CN109935376A - 一种核电厂严重事故下β射线对仪表损伤的量化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核电厂事故分析鉴定技术领域，具体涉及一种核电厂严重事故下β射线对仪表损伤的量化方法；本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种可用于严重事故仪表可用性分析和鉴定，同时可指导仪表厂家进行仪表设计核电厂严重事故下β射线对仪表损伤的量化方法；包括以下步骤：步骤一、确定严重事故环境β射线源强；步骤二、确定仪表屏蔽模型；步骤三、采用蒙特卡洛方法进行大量粒子仿真。

Description

一种核电厂严重事故下β射线对仪表损伤的量化方法
技术领域
本发明属于核电厂事故分析鉴定技术领域，具体涉及一种核电厂严重事 故下β射线对仪表损伤的量化方法。
背景技术
核电厂反应堆内部发生的核裂变会激发出β和γ射线，由于现场仪表内 部的电子部件对辐射十分敏感，因此这些射线不可避免的会对现场仪表造成 损伤，最终将导致仪表功能的失效。根据相关的安全法规，对于安装在安全 壳内的仪表在成批量生产之前需要进行相应的鉴定试验或者分析，以此来证 明仪表耐辐照的能力。
在基准事故中，考虑到事故中释放的β射线剂量不大，且β射线的穿透 能力差，另外现场仪表电子部件都由金属外壳包裹，因此在基准事故鉴定试 验中大部分仪表都没有考虑β射线对现场仪表的损伤影响，而仅仅考虑了γ 射线对仪表的影响。
随着严重事故研究的深入以及三里岛、福岛事故的发生，目前相关安全 部门已经明确要求评估现场仪表在严重事故条件下的可用性，随着严重事故 下β辐射剂量和能量的增大，需要专门对β射线对现场仪表的损伤进行分析， 这是严重事故仪表可用性分析的重要内容，同时也对严重事故缓解有着重要 的意义。
由于目前国内外的辐照鉴定试验都是采用γ射线进行，所以对于如何考 虑β辐射的影响，达成的共识是按比例将其量化为一定剂量的γ射线，但国 内外尚无按照何种量化系数(Ck)转换的相关研究。
本发明正是获得严重事故下β射线对仪表损伤量化为γ射线的系数Ck的 方法。
发明内容
本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种可用于严重事故仪表可 用性分析和鉴定，同时可指导仪表厂家进行仪表设计核电厂严重事故下β射 线对仪表损伤的量化方法。
本发明的技术方案是：
一种核电厂严重事故下β射线对仪表损伤的量化方法，包括以下步骤：
步骤一、确定严重事故环境β射线源强；
步骤二、确定仪表屏蔽模型；
步骤三、采用蒙特卡洛方法进行大量粒子仿真。
所述步骤一中，严重事故下β射线的剂量率和总剂量相对于设计基准事 故大大增加，但影响韧致辐射的主要因素在于β射线的能量，即电子的能量， 通过对β源强进行计算便可以获得严重事故下β射线的能量以及组成该能量 的电子所占份额；严重事故下β射线主要由数个能量特征点的电子组成，对 这些能量点的β射线进行研究，得出每个点相对于γ射线的量化系数，就可 以推导出总的量化系数Ck；
所述步骤二中，仪表的屏蔽模型由仪表的构造决定，通过对仪表的物理 结构、功能及所用材料进行分析可确定出仪表易受辐照损伤的敏感部位、包 裹敏感部位所使用的屏蔽材料及厚度、包裹的形状，进而建立仪表屏蔽模型。
包括以下步骤：
首先使用蒙特卡洛方法模拟大量γ粒子轰击屏蔽模型，统计其在屏蔽后 的粒子种类和分布情况，可以算出γ粒子在屏蔽后的能量残留，其次使用蒙 特卡洛方法模拟大量β粒子轰击屏蔽模型，统计其在屏蔽后的粒子种类及分 布情况，可以算出β粒子在屏蔽后的能量残留；
