海阳核电厂辐射防护设计优化及效果分析

苟全录,王彩霞,张建年,万灯炜,余小东,王一霖

(山东核电有限公司,山东 烟台 265116)

核电厂的辐射安全历来受到相关国际机构、国家监管部门和营运单位的高度重视,国际原子能机构(IAEA)在其《基本安全原则》[1]中的原则5明确提出:“必须实现防护的最优化,以提供合理可行的最高安全水平。为确定相关辐射风险是否处于可合理达到的尽量低水平,必须采用分级方法预先对正常运行、异常工况或事故工况所造成的所有这类风险进行评定,并在设施和活动整个生命周期内定期重新评估。”国家标准《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB 18871)[2]规定:“辐射防护最优化是辐射防护的重要原则,必须贯穿于实践或设施的选址、设计、运行和退役的全过程。”

良好的辐射防护设计是核电厂降低工作人员职业照射剂量、实现辐射防护最优化管理、确保辐射安全目标的基础。海阳核电一期工程两台机组采用AP1000技术路线,已分别于2018年10月和2019年1月投入商业运行。海阳核电厂的辐射防护设计在采用先进成熟技术的基础上作了大量优化设计,比如采用非能动安全系统来减少设备数量、反应堆压力容器采取一体化顶封头设计、主泵采用免维护屏蔽泵、蒸汽发生器一回路水室采用电解抛光技术、乏燃料转运通道采用水囊屏蔽和一回路注入贫化锌等。通过设计优化来提高设备可靠性,减少维修维护工作量,以降低机组辐射水平和工作人员职业照射剂量,为电厂运行辐射防护最优化管理奠定了良好基础。

1 海阳核电厂辐射防护设计特点

1.1 保证辐射防护最优化设计的管理措施

海阳核电厂辐射防护设计在遵循国际、国内相关设计规范[3-4]要求的同时,综合考虑了放射性设施和系统设备布局、工作场所辐射分区、工作人员个人和公众辐照剂量限制等因素,并考虑我国社会和经济因素的影响加以全面优化。为保证辐射防护最优化要求的落实,在设计过程中采取了如下管理措施:

(1) 规范的设计管理。为规范辐射防护设计,AP1000设计方编制了专门的辐射防护最优化设计管理大纲和程序,对所有参加设计的人员给予培训,保证设计工作有序开展,满足核电厂辐射防护ALARA目标要求。

(2) 有经验的设计人员。尽可能安排有丰富工作经验,且在其他核电厂从事过类似设计或者服务工作的人员参加设计,保证已有的运行经验能反馈到AP1000设计中,尽可能吸收已往良好实践和经验教训。

(3) 严格的设计审查。审查包括由美国电力研究院和电力公司指导委员会及其下属委员会进行的独立评审,以及由上海核工程研究设计院有限公司牵头的国内审查。内容包括:电厂设计和厂房、系统设备的整体布置,与辐射防护相关的屏蔽、通风和辐射监测系统,与实体保卫、通行控制和访问控制相关的设施,含有放射性工艺流体的系统管道走向布置等。保证ALARA管理大纲和程序要求得到落实,所有包含辐射源的系统设备、工艺管道布置合理并得到适当的屏蔽,尽量减少工作人员的照射。

(4) 多方协作落实最优化要求。要达到辐射防护最优化目标,需要电厂设计者(包括设备或系统供货商)、建造商(A/E公司)和电力公司的共同协作。为此设计方编制了AP1000机组 ALARA手册,为电力公司、建造商(A/E公司)和设备或系统设计方提供辐射照射管理信息、技术和指南,包括从运行电厂获得的数据,以便在电厂设计、设备制造、建设到运营的全过程中落实ALARA要求,保证工作人员的职业辐射照射达到合理可行尽量低的水平。

1.2 辐射防护设计优化的总体考虑

辐射防护最优化管理涉及核电厂的整个寿期,因此在核电厂设施和系统布置上,需要综合考虑核电厂正常运行、维护和维修、换料操作和燃料贮存、在役检查和标定、放射性废物处理和处置、其它预期运行事件以及退役等活动的实际需要。为此海阳核电厂的辐射防护设计主要考虑从降低辐射源项,提高设备可靠性,改善维修可达性,以及使用先进技术手段等方面进行了优化。具体列于表1。

