一种压水堆核电厂c?14排放源项的计算方法
【专利摘要】本发明涉及压水堆核电厂设计技术，具体涉及一种压水堆核电厂C?14排放源项的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤：(1)根据压水堆核电厂中C?14的产生和排放途径，计算核电厂每年C?14总排放量；(2)根据已运行核电厂的气、液态C?14排放量的实测数据，按照统计规律将步骤(1)得到的C?14总排放量分配为气态C?14排放量和液态C?14排放量。本发明提供的计算方法，针对性强，易于操作，计算结果比较合理。
【专利说明】
一种压水堆核电厂c-14排放源项的计算方法
技术领域
[0001] 本发明属于压水堆核电厂设计技术，具体涉及一种压水堆核电厂C-14排放源项的 计算方法。
【背景技术】
[0002] c-14是核电厂排放到环境中的主要放射性核素之一，排放方式包括气态排放和液 态排放，其中气态排放是主要途径。C-14半衰期长，以有机物或C0 2形态排放的C-14容易进 入生物圈，进而以食物的形式进入人体。C-14具有β放射性，虽然射线能量不高，但在摄入体 内后，会造成内照射危害，因此C-14成为核电厂环境影响评价工作中最受关注的几个核素 之一。
[0003] 在压水堆核电厂选址、设计、装料等阶段的环境影响评价工作中，都需要对C-14的 排放量做出分析。此外，厂址容量论证、核电厂运行阶段排放量申请等工作中也要用到C-14 排放源项。
[0004] 在本申请提出之前，核电厂的c-14排放源项主要是根据已运行核电厂排放量的实 测值推算的，属于基于经验反馈的统计方法。由于核电厂的设计要求保守性，源项设计值应 该能包络运行中可能出现的最不利的情况，而基于运行经验反馈的源项数据可能无法代表 实际运行中可能出现的最大值，无法满足核电厂源项设计的保守性要求，因此，需要提出一 种基于C-14产生机理的压水堆核电厂C-14排放源项的计算方法。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种压水堆核电厂C-14排放源 项的计算方法，该计算方法针对性强，易于操作，计算结果比较合理。
[0006] 为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种压水堆核电厂c-14排放源项的 计算方法，所述计算方法包括以下步骤：
[0007] (1)根据压水堆核电厂中c-14的产生和排放途径，计算核电厂每年c-14总排放量；
[0008] (2)根据已运行核电厂的气、液态C-14排放量的实测数据，按照统计规律将步骤 (1)得到的c-14总排放量分配为气态C-14排放量和液态C-14排放量。
[0009] 进一步，步骤（1)中，将运行周期为一年的反应堆主冷却剂受中子活化产生的C-14 总量视为核电厂每年C-14总排放量，以每年产生的C-14的活度A( 14C)衡量核电厂每年C-14 总排放量，对于压水堆，由式②计算每个活化反应产生的C-14的活度Ad^C)，由式①计算A (14C)：
[0010] A(14C)=Ai(14C)+A2(14C)+...+Ai( 14C)，i = l，2,…… ①；
[0011] Ai(14C) =λ · Ni(14C) =λ · V水· Σ i · Φ水· f · k ②；
[0012] 式①中，
[0013] A(14C):每年产生的C-14活度，Bq;
[0014] Ai(14C):活化反应i产生的C-14的活度，Bq;
[0015] 式②中，
[0016] 人:〇14的衰变常数，8-1;
[0017] Ni(14C):生成C-14的活化反应i每年产生的14C核子数；
[0018] V水:受到活化的水体积，取V水=1. IV水G??，cm3，V水代表堆芯活性区水体积，根 据核电厂的设计参数选取；
[0019] Σ i:产生C-14的活化反应i对应的宏观中子反应截面，cnf1;
[0020] Φ水:堆芯冷却剂即水中平均中子注量率，η · · cnf2;
[0021] f:功率负荷因子，根据核电厂的设计参数选取；
[0022] k:机组运行时间，根据核电厂的设计参数选取。
[0023] 进一步，产生C-14的反应是指反应堆主冷却剂中由于0-17和N-14受中子活化，即 170(n，a)14C和14N(n，p)14C的反应;根据反应堆冷却剂中0-17的天然含量确定 170(n，a)14C的 生成量，根据由核反应堆运行过程中含氮化学药剂添加量推算的反应堆冷却剂中N-14的含 量确定14N(n，p) 14C的生成量，从而确定N(14C)的值。
