子源项是不区分裂变光子和反应光子的，因此，本文研究了通过合理设置不同类型核素的或不同反应编号的光子产生开关，使得单次计算可以只对裂变反应产生光子，泄漏出系统的光子源项仅包括了裂变光子；或者可以单次计算只对裂变之外的反应产生光子，泄漏出系统的光子源项就只包括了反应光子。此外，配合使用光子反应截面置零的光子截面库，使得光子产生后不发生各种反应，还可以得到裂变光子源项和反应光子源项各自的产生率和泄漏率。

上述方法需要输入各种核素的光子生成反应编号信息，尤其在系统中核素种类较多时，输入较为繁琐，且容易遗漏，不易于工程应用。为此，本文还研究了通过写裂变体源、读裂变体源、关闭裂变截面、裂变光子产生开关等，采用3次有差别计算的方式对中子和光子源项分别归一，解决了非临界状态下的源项分析困难：

(1) a计算：正常临界计算，仅进行中子输运计算，中子输运计算时裂变中子源的产生信息被写入到中间文件；统计裂变次数及中子源项信息。

(2) b计算：固定源，进行中子-光子联合输运计算，读入a计算转存的裂变中子源信息中间文件，且关闭裂变截面不产生裂变光子；统计了反应光子的源项信息。

(3) c计算：固定源，与b计算不同，关闭裂变截面但正常产生裂变光子；该计算统计了总光子的源项信息。

1.3 最小临界事故源项计算

最小临界事故源项计算依据GB 15146.9[3]中对最小临界事故的定义：在无屏蔽的条件下，60 s内在距反应物体 2 m处的自由空气中所引起的瞬发中子和瞬发光子辐射的总吸收剂量为 0.2 Gy。

对不同的核临界事故情景假设，最小临界事故源项计算考虑没有水反射层的设备模型，在设备表面 2 m处设置一个薄壳体(例如厚 2 cm)。图1以一个环形槽为例给出了典型设备的最小临界事故计算模型示例图。图中标注了计算时需要统计的计数，这些计数都是归一到一个裂变源中子。

图1 最小临界事故计算模型示例图

如1.2所述的3次计算得到的易裂变材料区域发生的总裂变数、易裂变材料区域总的裂变中子产生数、设备表面2 m处的中子剂量率计数结果、泄漏出设备表面的中子总数基本相同，a计算没有泄漏出设备表面光子总数和设备表面2 m处的光子剂量率的输出；b计算得到的泄漏出设备表面光子总数和设备表面2 m处的光子剂量率为反应光子的泄漏部分；c计算得到的泄漏出设备表面光子总数和设备表面2 m处的光子剂量率为总光子的泄漏部分。

总光子的泄漏部分减去反应光子的泄漏部分即为裂变光子的泄漏部分。通过对裂变光子和反应光子分别归一，并与最小临界事故定义的0.2 Gy/min进行比较，即可得到最小临界事故裂变次数。最终给出的最小临界事故源项分析结果至少包括了裂变数、泄漏中子数及其能谱、泄漏光子数及其能谱等数据。

以某环形槽硝酸盐溶液设备为例，浓度意外波动情况下的最小临界事故源项列于表1。

表1 某设备最小临界事故源项计算结果

1.4 简化几何及包络源项考虑

尽管从临界安全控制的机理出发，尽可能全面地开展核临界事故风险分析，但还是可能存在一些意想不到的情形。如果仅分析各设备的典型临界安全事故，最小临界事故源项可能不够包络。因此，本文除分析各设备影响源项能谱的几个典型核临界事故情景外，还根据各设备室内的料液特点和设备几何特征，采用简化几何如球状、圆柱或环形槽等分别分析其在盛装类似料液下的最小临界体积，并在此最小临界体积下分别计算最小临界事故的源项情况。

最小临界体积的情形对应的是易裂变材料的最大反应性，是最易发生的一类核临界事故，在中子能谱和泄漏率等指标上具有较强的代表性，考虑这类情形，是对“意想不到的情形”的一个补充，可以使得最小临界事故源项分析更具全面性和包络性。

对设备室内各设备典型核临界事故情景和类似料液最小临界体积下的最小临界事故源项进行分析后，保守地分别选用所有计算结果中的最小中子和光子泄漏源项作为该设备室核临界事故报警系统布置分析用的计算源项。

选用设备室包络的最小临界事故源项进行核临界事故报警系统的布置分析，是对最小临界事故源项的进一步保守考虑，也免去了核临界事故报警系统布置分析中对不同设备设置不同的最小临界事故源项的繁琐操作。

2 报警系统布置分析方法

2.1 几何模型与源项设置

核临界事故报警系统布置计算时，尽可能详细地建立设施或设备室的三维模型，特别是核临界事故源项与核临界事故报警系统可能布置区域之间的其他设备、物料、结构材料或墙体。设备、物料、结构材料或墙体之外的间隙按照正常空气考虑。

各设备最小临界事故下的中子和光子源项需分别设置，并分别开展输运计算。在分析某设备最小临界事故源项产生的三维剂量场分布时，将设备内易裂变材料和壁面材料都设置为真空，其他设备或结构材料均按照正常运行工况模拟。然后在设备的表面一个薄层上设置最小临界事故源项。之所以采用这种设置方法，是因为前面得到的最小临界事故源项已经考虑了裂变产生的瞬发源项在设备内的输运过程，是泄漏出设备的源项。

