一种反应堆退役三维辐射场仿真方法及系统与流程

本发明涉及辐射防护领域，具体地，涉及一种反应堆退役三维辐射场仿真方法及系统。

背景技术：

我国陆续有大量的压水堆核电站反应堆面临退役，反应堆退役过程中的辐射场是影响退役策略的重要指标。由于反应堆退役过程中的放射性物项繁多，不仅包括活化部件如堆内构件、压力容器等，还包括结构和布置复杂的污染部件如主管道、蒸汽发生器、稳压器、主泵等，目前还没有一种反应堆退役三维辐射场仿真技术能准确的实现针对真实反应堆退役环境的辐射场仿真。

技术实现要素：

由于退役过程中人员受照剂量是由辐射场决定的，为了准确对反应堆的辐射场进行仿真，评价人员的退役工作环境下的辐射安全，本申请开展基于某动力堆对真实反应堆退役环境的辐射场仿真，能全面的计算得到退役环境中三维空间各点的辐射水平，并能动态显示。

本发明的目的在于研究反应堆退役过程中各个放射性物项的辐射水平计算方法，建立反应堆活化部件、污染部件的三维空间的辐射场计算方法，建立基于真实反应堆退役场景的三维辐射场仿真方法，实现反应堆退役过程中的三维空间的辐射场动态显示。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种反应堆退役三维辐射场仿真方法，所述方法包括：

步骤1：利用源项计算方法结合实际源项调查数据，形成各放射性设备准确的源项；

步骤2：基于各放射性设备的尺寸、位置、材质、源项建立后台数据库；

步骤3：依据考虑屏蔽效果的点核积分的辐射水平计算方法，建立每种标准源的辐射水平计算的数学模型；

步骤4：将数学模型计算的所有放射性设备辐射水平，利用多线程的编程方法，编制退役环境下的空间辐射场，并将空间辐射水平所形成的辐射场自动写入后台数据库；

步骤5：随着退役过程中放射性设备的动态拆除，将已拆除设备的屏蔽效果与辐射水平从后台数据库中去除；

步骤6：将数据库中所有网格点的辐射水平利用图形算法，将空间辐射水平可视化。

进一步的，所述步骤1具体包括：

利用蒙特卡洛程序(mcnp)计算中子活化部件在满功率下的中子注量率，采用origen2程序计算活化部件的源项；污染部件的内外表面污染分别通过实测数据以及建立不同模型，应用点核积分程序(qad)程序计算污染部件的源项。

进一步的，源项计算分析的流程具体包括：

(1)活化部件源项计算流程

1)确定燃料组件中芯体的初始铀装量和燃料富集度；

2)确定堆芯布置、燃料组件的材料成分、密度、结构以及可燃毒物管、控制棒、中子源的材料成分、密度、结构等参数，利用蒙特卡洛程序(mcnp)对堆芯建模；

3)确定堆内构件、压力容器组件、控制棒驱动机构、支撑与一次屏蔽构件、物理测量孔道的结构尺寸、材料成分、密度等参数，利用蒙特卡洛程序(mcnp)在堆芯模型的基础上，建立中子活化部件模型；

4)运行蒙特卡洛程序(mcnp)，计算得到各个中子活化部件的中子注量率；

5)以中子注量率作为输入参数，结合功率运行史和各中子活化部件的材料成分，利用origen2程序计算得到各活化部件源项，并通过切割刮拭取样能谱测量方法对活化部件源项进行验证。

