1E级设备γ辐照鉴定技术研究

刘吉珍，龚随军，王 旭，洪永侠，程 瑛，漆明森，陈嘉浪，刘献忠，许 荩

（中国核动力研究设计院，四川成都 610005）

1E级设备γ辐照鉴定技术研究

刘吉珍，龚随军，王 旭，洪永侠，程 瑛，漆明森，陈嘉浪，刘献忠，许 荩

（中国核动力研究设计院，四川成都 610005）

本文介绍了沉箱式堆照钴靶辐照装置及核级设备辐照试验的剂量特性要求。采用建立辐射场空间剂量率计算模型、编制计算程序的方法，对堆照钴靶辐射场装载方案进行了设计；采用化学剂量计多点测量的方法，测定了装载后辐射场的剂量率分布；通过对辐射场空间分布特性的分析，确定了辐照样品的摆放位置及其对应的辐照剂量率；最后给出了总辐照剂量的主要影响因素及评估方法。结果表明，在辐照装置的全尺寸空间范围内，剂量率分布均在0．14～0．42Gy·s－1范围内，且最大有效辐照空间可达1 200mm×1 200mm×1 000mm，各项指标均满足1E级设备辐照鉴定试验的要求。

堆照钴靶辐射场；1E级设备；辐照鉴定试验

随着我国新核电站项目不断立项和建设及核电设备的大量国产化，大幅提高核级设备国产化程度已成为国家产业政策的要求。在国产化的进程中，核级设备鉴定是核心环节之一，是新建核电站核级设备国产化的关键，也是解决在役核电站核级设备更换问题的基础，而辐照鉴定试验是核级设备鉴定项目中的重要项目之一。

1E级设备［1］是与核安全相关的电气类设备，主要指安装在安全壳内要求在正常工况或事故工况下完成预定安全功能的设备。按相关核安全法规和保证核电站安全运行的要求，核级设备必须进行辐照鉴定试验。核级设备辐照鉴定旨在模拟设备实际运行环境的基础上，通过适当提高辐照剂量率加速设备的辐照老化过程，以检验设备在整个寿期内的耐辐照性能。本文以中国核动力研究设计院建立的大型沉箱式辐照装置为对象，从钴靶的装载设计、辐射场空间剂量率分布测试及辐照剂量确定3个方面阐述1E级设备辐照鉴定试验中的剂量保证工作。

1 试验装置简介

1E级设备辐照鉴定的试验装置为沉箱式辐照装置，它以堆照钴靶为辐射元件，主要由辐照箱体、箱体外挂元件座组件及吊装支撑平台等组成。其中，辐照箱体是由不锈钢板焊接而成的密闭型长方体结构，用于承载待辐照样品，可容纳的最大辐照样品尺寸为1 200mm× 1 200mm×1 200mm，辐照箱体四周均匀焊接60个上下对称错位的元件座组件，用于承载堆照钴靶元件，从而在箱体内产生辐射场。整个箱体采用倒扣盖结构，通过吊车装置使辐照装置进出保存水池，进行辐照试验。

2 辐照鉴定试验的技术条件

辐照鉴定试验的技术条件主要是指试验时设备所处的剂量学条件和环境性条件，它是剂量保证的基础和目标。鉴于国内核级设备辐照鉴定还缺乏相应的试验规范，相应指标要求主要借鉴法国RCC－E标准［2］，本文直接引用其规定的核级设备辐照鉴定试验的技术条件（表1）。

表1 核级设备辐照鉴定试验的剂量学条件Table 1 Dosimetry specification of nuclear equipment irradiation identification test

3 辐射场装载方案设计

辐射场的装载方案设计主要解决辐照空间剂量率分布的均匀性问题，鉴于最大化利用辐照装置，即在1 200mm×12 00mm×1 200mm三维空间内保证剂量率在（0．28±0．14）Gy·s－1范围内，因此在辐射场装载时需对十几根钴靶进行合理布置。本工作采用理论计算结合测量验证的方法来实现高效准确的辐射场设计。