然后根据两种粒子在屏蔽前后的能量情况，通过能量等效的方式可推导 出量化系数Ck。
本发明的有益效果是：
1.提供一种获得严重事故下β射线对仪表损伤量化为γ射线的系数的方 法，该方法可用于严重事故仪表可用性分析和鉴定，同时可指导仪表厂家进 行仪表设计；
2.随着严重事故下β辐射剂量和能量的增大，需要专门对β射线对现场 仪表的损伤进行分析，本发明是严重事故仪表可用性分析的重要内容，同时 也对严重事故缓解有着重要的意义。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步的介绍：
要说明方法，首先得明确β射线在核电厂仪表上的辐照作用机理，β射 线即电子，是一种常见的电离辐射，可以通过碰撞引起物质电离，但由于质 量轻、速度快，与靶物质相互作用时，其射程较短，很难穿透较厚的材料， 一般放射性同位素产生的β射线，根据能量的不同在金属中的射程只有零点 几毫米到几毫米。尽管β射线无法直接作用在仪表或电缆的敏感部件上，但 其会与屏蔽外壳(尤其是金属)内粒子相互作用产生所谓的韧致辐射，即当带电 粒子的速度发生变化时，就可以辐射出能量，产生电磁辐射，发射X或γ射 线等次级粒子，次级粒子的穿透能力很强，很容易穿透屏蔽防护层进而影响 仪表。因此，对于β射线的屏蔽防护中，最重要的就是考虑韧致辐射，这也 是本方法计算分析的主要物理对象。
一种核电厂严重事故下β射线对仪表损伤的量化方法，包括以下步骤：
步骤一、确定严重事故环境β射线源强；
步骤二、确定仪表屏蔽模型；
步骤三、采用蒙特卡洛方法进行大量粒子仿真。
所述步骤一中，严重事故下β射线的剂量率和总剂量相对于设计基准事 故大大增加，但影响韧致辐射的主要因素在于β射线的能量，即电子的能量， 通过对β源强进行计算便可以获得严重事故下β射线的能量以及组成该能量 的电子所占份额；严重事故下β射线主要由数个能量特征点的电子组成，对 这些能量点的β射线进行研究，得出每个点相对于γ射线的量化系数，就可 以推导出总的量化系数Ck；
所述步骤二中，仪表的屏蔽模型由仪表的构造决定，通过对仪表的物理 结构、功能及所用材料进行分析可确定出仪表易受辐照损伤的敏感部位、包 裹敏感部位所使用的屏蔽材料及厚度、包裹的形状，进而建立仪表屏蔽模型。
包括以下步骤：
首先使用蒙特卡洛方法模拟大量γ粒子轰击屏蔽模型，统计其在屏蔽后 的粒子种类和分布情况，可以算出γ粒子在屏蔽后的能量残留，其次使用蒙 特卡洛方法模拟大量β粒子轰击屏蔽模型，统计其在屏蔽后的粒子种类及分 布情况，可以算出β粒子在屏蔽后的能量残留；
然后根据两种粒子在屏蔽前后的能量情况，通过能量等效的方式可推导 出量化系数Ck。
实施例
1)计算出β源强
首先计算堆芯积存量，然后根据NUREG-1465的假设，分阶段向安全壳 内释放放射性核素，不同时刻的安全壳内的放射性核素、β源强可由 ORIGEN-S计算得到。计算出的源强如下表所示：
可以看出，严重事故下的β射线由平均能量点为0.338、0.457、0.582、 0.878、1.196、1.594、2.410MeV的电子组成，每个能量点的电子的份额分别 为8.91、12.8、8.39、8.84、14.7、10.5、30.3。
2)建立屏蔽模型
3154变送器是通过测量被测介质压力获得介质状态的一种仪表，其内部 有电路板将测量到的压力转换成为相应的电信号，电路板的周围被圆柱形不 锈钢所包裹，圆柱形的底面直径91mm，高为122mm，其厚度为14mm。