(2)表面污染部件源项计算流程：

1)对外表面污染，通过对有代表性的表面进行取样测量，以点代面对外表面污染源项进行计算；

2)对内表面污染，根据污染部件表面辐射水平反推内表面污染源项，具体过程如下：

ⅰ、确定各个污染部件的形状和尺寸等参数，建立不同标准源计算模型；

ⅱ、拟定表面污染部件辐射水平测量位置，测量各部件指定位置的表面辐射水平；

ⅲ、将各污染部件表面辐射水平带入不同标准源计算模型，反推各表面污染部件源项。

进一步的，应用点核积分算法将各个源项设备根据复杂的自身形状简化为点源或柱状源或线状源或盘状源，并考虑设备的自吸收，建立每种标准源的辐射水平计算的数学模型。

进一步的，对反应堆内的放射性设备模型均设置10个属性，分别为设备id，形状，尺寸，壳厚，中心点坐标，方向矢量，材料牌号，材料密度，源项，其它，并建立后台数据库。

进一步的，点核积分算法考虑设备的自吸收、周围屏蔽设备的屏蔽减弱，计算得到空间任意区域的辐射水平；各个源项设备根据自身形状采取不同的离散公式对源项进行等值离散，建立等活度源点与计算点之间的空间直线方程，判断直线与周围设备表面方程是否相交来判断是否考虑该设备的屏蔽；若相交，则求得两交点距离作为屏蔽厚度；联立直线方程与自身设备表面方程来求得自身设备的屏蔽厚度。

进一步的，空间任意区域的辐射水平计算流程为：

(1)依据各个源项设备自身形状，采取不同的离散公式对源项进行等值离散，建立等活度源点i与计算点之间的空间直线方程；

(2)判断空间直线与周围设备表面方程是否相交来决定是否考虑该设备的屏蔽。若相交，则求得两交点距离作为屏蔽厚度；

(3)联立直线方程与自身设备表面方程来求得自身设备的屏蔽厚度；

(4)查询各个材料的线减弱系数数据(详见《γ射线屏蔽参数手册》)得到该屏蔽材料中的某一特定能量下的线减弱系数，从而计算γ射线穿过某一设备的光学距离；

(5)利用美国核学会标准ans-6.4.3中的copo多项式对某一单一能量的光学距离-积累因子进行拟合，并将设备的光学距离之和代入copo多项式可以得到积累因子；

(6)将等活度源点i的源强值s(i)、积累因子b(i)和等活度源点i的减弱，计算得到注量率；

(7)通过注量率与剂量率转换系数，从而计算得到空间任意区域的辐射水平。进一步的，将拆除的源项设备从后台数据库中删除后，形成拆除后的源项属性数据库，并记录拆除的源项设备id，给剂量场计算模块发出三维场景更新指令；剂量场计算模块接收到指令后，开始执行三维场景更新动作：从三维场景初始化计算的过程文件中删除拆除物项设备id的剂量场贡献，并将更新后的剂量场更新至数据库中，同时返回更新完毕指令。

进一步的，仿真系统的virtools软件读取保存在数据库中的三维辐射场计算结果，并将数据类型转换为自定义的格式，以软件中的可视化模型的方式进行表示，盒子的大小以辐射场计算程序中计算的间隔为准，将盒子的数值映射为颜色信息，所有盒子的叠加形成完整辐射场的三维可视化显示效果。

另一方面，本申请还提供了一种反应堆退役三维辐射场仿真系统，所述系统包括：

后台数据库、辐射场计算模块、辐射场显示模块；后台数控中有设备源项、设备尺寸、形状、材质、密度数据；辐射场计算模块用于实现退役三维空间的辐射水平计算，为退役三维辐射场显示提供数据基础，辐射场计算模块功能包括源设备信息更新、辐射场初始化计算、三维场景更新，其中设备源项数据库用于由于设备的拆除或退役反应堆类型的不同造成的源项设备的更新；辐射场初始化计算用于退役初始阶段，放射性物项均未拆除，整个空间的辐射水平的获取，过程为场初始化计算模块将各个源项属性从数据库中读出，根据属性中的形状参数选取计算方法，使用多线程进行计算；得到空间所有网格点的辐射水平后，原有数据库对应点处写入剂量率值，并给显示程序发出计算完成提示，数据库结果供其调用；三维场景更新用于拆除过程中，放射性物项逐渐减少，随时动态对空间的辐射水平在辐射场显示模块中进行更新。