利用测量得到的钴靶活度轴向分布数据，运用数值计算方法建立辐射场剂量率分布模型，编制计算程序，计算并确定初步的装载方案，最终通过实际测量对装载方案进行修正和完善。

3．1 辐射场计算程序

1）钴靶活度轴向分布模型的建立

图1为水下测量装置示意图。利用水下测量装置对钴靶的轴向分段放射性活度进行测量，经数据分析和曲线拟合，得到图2所示的轴向活度分布曲线。堆照钴靶的特点有：（1）堆照钴靶活性区长度仅1m；（2）具有单一的放射性核素60Co，有固定的半衰期；（3）钴靶活度跨度较大（3．7×1013～3．7×1014Bq），但轴向活度分布规律与活度大小无关，呈规律性的下鼓包状。

图1 水下测量装置示意图Fig．1 Scheme of underwater measuring equipment

图2 堆照钴靶轴向活度分布Fig．2 Axial activity distribution of reactor irradiated cobalt target

2）辐射场剂量率计算原理

由于钴靶细长，可近似为线状源，依据点源积分的计算原理［3］，建立钴靶的辐照计算模型。通过将装载的所有钴靶对空间某点的辐射贡献进行综合，进而得到辐射场中任一点处的总空气比释动能率。此外，还需考虑辐照装置的反散射和钢板吸收等因素，最终得到辐射场空间剂量率计算模型为：

其中：Ai为编号为i的钴靶总活度，Bq；α为钴靶活度衰减修正因子；f（x）为钴靶轴向x处活度份额，%；β（x）为钴靶轴向x处的吸收和散射修正因子；Гk为60Co的空气比释动能率常数，Gy·m2·Bq－1·s－1；r为测量点到源棒的垂直距离，m。

3）计算程序的建立

依据上述计算模型，设计开发计算程序，实现钴靶的模拟装载和不同装载方案下辐射场空间剂量率分布的自动计算。在保证辐照剂量率准确的基础上，大幅提高辐射场装载的效率。

3．2 辐射场装载方案的确立

根据上述钴靶活度轴向分布的特点，在堆照钴靶布置时，可将钴靶在水平方向均匀布置，垂直方向上下交错布置，以满足辐照鉴定时辐射场空间剂量特性要求。依据设计的计算程序，并充分考虑现有的钴靶资源，设计计算1E级设备辐照鉴定试验的最佳装载方案，最佳装载如图3所示，其装载情况列于表2。

图3 辐射场最佳装载Fig．3 The best loading of radiation field

表2 最佳装载方案装载情况Table 2 Form of the best loading mode

4 辐射场剂量率的确定

依据上述装载方案进行辐射场实际装载，并对辐射场空间剂量率进行实际测量，从而对剂量率空间分布的特性进行分析。

4．1 辐射场的测量

由于化学剂量计［4－5］具有稳定性好、可分布多点测量及可测量剂量率较高等优点，本工作选用重铬酸钾（银）剂量计进行辐射场测量。为了解待辐照设备所在空间剂量率的分布情况，将重铬酸钾（银）剂量计布置于辐射场空间中各待测点处。

同时，为保证测量结果的准确可靠，测量点间距应不大于200mm。根据辐照装置的结构和尺寸，设计加工辐射场测量的剂量计定位支架，如图4所示。它由轻质材料（1mm厚的铝）加工制成，共6层，每层间隔200mm，每层设置49个测量点，彼此间隔200mm，按横向A～G、纵向1～7的规则进行标记，由此形成的测量空间为1 200mm×1 200mm×1 000mm，其俯视图如图5所示。

图4 剂量计定位支架示意图Fig．4 Scheme of positioning bracket drawing for dosimeter

图5 剂量计定位支架俯视图Fig．5 Top view of positioning bracket drawing for dosimeter

实际测量中，将重铬酸钾（银）剂量计编号（与定位支架孔标记一致）后置于工作模体内，工作模体（图6）置于定位支架的定位孔中。工作模体为有机玻璃，几何尺寸为φ26mm× 70mm，内孔尺寸为φ14mm×65mm，其测量结果列于表3。

