一种核临界事故报警系统的布置优化及阈值选取方法与流程

[0001]
本发明涉及一种反应堆外易裂变材料的核临界安全分析技术，具体涉及一种核临界事故报警系统的布置优化及阈值选取方法。


背景技术：

[0002]
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，防止受到核临界事故第一峰之后的辐射照射；同时设施工作人员在报警后按照事故应急响应规程进行核临界事故的测定和缓解，最大程度的降低核临界事故产生的后果。由于第一峰之后的辐射照射仍很大，核临界事故报警系统触发的快速撤离响应对减小操作员的辐照剂量有着重要的作用。
[0003]
我国乏燃料后处理厂的设计中已将核临界事故作为设计基准事故，在乏燃料后处理厂中合理设置核临界事故报警系统，是纵深防御的一个重要组成部分，是我国国家标准的重要安全要求，也是审管当局重点关注的一个安全功能。
[0004]
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。根据gb15146.9《反应堆外易裂变材料的核临界安全核临界事故探测与报警系统的性能及检验要求》，最小临界事故是指：在无屏蔽的条件下，60s内在距反应物体2m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0.2gy。
[0005]
我国已建成的后处理中间试验厂的设计中，限于计算手段限制及设计经验的不足，采取了单设备、一维计算的简化处理，未考虑其他设备及结构材料对临界事故所产生中子或光子的屏蔽作用，可能导致临界事故报警系统所设置的报警阈值偏高，有可能探测不到某些部位的最小临界事故。由于没有进行三维剂量场的分析，不能对临界事故报警系统的布置位置进行优化分析，也不能与厂房正常运行时的剂量场进行细致比较，后处理中间试验厂中布置的临界事故报警系统大多保守的选用了较为昂贵的中子探头。此外，部分临界事故报警系统布置在了不太合理的位置，如热室内部等，实际应用中不方便进行检修及校准。
[0006]
临界事故报警系统布置设计的方法是确保核临界事故报警系统实现及时探测临界事故并触发报警功能的关键，通过合理的布置设计，将其优化布置在合适的位置，并设置合理的报警阈值，不仅使得临界事故报警系统的探测报警功能更为准确、可靠，还可以通过优化布置位置和探头选型节省工程投资、提高经济性。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的在于提供一种具有工程可行性的核临界事故报警系统的布置优化及阈值选取方法，解决临界事故报警系统布置和探头类型优化分析的困难，使之满足我国国家标准和审管当局对临界事故报警系统覆盖性充分论证的要求。
[0008]
本发明的技术方案如下：一种核临界事故报警系统的布置优化及阈值选取方法，
包括：
[0009]
(1)建立核临界事故报警系统的布置分析模型；
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(2)针对建立的模型，进行三维剂量场分布分析；
[0011]
(3)采用等高线图的方法从若干剂量场分布图中优化选取合适的临界事故报警系统布置点位，并确定合适的报警阈值，以确保可以覆盖到每个具有临界事故风险的设备。
[0012]
进一步，如上所述的核临界事故报警系统的布置优化及阈值选取方法，步骤(1)中所述的布置分析模型，包括设备室的各种设备、物料、结构材料及墙体等；设备或结构材料之外的间隙按照正常空气考虑。
[0013]
进一步，如上所述的核临界事故报警系统的布置优化及阈值选取方法，步骤(2)中所述的三维剂量场分布分析，包括分析最小临界事故源项产生的三维剂量场分布，以及分析正常运行源项产生的三维剂量场分布。
[0014]
在分析最小临界事故源项产生的三维剂量场分布时，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；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，在设备的表面一个薄层上设置最小临界事故源项，其他设备或结构材料均按照正常运行工况模拟。
[0015]
在分析正常运行源项产生的三维剂量场分布时，将所有设备的中子或光子放射性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。
[0016]
进一步，如上所述的核临界事故报警系统的布置优化及阈值选取方法，步骤(2)中所述的三维剂量场分布分析，涵盖核临界事故报警系统可能布置位置的所有区域，采用网格计数的方法分别统计中子和光子剂量场率，其中光子剂量分布考虑为光子放射性直接产生的光子剂量与中子放射性产生的二次光子剂量之和。
[0017]
进一步，如上所述的核临界事故报警系统的布置优化及阈值选取方法，步骤(3)中所述的等高线图的方法，是采用各设备最小临界事故剂量场分布的最小值，形成各设备最小临界事故在可能的核临界事故报警系统平面上产生的剂量场分布最小值的等高线图，在等高线图选取探头布置点位使得临界事故报警系统可以覆盖每个可能发生临界事故的设备，同时根据与正常运行源项产生的三维剂量场分布比较，选择合适类型的探头使得核临界事故报警系统报警阈值远高于正常运行的剂量率以避免误报警。
[0018]
更进一步，所述等高线图的具体生成方法是：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网格单元产生的剂量率，选取各剂量率的最小数值作为该网格单元的剂量率数值，从而在整个网格平面上形成具有直观表达形式(例如通过色彩表现剂量率的大小)的等高线图。
[0019]
本发明的有益效果如下：
[0020]
本发明所提供的核临界事故报警系统的布置优化及阈值选取方法，满足了gb15146.9《反应堆外易裂变材料的核临界安全核临界事故探测与报警系统的性能及检验要求》中对临界事故报警系统覆盖性充分论证的要求，采用三维剂量场分析手段，充分考虑临界事故可能发生的点位及相邻设备、结构材料的遮挡、反射，提高了分析精度与可靠性。同时考虑工程应用的可操作性，采用等高线图的分析方法，从众多剂量场分布图中优化选取合适的临界事故报警系统布置点位及合理选取报警阈值，以确保其可以覆盖到每个具有临界事故风险的设备，并可以进一步的对探头进行选型，解决了临界事故报警系统布置和
探头类型优化分析的困难。
附图说明
[0021]
图1为核临界事故报警系统的布置优化及阈值选取流程示意图。
