核电厂γ射线屏蔽材料优化及应用分析

    杨威 鲁栓

    

    中图分类号：TM623 文献标识：A 文章编号：1674-1145（2019）3-186-02

    摘 要 在核电站运行和停堆检修期间，使用屏蔽装置或设备对辐射热点进行屏蔽是一种常见并且有效的外照射控制手段。针对核电站传统使用的屏蔽材料存在的不足进行分析，通过对比分析新型屏蔽材料的应用范围和优缺点，对辐射热点进行分类并制定对应的屏蔽措施，找出利益-代价的最优方式，为核电站辐射防护屏蔽材料的使用和开发提供参考。

    关键词 屏蔽材料 应用 分析

    一、前言

    对于核电厂而言，为确保工作人员辐射照射尽可能低，通常会采取外照射屏蔽措施，以降低现场γ射线强度对人员的照射，所以价格相对较低、效果尚可的铅及衍生合金作为屏蔽材料被广泛应用。由于传统的铅屏蔽材料受其材料延展性、单体重量缺陷的制约，对于结构复杂的热点设备、无支撑热点管线或狭小空间管线，无法进行快速的屏蔽搭设，且对设备抗震承重产生影响，往往产生代价大于利益的情况。因此，为满足ALARA原则，降低屏蔽搭设人员受照剂量，需对屏蔽材料性能及特点进行分析，提出优化改进建议。

    二、γ射线屏蔽材料应用现状

    福清核电厂运行机组主要放射性系统（RCP、RCV、PTR等）均存在较多热点或热点管线，且位于主要人员通道和常规工作场所区域。通常的作法是使用铅材料进行包裹屏蔽，但目前的铅屏蔽材料在使用上存在较难包裹、作业人员受照剂量高、屏蔽的安全质量及效果难以保证等缺点，如：

    1.采用铁丝固定时，有塌陷或掉落时损伤人员和设备的风险，采用挂钩进行悬挂需要有悬挂点。

    2.采用传统铅皮对管道进行包裹，遇到管道支撑结构限制就无法对该处进行屏蔽，且受制于管道承重、抗震能力无法继续覆盖铅皮，往往造成屏蔽效果无法达到预期。

    3.无法完整的贴合热点设备导致γ射线从屏蔽材料缝隙中泄露，导致屏蔽外辐射水平无法得到有效降低。

    4.现场多数竖直管道位置无法直接进行屏蔽，需要人员进行贴身作业进行包裹，屏蔽人员受照剂量较高，且屏蔽材料在自身重力作用下，会逐渐滑动导致屏蔽效果不佳。

    因此，需对现有的屏蔽材料进行优化，新型屏蔽材料需要具备更好地可塑性以及屏蔽性能。其至少应具备以下性能特点：

    1.比传统铅屏蔽材料具有更好地屏蔽效果。

    2.比传统铅屏蔽材料重量相对比较要更轻。

    3.便于装拆，节约工作时间，减少屏蔽实施人员受照剂量。

    4.可塑性强，能满足现场对规格尺寸所提出的特殊要求。

    三、屏蔽材料应用分析

    目前，满足更具可塑性及较好屏蔽性能的γ射线屏蔽材料种类主要有三种，分别为橡胶基柔性屏蔽材料、软铅屏蔽材料、钨柔性屏蔽材料。

    （一）橡胶基柔性屏蔽材料

    通过密炼（或开炼）工艺，利用合理的多组添加剂改善胶料的理化性能，并用混炼工艺将铅粉均匀弥撒在丁苯橡胶基体中。橡胶基柔性屏蔽材料中铅含量能达到75%以上，硬度远小于传统铅材料，拉断伸长率可达到650%以上，铅当量可大于0.3mmPb。其产品分类较多，管道包布、胶带、磁性材料均具备，且柔性材料的可塑性及单位体积的质量低于纯铅产品，且可添加磁铁材料便于屏蔽的拆装。其主要特点如下：

    1.结构柔软、化学性能稳定、耐酸碱腐蚀、力学性能和耐辐照老化性能良好。

    2.铅粉弥散包裹在高分子基体材料中，分布较为均匀，不易脱落，能在300度以下的环境温度中使用。

    3.实用性广泛，既可直接作屏蔽材料使用，也可加工成屏蔽服和特殊屏蔽装置使用。

    4.具有一定的γ射线屏蔽功能。

    根据橡胶基屏蔽材料屏蔽性能数据分析，虽其对γ射线的屏蔽效果弱于纯铅产品，但该类型的屏蔽材料可以依据现场热点类型和设备结构进行定制，可以较好的契合设备表面且便于固定。针对管道、弯管等结构并依托热点分布情况，可以对设备采用半包或全包方式进行屏蔽。

    （二）软铅屏蔽材料

    软铅屏蔽材料实质上仍为以铅为主要成分的屏蔽材料。其采用独有的铅丝加工技术，铅丝为圆柱形，直径较小，提高了产品内部结构的连续性和柔韧性，保证产品具有较佳的弯折度，同时包覆面材料可以定制，不易沾附异物且易清洁去污，屏蔽效果可以根据需求进行定制，实现有效铅厚度3～8mmPb 的变化要求。其较合适构建“平面式”屏蔽。其主要特点如下：