[0024] 进一步，以多群格式描述生成170(n，a)14C和14N(n，p) 14C的这两种反应的宏观中子 反应截面Σ:*别记为和EN-14(g)，计算方法如下：
[0025] 首先读取最新的ENDF/B基础核数据库，按照精细多群结构筛选出相关反应的微观 截面数据，分别经过多普勒展开、释热截面计算、自屏蔽截面计算、热群散射截面计算过程， 获得精细多群微观截面数据，再通过能群合并获得与bugle-96群结构相同的多群微观中子 活化反应吸收截面数据〇 Q-17(g)或〇N-14(g)，然后分别乘以反应堆冷却剂中0-17或N-14的核 子密度，从而获得两种反应的宏观中子反应截面E〇-17(g)及ZN-14(g)。
[0026]进一步，以多群格式描述堆芯冷却剂即水中的平均中子注量率Φ水，表示为Φ水 (g)，Φ7_Κ(8)的计算方法如下：
[0027] 首先根据堆芯核设计特征以及反应堆功率水平计算堆芯活性区域的中子总注量 率Φ?§Κ，再由蒙特卡罗原理计算反应堆冷却剂中随能量变化的中子注量率分布，从而得到 反应堆冷却剂中随能量变化的中子注量率与所有材料和所有能量的中子总注量率的比值， 即相对中子注量率分布f水(g)，进而得到堆芯冷却剂即水中的平均中子注量率Φ水(g) = Φ職 Xf水(g) 〇
[0028] 本发明提供的计算方法只考虑对C-14环境排放有直接贡献的途径和反应，针对性 强；主冷却剂中的N-14浓度根据已运行核电厂的含氮化学药剂实际添加量确定，比较符合 实际情况，最终根据已运行电厂的实测排放量来分配气、液态排放量的比例，合理性强。
【具体实施方式】
[0029]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步描述。
[0030]本发明提供的一种压水堆核电厂C-14排放源项的计算方法主要包括以下步骤： [0031] (1)根据压水堆核电厂中C-14的产生和排放途径，计算核电厂每年C-14总排放量；
[0032] (2)根据已运行核电厂的气、液态C-14排放量的实测数据，按照统计规律将步骤 (1)得到的c-14总排放量分配为气态C-14排放量和液态C-14排放量。
[0033]实际上，压水堆核电厂中C-14有多种产生途径，包括核燃料的三元裂变，N-14、0_ 17等核素的中子活化等。核燃料中三元裂变产生的c-l4，以及核燃料、结构材料中的N-14、 0-17等核素活化产生的C-14几乎不会扩散到反应堆主冷却剂中，不会对核电厂的C-14环境 排放构成贡献，因此本方法只考虑主冷却剂中的核素由于中子活化产生的C-14。
[0034] 为便于计算，本发明的步骤（1)中，将运行周期为一年的反应堆主冷却剂受中子活 化产生的C-14总量视为核电厂每年C-14总排放量，以每年产生的C-14的活度A( 14C)衡量核 电厂每年C-14总排放量，对于压水堆，由式②计算每个活化反应产生的C-14的活度Ai(14C)， 由式①计算A( 14C):
[0035] A(14C)=Ai(14C)+A2(14C)+...+Ai( 14C)，i = l，2,…… ①；
[0036] Ai(14C) =λ · Ni(14C) =λ · % · Σ? · Φ水· f · k ②；
[0037] 式①中，
[0038] A(14C):每年产生的C-14活度，Bq;
[0039] Ai(14C):活化反应i产生的C-14的活度，Bq;
[0040] 式②中，
[0041] 人:〇14的衰变常数，8一1;
[0042] Ni(14C):生成C-14的活化反应i每年产生的14C核子数；
[0043] V水:受到活化的水体积，取V水=1. IV水(活|妪)，〇113，￥水(活腿：)代表堆芯活性区水体积，根 据核电厂的设计参数选取；
[0044] Σ i:产生C-14的活化反应i对应的宏观中子反应截面，cnf1;
[0045] Φ水:堆芯冷却剂即水平均中子注量率，η · · cnf2;
[0046] f:功率负荷因子，根据核电厂的设计参数选取；
[0047] k:机组运行时间，根据核电厂的设计参数选取。
[0048] 关于式①、②中各参数的计算或选取方法，以下简要说明。
[0049] 关于 N(14C):
[0050] 在反应堆运行周期内，生成C-14的反应主要是指反应堆主冷却剂中0-17和N-14受 中子活化，即 17〇(n，a)14C和14N(n，p)14C反应。可根据反应堆冷却剂中0-17的天然含量确定 170(n，a)14C的生成量，并可根据核反应堆运行过程中含氮化学药剂添加量推算N-14含量再 确定 14N(n，p)14C的生成量，从而可确定式①中N(14C)的值。
[0051] 关于 Σ?:
[0052] 以多群格式描述生成170(n，a)14C和14N(n，p)14C的这两种反应的宏观中子反应截面 别记为Σο-n(g)和Σν- 14(g)，计算方法如下：
[0053]首先读取最新的ENDF/B基础核数据库，按照精细多群结构筛选出相关反应的微观 截面数据，分别经过多普勒展开、释热截面计算、自屏蔽截面计算、热群散射截面计算过程， 获得精细多群微观截面数据，再通过能群合并获得与bugle-96群结构相同的多群微观中子 活化反应吸收截面数据〇 Q-17(g)或〇N-14(g)，然后分别乘以反应堆冷却剂中0-17或N-14的核 子密度，从而获得两种反应的宏观中子反应截面E〇-17(g)及ZN-14(g)。
[0054] 上述Eo-n(g)和EN-14(g)的计算方法可参考以下文献：
[0055] uThe NJOY Nuclear Data Processing System，> ,Version 2012,D.ff.Muir,R.M Boicourt,A.C.Kahler.Los Alarmos National Laboratory.LA-UR-12-27079〇
[0056] 关于堆芯冷却剂即水中平均中子注量率Φ水：
[0057]以多群格式描述堆芯冷却剂即水中的平均中子注量率Φ水，表示为Φ水(g)，?水(g) 的计算方法如下：
[0058] 首先根据堆芯核设计特征以及反应堆功率水平计算堆芯活性区域的中子总注量 率Φ?§Κ，再由蒙特卡罗原理计算反应堆冷却剂中随能量变化的中子注量率分布，从而得到 反应堆冷却剂中随能量变化的中子注量率与所有材料和所有能量的中子总注量率的比值， 即相对中子注量率分布f水(g)，进而得到堆芯冷却剂即水中的平均中子注量率Φ水(g) = Φ職 Xf水(g) 〇
[0059] 其中，所有材料和所有能量的中子总注量率是根据堆芯核设计特征和反应堆功率 计算的，是由反应堆物理专业提供的，与其他电厂设计参数一样，属于C-14源项计算的上游 输入参数。
[0060] 实施例
[0061] 第一步:计算核电厂每年c-14总排放量。
[0062] C-14排放源项主要是反应堆主冷却剂中0-17和N-14受中子活化产生的170(η，α) 14C和14N(n，p)14C，以下结合式①、②计算运行周期为一年的反应堆产生的C-14的活度A (14C)，即为核电厂每年C-14总排放量。
[0063]对于某压水堆核电厂，计算上述C-14排放源项A(14C)所使用的参数如下：
[0064] C-14的衰变常数λ:3·8359 X 10-12s-1(物理常量）；
[0065]受活化的冷却剂体积V水:1.43 X 107cm3(根据电厂设计参数计算）；
[0066] 功率负荷因子f: 100 % (电厂设计参数）；
[0067] 机组运行时间k: 2.33 X 107s (270天，电厂设计参数）；
[0068] 冷却剂中0-17核子密度:9.13 X 1018/cm3(根据电厂设计参数计算）；
[0069] 冷却剂中N-14核子密度:3.71\1017/〇113(根据运行电厂经验数据计算）；
[0070] 宏观中子反应截面Zo-i7(g)和ZN-I4(g)的计算过程如前所述，采用bugle-96能群 结构，表1给出了部分能群的生成C-14即 170(n，a)14C和14N(n，p)14C的宏观中子活化反应截面 数据；
[0071] 冷却剂即水中的平均中子注量率Φ水，计算过程如前所述，采用bugle-96能群结 构。表2给出了部分能群的反应堆冷却剂中的平均中子注量率数据。
[0072]表1生成C-14的中子活化反应截面数据
[0073]
[0074] 表2反应堆冷却剂中的平均中子注量率
[0076] 以表1、表2中的第1个能群为例，该能群由0-17活化产生的C-14活度为：
[0077] Ai(14C) =λ*ν水* Σ (1)* φ水（l)*f*k
[0078] = 3.8359 X 10-12 X 1.43 X ΙΟ7 X 1.44 X 104 X 5.7875 X 109
[0079] X100% X2.3328X 107=1.84X 107Bq
[0080] 对所有能群按上式计算，将得到的仏(14〇相加，即得到170(n，a)14C反应的总C-14 产生量；用同样的办法计算 14N(n，p)14C反应的总C-14产生量。0-17和N-14反应的C-14产生 量之和即该核电厂的总C-14产生量。
[0081 ]第二步:分析气态c-14排放量和液态C-14排放量。
[0082]假设该核电厂C-14总产生量为200GBq，分析大量运行电厂的气、液态C-14排放量 数据，若已运行核电厂的气、液C-14态排放量实测数据平均值的比例为9:1，则该核电厂气 态和液态C-14排放源项分别为180GBq和20GBq。