[0022]
图2为不同设备最小临界事故在墙体外产生的中子剂量率分布示例图。
[0023]
图3为某设备室最小临界事故中子剂量率等高线分布示例图。
[0024]
图4为某设备室正常运行下中子剂量率等高线分布示例图。
具体实施方式
[0025]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]
本发明提供的一种核临界事故报警系统的布置优化及阈值选取方法，包括核临界事故报警系统的布置分析模型建立、三维剂量场分布分析、布置优化及阈值选取等计算过程，采用三维剂量场分析手段，综合分析最小临界事故源项和正常运行源项产生的三维剂量场分布，采用等高线图的方法来从众多剂量场分布图中优化选取合适的临界事故报警系统布置点位及合理选取报警阈值，以确保其可以覆盖到每个具有临界事故风险的设备。图1给出了核临界事故报警系统的布置优化及阈值选取流程。
[0027]
核临界事故报警系统的布置分析模型可以采用公知的三维蒙特卡罗程序建立，在建立核临界事故报警系统的布置分析模型时，应尽可能详细的建立设施或设备室的三维模型，特别是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或结构材料。设备或结构材料之外的间隙按照正常空气考虑。
[0028]
在分析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。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。
[0029]
在分析正常运行源项产生的三维剂量场分布时，将所有设备的中子或光子放射性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。
[0030]
在进行三维剂量场分布分析时，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放射性直接产生的光子剂量与中子放射性产生的二次光子剂量之和。网格计数独立于所建立的真实几何模型，将整个模型空间或部分模型空间划分成虚拟的网格，对这些虚拟网格进行剂量率分布的统计计数。
[0031]
图2给出了不同设备最小临界事故在墙体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。
[0032]
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。考虑各设备的三维剂量场分布各异，本发明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。
[0033]
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光子剂量率等高线分布，由该图可以看出，在横向坐标7.2m至12.2m、纵向坐标4.0m至7.0m范围内,中子剂量率可大于7mgy/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临界事故风险的设备。考虑计算模型及蒙特卡罗方法的不确定度(30％)，初步推荐核临界事故报警系统报警阈值设置为4.9mgy/h，该阈值远大于(2倍以上)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
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10-4
mgy/h(见图4所示)，可以排除误报警的可能。
[0034]
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。
[0035]
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gb中探头可靠性、响应速度、干扰排除能力、高辐照水平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。
[0036]
本发明所提供的核临界事故报警系统的布置优化及阈值选取方法，满足了gb15146.9《反应堆外易裂变材料的核临界安全核临界事故探测与报警系统的性能及检验要求》中对对临界事故报警系统覆盖性充分论证的要求，采用三维剂量场分析手段，充分考虑临界事故可能发生的点位及相邻设备、结构材料的遮挡、反射，提高了分析精度与可靠性。同时考虑工程应用的可操作性，采用等高线图的分析方法，从众多剂量场分布图中优化选取合适的临界事故报警系统布置点位及合理选取报警阈值，以确保其可以覆盖到每个具有临界事故风险的设备，并可以进一步的对探头进行选型，解决了临界事故报警系统布置和探头类型优化分析的困难。
[0037]
基于本发明初步应用分析结果表明，乏燃料后处理厂各子项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。
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本发明创新的用等高线图的分析方法，从众多剂量场分布图中优化选取合适的临界事故报警系统布置点位及合理选取报警阈值，以确保其可以覆盖到每个具有临界事故风险的设备，并可以进一步的对探头进行选型，解决了临界事故报警系统布置和探头类型优化分析的困难，而且该技术具有通用性，后续还可应用于大型乏燃料后处理厂等各类反应
堆外操作、贮存易裂变材料的设施的临界安全设计。
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对于本领域技术人员而言，显然本发明方法不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明方法。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明方法的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明方法内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
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此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。