图6 工作模体示意图Fig．6 Scheme of drawing for phantom

表3 辐射场空间剂量率分布测量结果Table 3 Measuring result of dose rate for radiation field

续表3

由表3可看出，在1 200mm×1 200mm× 1 000mm的测量空间内，除极少边缘点外，剂量率均满足辐射场（0．28±0．14）Gy·s－1的要求，辐射场的空间不均匀度（空间剂量率的最大与最小值之比）小于3，辐照剂量率控制水平满足鉴定试验的要求。因此，只要保证有效辐照区域避开钴靶装载位，即可有效地保证辐射场剂量率分布满足辐照鉴定试验技术条件的要求。

4．2 辐射场空间剂量率分布特性

1）剂量率层特性分析

辐照产品中剂量率的分布及其不均匀度是辐照鉴定试验中的重要指标［6］，表4列出上述试验测量结果中每层剂量率的平均值及不均匀度（层不均匀度指每一测量层中剂量率最大值与最小值之比）。由表4可看出，在测量空间内，辐射场的层不均匀度小于2，剂量率层平均值在10．2～17．4Gy·min－1之间，均满足要求。

表4 剂量率层平均值及其不均匀度Table 4 Average value and uniformity of layer dose rate

2）不同尺寸辐照样品空间位置摆放的选择

为适应不同尺寸的辐照设备对辐射场空间特性的需求，分别选取支架3～5层的中间区域测量点“D3，D4，D5”、“C3，C4，C5”、“E3，E4，E5”，由此形成400mm×400mm×400mm小区域，每层剂量率的平均值及不均匀度列于表5。

表5 3～5层剂量率层平均值及不均匀度Table 5 Average value and uniformity of layer dose rates for 3－5layers

依此类推，选取2～5层的中间区域测量点“D2，D3，D4，D5”、“C2，C3，C4，C5”、“E2，E3，E4，E5”、“F2，F3，F4，F5”，由此形成600mm× 600mm×600mm小区域，每层剂量率的平均值及不均匀度列于表6。

表6 2～5层剂量率层平均值及其不均匀度Table 6 Average value and uniformity of layer dose rates for 2－5layers

可看出，待辐照设备的尺寸越小，其辐照区域所占空间场剂量率分布的不均匀度越小，远好于标准要求中规定的不均匀度。因此，对于不同尺寸的待辐照设备，可依此选择合适的辐照区域，进而可改善辐照区域的剂量率分布不均匀度，大幅提高1E级设备辐照鉴定试验质量。

4．3 辐射场剂量率

由于样品辐照是区域性辐照，不能通过选取一点的剂量率数据作为辐射场空间剂量率，通常选取其辐照区域所有测量点剂量率的平均值作为辐射场空间剂量率。以上述试验数据为例，该试验辐射场全空间剂量率为14．0Gy· min－1，而在400mm×400mm×400mm和600mm×600mm×600mm的中间小区域内，辐射场的剂量率分别为15．9Gy·min－1和14．3Gy·min－1。

5 辐照剂量的确定

辐照剂量应由设备的使用环境和使用寿命确定。依据技术条件确定的正常工况下的辐照剂量为250kGy，事故模拟下的辐照剂量为600kGy。在实际辐照试验过程中，样品受到的总辐照剂量主要通过钴靶满载情况下辐照时间的累积来实现，同时需考虑附加剂量的影响。

5．1 辐照时间

核级设备辐照考验要求的辐照剂量较高，导致辐照试验运行时间较长，而钴靶的活度会随时间衰减，即辐照剂量率会随时间衰减。因此，在整个辐照鉴定试验期间，剂量率并非定值，其中钴源放射性活度衰变对辐照剂量的影响是不可忽视的因素。由于辐射元件为单一核素，辐照时间可由式（2）确定：

5．2 附加剂量

附加剂量是指除正常辐照外的额外辐照剂量，本文主要指钴靶装卸期间所引入的辐照剂量。实际辐照试验中，元件的装卸载是依靠人工借助钴靶提取工具在保存水池中进行的，因此钴靶的装卸时间较长。图7为考虑元件装卸载情况的辐照剂量率的变化，图中t1－t10及t20－t2为钴靶装卸载时间，t2－t1为钴靶满载时的运行时间。