表1 辐射防护设计优化总体考虑及主要措施

1.3 辐射防护设计优化措施

1.3.1关键系统设备设计优化

海阳核电厂在机组一回路关键设备和部件的设计和选择上作了大量优化,采用非能动安全系统,极大地减少了含放射性的设备和部件数量,通过设计优化提高设备可靠性、减少设备维护量,有效降低了电厂整体辐射水平和人员在辐射工作区域的时间,为辐射防护最优化管理奠定了良好基础。对主要关键设备的优化措施列于表2。

表2 对主要关键设备的优化措施

1.3.2对关键系统设备部件中钴杂质的限制

海阳核电厂在设计上严格限制反应堆一回路主要设备金属基材中的钴杂质含量,含钴的硬质材料如钨铬钴合金的使用范围也仅局限于有可靠性要求的部件。镍基合金主要用在蒸汽发生器铟科镍材质的传热管中,一般禁止使用锑和其它低熔点金属,禁止在反应堆冷却剂泵及其轴承中使用锑。一回路主要设备部件技术规格书中规定了明确的钴含量限值,列于表3。

表3 反应堆一回路主要设备部件钴杂质限值

另外,在设备部件制造和运行期间,不允许铅、锑、镉、铟、汞和锡等金属及其合金与专设安全设施部件的不锈钢或锆合金零件接触。铅、锑、镉、或铟含量超过1%的合金材质轴承不能与反应堆冷却剂接触。上述措施从源头上减少了腐蚀产物的产生,不但降低了系统设备本身的辐射水平,也减少了总的电厂辐射源项。

1.3.3放射性工艺系统管道及设备布置优化

在满足系统功能和运行控制要求的前提下,海阳核电厂的辐射防护设计中对放射性工艺系统管道及设备,以及与其相关的阀门、仪表和系统所涉及贯穿件等在空间布置上采取优化措施,以减少对工作人员的辐射照射。如将放射性和非放射性系统分开布置,尽可能将放射性系统管线布置在离地面距离较高的位置,将贯穿件上下错位布置;在阀门的选型上,根据其所在系统的潜在放射性水平和使用频度来选择电动、气动或其它远程启动的阀门;将各类监测仪表和装置布置在远离辐射源的低辐射区域。具体优化措施列于表4。

表4 放射性工艺系统管道及设备现场布置优化措施

2 辐射分区优化及源项控制措施

2.1 辐射分区优化

海阳核电厂的设计方提供的辐射分区是根据工作场所的辐射水平按“非常低、低、中等、高和非常高”来划分的,分为10个子区。在此基础上电厂根据GB 18871和HAD 102/12《核动力厂辐射防护设计》相关规定及国内核电厂管理实践提出了优化的管理分区,即工作场所分为非限制区、监督区和控制区。控制区按辐射水平从高到低依次划分为红区、橙区、黄区和绿区四个区域,并提出了不同的管理要求。海阳核电厂的设计分区和管理辐射分区列于表5。

表5 海阳核电厂设计辐射分区和管理分区的关系

2.2 设计上采取的源项控制措施

核电厂停堆换料大修期间的主要辐射源项来源于反应堆一回路系统中的活化腐蚀产物,其对辐射场的贡献高达90%,因此如何有效控制反应堆一回路的水化学环境,减少放射性腐蚀产物的产生就显得尤为重要。与国内已运行核电机组相比,海阳核电厂一回路系统水化学控制主要有两个明显的特点:一是通过向一回路冷却剂系统直接注入高压氢气来控制冷却剂中的氢含量,而不是通过容控箱向一回路注入氢气;二是运行期间连续向一回路冷却剂中注入醋酸锌,以控制一回路系统设备材料的腐蚀,减少放射性腐蚀产物的产生。

(1)一回路溶氢控制

如果反应堆一回路冷却剂系统处于氧化性环境,会加速一回路设备表面腐蚀产物的形成和转移,因此正常运行期间在反应堆一回路中加入一定量的溶解氢,不但可以将一回路氢浓度控制在一个合理的范围以保持还原性环境,减小一回路相关设备材料的腐蚀,降低机组的放射性源项,同时还原性环境还能限制水的辐照分解和氧化。海阳核电厂正常运行期间一回路溶解氢浓度限值控制在25～50 mL/kg,当RCS溶氢低于该限值时,运行人员通过调整加氢速率增加溶解氢的加入量。