本申请采用真实的反应堆退役环境进行仿真，仿真对象既包括中子活化设备如堆内构件、压力容器等部件的辐射贡献，也考虑污染部件如蒸汽发生器、稳压器、主泵等部件的辐射贡献，本申请已通过对某动力堆进行了三维辐射场仿真，且仿真结果准确有效。

本申请建立了中子活化部件以及污染部件的源项计算模型以及计算流程。并且采用了点核积分方法计算辐射水平，既考虑反应堆内放射性设备发射γ射线的过程，也考虑了设备对γ射线的屏蔽作用，提高了仿真的准确性；本申请还采用了动态仿真的方法，实现了设备拆除后辐射场景的动态显示；以及采用多线程的编程方法，程序响应时间快。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明建立了一种反应堆退役三维辐射场仿真方法，实现了反应堆退役过程中空间辐射水平的计算与图形显示，已成功用于某动力堆退役实践。

本发明计算准确，不仅适用于压水堆核电站反应堆退役工程中的辐射防护工作，也可用于核电站反应堆检修工程中的辐射防护等，具有良好的使用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是某动力堆设备源项计算分析流程示意图；

图2是辐射水平计算流程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明专利实施的主要流程如下：

1)利用源项计算方法结合实际源项调查数据，形成各个设备准确的源项。

利用蒙特卡洛程序(mcnp)计算中子活化部件件在满功率下的中子注量率，采用origen2程序计算活化部件的源项。污染部件的内外表面污染分别通过实测数据以及建立不同模型，应用点核积分程序(qad)计算污染部件的源项。一种反应堆退役三维辐射场仿真方法基于某动力堆源项计算分析的流程图见图1。

2)依据考虑屏蔽效果的点核积分的辐射水平计算方法，建立每种标准源的辐射水平计算的数学模型。

反应堆内放射性设备种类多且形状复杂，因此应用点核积分算法将各个源项设备根据复杂的自身形状简化为点源或柱状源或线状源或盘状源等，并考虑设备的自吸收，建立每种标准源的辐射水平计算的数学模型。

3)将各个设备的尺寸、位置、材质、源项建立后台数据系统。

对反应堆内的放射性设备模型均设置10个属性，分别为“设备id”，“形状”，“尺寸”，“壳厚”，“中心点坐标”，“方向矢量”，“材料牌号”，“材料密度”，“源项”，“其它”，并建立后台数据库。

4)利用多线程的编程方法，编制退役环境下的空间辐射场，并将结果自动写入数据库。

点核积分算法考虑设备的自吸收、周围屏蔽设备的屏蔽减弱，从而计算得到空间任意区域的辐射水平。各个源项设备根据自身形状采取不同的离散公式对源项进行等值离散，建立等活度源点与计算点之间的空间直线方程，判断直线与周围设备表面方程是否相交来判断是否考虑该设备的屏蔽。若相交，则求得两交点距离作为屏蔽厚度；联立直线方程与自身设备表面方程来求得自身设备的屏蔽厚度。其辐射水平计算流程图见图2。

5)将已拆除的物项的屏蔽效果与辐射水平从数据库中去除。

反应堆在退役工程的物项拆除阶段，多个源项设备被拆除，三维仿真场景需要更新。此时三维仿真程序将拆除的源项设备从数据库中删除后，形成拆除后的源项属性数据库，并记录拆除的源项设备id，给剂量场计算模块发出三维场景更新指令。剂量场计算模块接收到指令后，开始执行三维场景更新动作：从三维场景初始化计算的过程文件中删除拆除物项设备id的剂量场贡献，并将更新后的剂量场更新至数据库中，同时返回更新完毕指令。

6)利用图形算法，将空间辐射水平可视化。

仿真系统的virtools软件读取保存在数据库中的三维辐射场计算结果，并将数据类型转换为自定义的格式，以软件中的可视化模型的方式进行表示，盒子的大小以辐射场计算程序中计算的间隔为准，将盒子的数值映射为颜色信息，所有盒子的叠加就形成了完整辐射场的三维可视化显示效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。