设备室正常运行时的源项用于设备室正常运行时的三维剂量场分析，计算时，将所有设备的中子或光子源项同时设置在各设备所在位置，按照均匀分布布置在放射性材料中。

2.2 剂量场分布

对三维剂量场分布的计算采用了网格计数统计核临界事故报警系统可能布置区域内的剂量率分布，其中光子剂量分布考虑为光子直接产生的剂量与中子产生的二次光子剂量之和。

图2给出了不同设备最小临界事故在墙壁外产生的中子剂量率分布图，从图中结果可以看出，中子剂量率随距离衰减很快，且相邻设备对发生最小临界事故的设备遮挡严重，严重程度与设备体积、料液类型关系密切，因此只有通过建立设备室的三维模型，详细分析最小临界事故产生的剂量场分布，才能保证核临界事故报警系统能覆盖到每个可能发生最小临界事故的设备。光子剂量率分布与中子剂量率分布类似，但在剂量率绝对数值、随距离衰减程度、设备遮挡严重程度等存在显著差异。

图2 不同设备最小临界事故在墙壁外产生的中子剂量率分布图

2.3 布置优化和阈值选择

得到各设备最小临界事故下的三维剂量场分布及设备室正常运行下的三维剂量场分布后，还需要通过一些数据处理以选定合适的核临界事故报警系统布置位置，并且进一步确定报警阈值。

考虑到各设备的三维剂量场分布各异，本文研究采用了等高线图的方法，来从众多剂量场分布图中选取合适的点位。等高线图的具体做法是：对任一给定的可能布置核临界事故报警系统的平面，对平面上的每一个网格单元，读取各设备最小临界事故源项在该单元产生的剂量率，选取各剂量率的最小数值作为等高线图中该网格单元的剂量率数值，因此，形成的是各设备最小临界事故在可能布置核临界事故报警系统的平面上产生的剂量场分布最小值的等高线图。

图3以某设备室为例采用剂量率等高线分布图的方法，给出了各设备分别发生最小临界事故的情况下，在可布置核临界事故报警系统的一侧墙体外平面内所产生的中子剂量率等高线分布。由该图可以看出，在横向坐标7.2 m至12.2 m、纵向坐标4.0 m至7.0 m范围内，中子剂量率可大于7 mGy/h，在此范围内布置核临界事故报警系统的中子探头，最小临界事故探测能力可以覆盖整个设备室每个具有核临界事故风险的设备。考虑计算模型及蒙卡方法的不确定度(30%)，初步推荐核临界事故报警系统报警阈值设置为4.9 mGy/h，该阈值远大于该设备室所有设备正常运行下在该位置产生的最大中子剂量率2.5×10-4mGy/h，可以排除误报警的可能。

图3 某设备室最小临界事故中子剂量率等高线分布示例图

2.4 探头选型

核临界事故报警系统中的探测器最好能对中子和光子辐射都灵敏，国外也开展了这方面的研究工作，但在目前来说，大多数核临界事故报警系统，只对中子或光子的一种有响应，而且探测光子辐射还是最简单易行的，为各国普遍采用。

综合考虑中子探头和光子探头的安装数量、探头价格、可靠性、应用广泛程度等，一般推荐采用光子探头的核临界事故报警系统，其性能指标需满足国标中探头可靠性、响应速度、干扰排除能力、高辐照水平下的正常工作情况等方面的要求。在对少数正常运行下光子剂量较高、较难排除误报警的安装区域，考虑选用中子探头的核临界事故报警系统。

此外，每套核临界事故报警系统应设置3个独立探头，采用“三选二”逻辑进行报警。在高达103Gy/h的强辐射照射下，报警系统的探测器也必须能正常工作。关于核临界事故报警系统的报警信号强度、响应时间、抗震要求、备用电源、定期检验等方面的要求，应参照GB 15146.9 —1994和GB/T 12787—2020执行。

3 结论

本文从核临界事故报警系统设计标准和要求出发，对最小临界事故的分析方法和核临界事故报警系统布置方法开展了研究，包括计算程序和使用方法、情景假设和计算模型，并举例说明了数据处理、阈值设置、探头选型的过程。

通过本文的研究，建立了一套完整的核临界事故报警系统布置分析方法，满足国家标准和审管当局对其覆盖性充分论证的要求。采用最小临界体积模型优化考虑源项，采用多次有差别计算的方式对中子和光子源项分别归一，解决了非临界状态下的源项分析困难。采用三维剂量场分析手段提高了分析精度与可靠性，采用等高线图方法解决了核临界事故报警系统布置和探头类型优化分析的困难。

应用本文的研究方法，对某设施核临界事故报警系统开展了设计分析，结果表明，该设施核临界事故报警系统可以布置在设备室的墙体外侧，可以大幅节省核临界事故报警系统的检修、维护成本，且大部分设备室都可以采用更为便宜、可靠的光子探测器，预计采用光子探测器作为核临界事故报警系统的比例达到75%以上，可以很大程度上节省工程投资。