(2)一回路pH值调节

将机组一回路的pH值控制在适当范围有利于降低系统设备材料的腐蚀、控制腐蚀产物的迁移和沉积,防止腐蚀产物迁移至堆芯后被活化。过低的pH值会增加堆芯沉积和发生轴向功率偏移的危险性,pH值太高会引起不锈钢、镍基合金特别是燃料包壳的苛性腐蚀[5]。海阳核电厂采取在一回路中添加氢氧化锂的方式来中和硼酸,并将pH值调节至弱碱性,以减少材料的腐蚀速率。在pH值的调节上采用改进型Li-B协调曲线,如图1所示。即在机组启动加热过程中维持4.5 ppm(10-6)的锂浓度,然后沿着pH值7.0进行协调变化,锂浓度达到3.3 ppm 后保持恒定,维持3.3 ppm直到目标pH值7.3,后续锂浓度随着硼浓度协调变化,维持目标pH值7.3,达到目标pH值后允许有0.1 pH值的上下浮动区间。

图1 海阳核电AP1000 机组硼锂协调曲线

(3)反应堆一回路加锌技术

有关资料表明[6],在反应堆一回路中注入Zn时,Zn会扩散进入氧化物晶格并与Co离子竞争氧化腐蚀层中的电子空穴,部分Co发生结构重组,在设备表面形成了新的更加致密和稳定的氧化层,从而降低了进入一回路冷却剂中Co的含量,阻止更多的Co结合进入堆芯外层铬铁矿尖晶石中,减小潜在的腐蚀速率,降低一回路关键设备敏感材料的应力腐蚀开裂,缓解杂质导致的堆芯功率偏移和杂质导致的局部腐蚀,减小电厂的辐射源项和运行期间机组的辐射场大小。海阳核电1、2号机组设计有连续加锌管线,加锌的方式是通过锌添加箱往一回路中连续注入20～5 000 ppm(10-6)的醋酸锌,最大添加速率为0.01 m3/h,锌添加箱中的醋酸锌浓度主要根据系统中锌浓度是否平衡、净化流量和加锌泵流量确定配置。电厂在首次热态功能试验期间就开始加锌,正常运行期间对RCS进行连续加锌,程序规定一回路锌浓度限值小于40 ppb(10-9)。短期(7 d)内无法加锌不会对反应堆冷却剂系统的化学工况及机组辐射场产生有害的影响,但当加锌功能恢复后应增大加锌泵的流量,以弥补暂停加锌期间的锌损耗。

3 辐射防护设计优化措施效果分析

目前世界上仅有4台AP1000机组在运行,由于其设计理念与国内外其他已运行机组不同,积累的运行数据有限,因此对海阳核电厂在辐射防护设计优化措施所取得的实际辐射防护效果的细致深入评价,还有待于通过电厂的后续运行积累大量数据才能开展。为此,本文仅选取目前在国内运行机组中占大多数的M310改进型CPR机组,从大修工作单数量、辐射工作数量、主要检修项目等几方面进行定性比较,并将AP1000机组与其他类型机组十年大修的典型作业集体剂量、以及电厂集体剂量等几个方面进行定性或定量的比较,说明海阳核电厂辐射防护设计优化的实际效果。同时参考相关文献资料对一回路加锌技术所带来的辐射剂量降低效果予以说明。

3.1 海阳核电厂与CPR机组检修项目比较

以海阳核电厂2#机组首次大修HY201与国内某CPR型机组最短首次大修H401为例,从预防性维修工单数量、纠正性维修工单数量、其他工单数、大修总工单数、以及辐射工作数量所占比例等几方面进行比较。可以发现,海阳核电厂HY201大修不论是大修工单总数,还是具体的预防性维修、纠正性维修工单数量,或其他工单数,均明显少于H401。具体如图2所示。

图2 HY201与H401大修工单数及辐射工作数量对比

由图2可以看出,与国内典型CPR型机组首次大修相比,AP1000机组的大修检修项目减少明显,尤其是纠正性维修数量优势更加明显。虽然两次大修的辐射工作数量占大修总工单数的比例较为相近,但总量上AP1000机组的辐射工作数量明显较少,且对集体辐射剂量贡献较大的纠正性维修数量也大幅减少,为缩短大修工期及节省大修集体剂量创造了有利条件。