图7 辐照剂量率的变化Fig．7 Dose rate change through irradiation process

当样品辐照剂量较大，钴靶满载的运行时间远大于钴靶装卸时间时，附加剂量远小于辐照剂量，附加剂量的影响可忽略。而当样品辐照剂量不太大时，附加剂量影响不可忽略，此时，钴靶的装卸载可依据先装先卸的原则（此时可认为装载和卸载引入的附加剂量一致），引入的附加剂量可按式（3）近似计算。

5．3 样品总辐照剂量

在核级设备辐照鉴定的整个过程中，样品实际辐照剂量主要包括满载辐照剂量和附加剂量两部分。由此，样品的总辐照剂量为：

6 结论

本文从辐射场的装载设计、辐射场空间剂量率的确定及辐照剂量的确定3个方面对1E级设备辐照试验的剂量保证工作进行了详述。经试验验证，达到了如下的效果。

1）辐照装置的全尺寸空间剂量率分布均在（0．28±0．14）Gy·s－1范围内，满足1E级设备辐照鉴定试验的要求，且最大有效辐照空间可达1 200mm×1 200mm×1 000mm。

2）辐照装置的剂量率分布的不均匀度小于3，且随着辐照样品尺寸的减少，可依据辐照空间位置的选择，使不均匀性得到较大幅度的改善。

3）计算结合测量的辐射场装载设计方法，较大地提高了辐射场确立的效率，通过外挂靶件的增减，可方便高效地实现辐射场剂量率的调整。

［1］ 全国核仪器仪表标准化技术委员会．GB／T 15474—2010 核电厂安全重要仪表和控制功能分类［S］．北京：中国标准出版社，2011．

［2］ French Association．RCC－E—2005 Design and construction rules for electrical components of nuclear islands［S］．［S．l．］：［s．n．］，2005．

［3］ 马崇智．放射性同位素手册［M］．北京：科学出版社，1979．

［4］ 叶宏生，陈云东，张桂芹，等．重铬酸钾（银）剂量计［J］．原子能科学技术，1994，28（3）：284－288．

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LI Jingyun，GUO Wen，CHEN Yundong，et al．Absorbed dose determination of60Co gamma rays in water［J］．Chinese Journal of Radiological Medicine and Protection，1994，14（5）：334－335（in Chinese）．

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WANG Jianyun，CHEN Yu．Dose assurance of unloading components irradiation field in the radiation processing［J］．Atomic Energy Science and Technology，1994，28（3）：252－254（in Chinese）．

Research ofγIrradiation Identification Technology for 1E Grade Equipment

LIU Ji－zhen，GONG Sui－jun，WANG Xu，HONG Yong－xia，CHENG Ying，QI Ming－sen，CHEN Jia－lang，LIU Xian－zhong，XU Jin
（Nuclear Power Institute of China，Chengdu610005，China）

An irradiation facility with the type of sinkbox using cobalt target as its irradiation source and the requirement for the dose characteristics of 1Egrade equipment irradiation test were introduced in this paper．The proper layout of reactor irradiated cobalt target was designed by the calculation program of dose rate distribution of radiation field，and the method of chemical dosimeter multi－point measurement was used to determine the dose rate distribution of the radiation field．The located place and irradiation dose rate of the irradiation sample were determined through the analysis of the spatial distribution of the irradiation field．Finally，the main factor and the assessment method of the total irradiation dose were provided．The results show that the performance of designed radiation field meets the requirement for the irradiation test within the full－size spacial scale，which is controlled within the range from 0．14Gy／s to 0．42Gy／s，and the maximum effective irradiation space is up to 1 200mm×1 200mm×1 000mm．

reactor irradiated cobalt target radiation field；1Egrade equipment；irradiation identification test

TL99

：A

：1000－6931（2015）03－0560－07

10．7538／yzk．2015．49．03．0560

2013－12－13；

2014－05－10

刘吉珍（1982—），女，吉林长春人，助理研究员，硕士，粒子物理与原子核物理专业