[0083]上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的 特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看 均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求 的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
【主权项】
1. 一种压水堆核电厂C-14排放源项的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括以下 步骤： (1) 根据压水堆核电厂中C-14的产生和排放途径，计算核电厂每年C-14总排放量； (2) 根据已运行核电厂的气、液态C-14排放量的实测数据，按照统计规律将步骤（1)得 到的C-14总排放量分配为气态C-14排放量和液态C-14排放量。2. 根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，步骤(1)中，将运行周期为一年的反应 堆主冷却剂受中子活化产生的C-14总量视为核电厂每年C-14总排放量，以每年产生的C-14 的活度A( 14C)衡量核电厂每年C-14总排放量，对于压水堆，由式②计算每个活化反应产生的 C-14的活度Ai(14C)，由式①计算A(14C): …+Ai(14C)，i = l，2,…… ①； Α"14〇=λ · Ν?(14〇=λ · V水· Σ? · Φ水· f · k ②； 式①中， A(14C):每年产生的C-14活度，Bq; Ai(14C):活化反应i产生的C-14的活度，Bq; 式②中， λ:(Μ4的衰变常数，?Γ1; Ni(14C):生成C-14的活化反应i每年产生的14C核子数； V/Jc:受到活化的水体积，取V水=1. lVxRffi??，cm3，VxRffi??代表堆芯活性区水体积，根据核 电厂的设计参数选取； Σ i:产生C-14的活化反应i对应的宏观中子反应截面，cnf1; Φ水:堆芯冷却剂即水中的平均中子注量率，η · · cnf2; f:功率负荷因子，根据核电厂的设计参数选取； k:机组运行时间，根据核电厂的设计参数选取。3. 根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，产生C-14的反应是指反应堆主冷却剂 中由于0-17和N-14受中子活化，即 170(n，a)14C和14N(n，p)14C的反应;根据反应堆冷却剂中0-17的天然含量确定 170(n，a)14C的生成量，根据由核反应堆运行过程中含氮化学药剂添加量 推算的反应堆冷却剂中N-14的含量确定 14N(n，p)14C的生成量，从而确定N(14C)的值。4. 根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，以多群格式描述生成170(n，a)14C和 14N (n，p)14C的这两种反应的宏观中子反应截面别记为Eo-Wg)和EN-14(g)，计算方法如 下： 首先读取最新的ENDF/B基础核数据库，按照精细多群结构筛选出相关反应的微观截面 数据，分别经过多普勒展开、释热截面计算、自屏蔽截面计算、热群散射截面计算过程，获得 精细多群微观截面数据，再通过能群合并获得与bugle-96群结构相同的多群微观中子活化 反应吸收截面数据oo-Wg)或〇 N-14(g)，然后分别乘以反应堆冷却剂中0-17或N-14的核子密 度，从而获得两种反应的宏观中子反应截面E〇-17(g)及ZN-14(g)。5. 根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，以多群格式描述堆芯冷却剂即水中的 平均中子注量率Φ水，表示为Φ水(g)，Φ水(g)的计算方法如下： 首先根据堆芯核设计特征以及反应堆功率水平计算堆芯活性区域的中子总注量率 Φ?§κ，再由蒙特卡罗原理计算反应堆冷却剂中随能量变化的中子注量率分布，从而得到反 应堆冷却剂中随能量变化的中子注量率与所有材料和所有能量的中子总注量率的比值，即 相对中子注量率分布f水(g)，进而得到堆芯冷却剂即水中的平均中子注量率Φ水(g) = Φ?§κ Xf/x(g)〇
【文档编号】G06F19/00GK106096271SQ201610409400
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】杨德锋, 米爱军, 张普忠, 王晓霞, 高桂玲, 邱林, 毛亚蔚
【申请人】中国核电工程有限公司