3.2 海阳核电厂与CPR机组十年大修主要辐射工作项目比较

由于机组设计和运行所遵守的标准规范要求不同,海阳核电厂在换料大修的辐射工作项目上与CPR型机组相比存在较大区别。如海阳核电厂仅在大修后机组上行阶段对一回路边界上的相关阀门、人孔等进行泄漏检查,而CPR型机组则需要执行一回路水压试验;需要在低低水位状态下检修的阀门比较少;主泵的检查维护比较简单,无需对主泵进行解体;只需进行2台蒸汽发生器(SG)的传热管进行涡流检查等。总体而言,海阳核电厂的优化设计使得海阳核电厂的大修辐射工作项目相比于CPR型机组比较少,因此其人员集体剂量处于比较低的水平。详细对比列于表6。

表6 海阳核电厂与CPR型机组大修主要辐射工作项目对比

3.3 海阳核电厂与国内部分机组首次大修工期及集体剂量比对

按照新的典型机组和大修工期最短的原则,选择CPR、华龙一号和EPR各一台机组的首次大修与海阳和三门四台AP1000机组的首次大修工期及集体剂量进行了对比。其中CPR型机组选择了首次大修最短工期的红沿河核电厂4号机组H401,华龙一号选择了福清核电厂5号机组FQ501,EPR为台山核电厂1号机组T101。总体上看,AP1000机组不论是在大修工期,还是在大修集体剂量方面均有较为明显的优势具体列于表7。

表7 AP1000机组与其他类型机组首次大修工期及集体剂量对比

3.4 海阳核电厂与国内核电机组十年大修典型作业的集体剂量比对

目前国内运行核电机组已连续安全运行多年,共进行了100余次的换料大修。根据机组大修期间的集体剂量构成分析,提出了推荐的十年大修典型辐射工作项目集体剂量经验值。海阳核电厂的设计方也根据机组设计特点及多年积累的实践经验给出了AP1000机组典型辐射作业的集体剂量值,详见表8。从表8中典型辐射作业的预期集体剂量比较来看,海阳核电厂大修典型辐射作业的集体剂量值明显较低。

表8 海阳核电厂与国内运行机组十年大修典型作业集体剂量对比

3.5 反应堆一回路加锌技术对辐射剂量降低的预期效果分析

目前世界上绝大多数核电机组是在运行数个燃料循环后才开始向反应堆一回路加锌的,这些采用加锌技术机组的运行实践表明,加锌技术在缓解反应堆一回路冷却剂系统的腐蚀和降低机组停堆活动辐射剂量率方面均取得了良好的效果[7]。其中日本北海道电力公司的Tomari 3机组是目前唯一从热态功能试验开始加锌的PWR机组,SG传热管采用690TT合金。Tomari 3除加锌以外,其他水化学条件与参考电厂Tomari 1相同,Tomari 3的运行结果表明[8]:Tomari 3的腐蚀产物比参考电厂Tomari 1同期降低了75%;运行一个燃料循环后,Tomari 3反应堆顶盖和主管道平均剂量率水平与Tomari 1同期相比降低了40%～60%。由于AP1000 机组采用的SG传热管材料与Tomari 3机组SG传热管的材料相同,尽管目前还没有不采用加锌技术的AP1000运行机组,但由此可以定性地说明海阳核电厂采用加锌技术对辐射剂量降低的预期效果是明显的。

3.6 一回路溶氢和pH值调节控制对减少辐射源项的效果分析

在核电厂功率运行期间,将反应堆一回路氢浓度和pH值控制在合理的范围之内以保持一回路冷却剂系统处于还原性环境,有利于降低一回路系统设备材料的腐蚀、控制腐蚀产物的迁移和沉积,防止腐蚀产物迁移至堆芯后被活化,从而降低反应堆一回路相关系统的辐射源项以及相关区域的辐射水平。这已经是被世界核电运行史证明的成熟实践,海阳核电厂也不例外,本文不再赘述。

4 结束语

海阳核电厂自2018年商运以来,电厂总体辐射安全状况受控,辐射防护管理绩效良好。电厂日常运行和机组大修的工作人员个人最大剂量和集体剂量在同类机组中均处于较低水平,辐射防护最优化管理绩效持续提升。与国内典型CPR型机组的首次大修相比,AP1000机组的大修检修项目减少明显,尤其是纠正性维修减少数量更加明显。与其他类型机组相比,其首次大修工期更短,典型作业的集体剂量和电厂大修的集体剂量等均处于较低水平。另一方面,海阳核电厂由于运行时间短,实践经验有限,需要与国内外先进同行对标交流,学习行业良好实践,才能不断改善电厂辐射防护管理绩效,有效避免发生非计划照射事件,满足电厂安全可靠运行的需要。