辐照对电路板中的半导体元器件影响很大，另外可使绝缘性能下降，极 端情况下绝缘失效将导致电路部分短路，上述情况都将导致仪表在辐照下不 可用，而仪表的其他组件均不易受到辐照的影响。因此对于整个变送器，电 路板为易受辐照敏感的部分。
通过上述分析，建立屏蔽模型为底面直径91mm，高122mm的圆柱体， 材料为不锈钢，其厚度为14mm。
3)计算粒子分布及屏蔽模型后的能量残留并推导量化系数
在蒙特卡洛软件Geant4中建立上述屏蔽模型，首先模拟γ射线(根据γ 射线特征使用5*108个1.17MeV，5*108个1.33MeV的γ粒子，其总能量假设 为Egb)轰击屏蔽模型，计算屏蔽模型后产生的各种次级粒子的位置、方向、 能量和粒子注量等，从而计算出通过屏蔽模型后的能量残留Ega，得出能量 穿透系数ηgk＝Ega/Egb；其次模拟109个0.338Mev的β粒子轰击屏蔽模型(其 总能量假设为E0.338b)，计算屏蔽模型后产生的各种次级粒子的位置、方向、 能量和粒子注量等，从而计算出通过屏蔽模型后的能量残留E0.338a，得出能量 穿透系数η0.338k＝E0.338a/E0.338b，通过能量等效的方式可推导出0.338Mev能量点 的量化系数C0.338k＝η0.338k/ηgk。
同理可以计算出C0.457k、C0.582k、C0.878k、C1.196k、C1.594k、C2.410k，则量 化系数：Ck＝(8.91×C0.338k+12.8×C0.457k+8.39×C0.582k+8.84×C0.878k+14.7× C1.196k+10.5×C1.594k+30.3×C2.410k)÷(8.91+12.8+8.39+8.84+14.7+10.5+30.3)。
通过上述计算，可以得出在秦山二期核电厂严重事故下β射线对3154变 送器的损伤量化为γ射线的系数Ck约为2％。

Claims (4)

1.一种核电厂严重事故下β射线对仪表损伤的量化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、确定严重事故环境β射线源强；
步骤二、确定仪表屏蔽模型；
步骤三、采用蒙特卡洛方法进行大量粒子仿真。
2.如权利要求1所述的一种核电厂严重事故下β射线对仪表损伤的量化方法，其特征在于：所述步骤一中，严重事故下β射线的剂量率和总剂量相对于设计基准事故大大增加，但影响韧致辐射的主要因素在于β射线的能量，即电子的能量，通过对β源强进行计算便可以获得严重事故下β射线的能量以及组成该能量的电子所占份额；严重事故下β射线主要由数个能量特征点的电子组成，对这些能量点的β射线进行研究，得出每个点相对于γ射线的量化系数，就可以推导出总的量化系数Ck。
3.如权利要求1所述的一种核电厂严重事故下β射线对仪表损伤的量化方法，其特征在于：所述步骤二中，仪表的屏蔽模型由仪表的构造决定，通过对仪表的物理结构、功能及所用材料进行分析可确定出仪表易受辐照损伤的敏感部位、包裹敏感部位所使用的屏蔽材料及厚度、包裹的形状，进而建立仪表屏蔽模型。
4.如权利要求1所述的一种核电厂严重事故下β射线对仪表损伤的量化方法，其特征在于：包括以下步骤：
首先使用蒙特卡洛方法模拟大量γ粒子轰击屏蔽模型，统计其在屏蔽后的粒子种类和分布情况，可以算出γ粒子在屏蔽后的能量残留，其次使用蒙特卡洛方法模拟大量β粒子轰击屏蔽模型，统计其在屏蔽后的粒子种类及分布情况，可以算出β粒子在屏蔽后的能量残留；
然后根据两种粒子在屏蔽前后的能量情况，通过能量等效的方式可推导出量化系数Ck。
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