    1.纯铅制造，特殊方法加工，结构柔软，可任意折叠。

    2.对γ射线的屏蔽效果較好。

    3.有外包装及安装挂钩，便于去污和装拆。

    此类产品近乎纯铅产品，其对γ射线的屏蔽效果较好，对于大面积的热点或者热点管道区域配合脚手架或者定制的支架产品使用，具有较好的便捷性和屏蔽效果。

    （三）钨柔性屏蔽材料

    在航空和医疗领域，钨合金作为主要的屏蔽件，已经得到广泛应用。和传统铅屏蔽材料相比，钨合金的高密度性（17.0-18.5g/cm3），使得钨合金的屏蔽效果更佳，同时钨合金材料体积比相同屏蔽效果的铅小1/3。在氯丁橡胶里混入约10%的金属粉而形成的无铅高密度橡胶辐射屏蔽材料，通过加入钨、铋、氧化铋等三种添加料而获得高密度橡胶，该材料不含铅、重量较轻，其屏蔽效果优于铅材料。其主要特点如下：

    1.屏蔽性能高，对高能射线的屏蔽性能优于铅及铅合金。

    2.无毒环保，可循环回收利用。

    3.密度可控：可根据使用要求调整材料的密度和屏蔽性能。

    4.柔韧性高，加工成型快捷。

    核电厂目前已使用钨柔性屏蔽材料作为外照射防护用品，其制成的钨衣屏蔽效果远高于铅衣；针对钨柔性屏蔽材料，其屏蔽效果较好且其可塑性和设备的贴合性能远强于传统铅皮。其对小口径的管道较为实用，大大减轻管道承受的重力，且屏蔽效果优于同等厚度的纯铅制品。

    （四）屏蔽材料性能对比分析

    通过对同等厚度的屏蔽材料的屏蔽性能进行对比分析（详见下表），软铅屏蔽材料、钨系柔性屏蔽材料在同等厚度情况下，其减弱效果较为明显，且钨系柔性屏蔽材料其重量较轻。

    四、辐射场热点分类及合理屏蔽方式分析

    在考虑提升屏蔽效果的同时还需要考虑不同热点的设备结构和管道布置以及管道的承重能力、屏蔽材料的采购成本。为此针对部分大型热点设备的屏蔽还需要定制的模型支架进行搭配使用，才可以达到更好的屏蔽效果的同时降低屏蔽搭设的作业时间，以及控制采购成本，从而达到辐射防护最优化的目的。以M310堆型机组为例：

    1.永久性热点设备：如REA011FI PTR005FI，针对过滤器腔室形状制作钨屏蔽材料直接进行包裹。

    2.竖管：如主泵间测温旁路竖管，配合长方体模型支架外挂柔性屏蔽材料，支管处采用柔性屏蔽材料定制屏蔽圈。

    3.阀门：大型阀门—围栏式模型支架，外挂柔性屏蔽材料。中小型—直接覆盖或定制屏蔽圈；折边柔性屏蔽材料。

    4.法兰：大型法兰—围栏式模型支架，外挂软铅；无沿帽式覆盖。

    5.弯管：专用定制屏蔽圈。

    6.悬空管道：悬空箱体以承载软铅或屏蔽圈。

    7.T型管道：专用T型屏蔽圈。

    8.阀/管汇集区：墙面/屏风式屏蔽结合定点定型屏蔽圈。

    9.贴近地面管道：专用管道罩结合软铅或直接套合定型屏蔽圈。

    10.一侧靠近墙面管道：专用管道罩结合软铅或直接套合定型屏蔽圈。

    五、应用分析

    考虑橡胶基柔性屏蔽材料在屏蔽性能上弱于同等厚度的传统铅皮，故暂不作应用分析。在结合现场热点分布和热点所处设备的结构特点（多为阀门或管道结构变化处），分析考虑主要使用软铅屏蔽材料和钨柔性屏蔽材料，两者配合使用，以确保现场屏蔽效果，并引进模型支架，来进一步降低装拆人员受照剂量。

    1.软铅屏蔽材料主要用于：具备独立支撑的大型管道、贴近墙体的热管或热点位置、细小管道汇集的高辐射区域，但其使用一般需要配合脚手架或专用模型支架。

    2.钨柔性屏蔽材料主要用于：DN≤200mm的竖直或水平管道，管道弯头或支管等变径处、阀门等不规则设备、狭小空间无法布置支架的区域。弯管、設备处采用定制的管道包布，直管采用屏蔽胶带，对于高辐射水平的管道可采用磁性材料，便于快速安装，减少屏蔽布置人员受照剂量。由于钨产品价格高于铅材料，全部替换铅材料不满足经济代价最小化，应针对特殊位置使用。

    六、结语

    福清核电通过现场使用实践表明，使用软铅屏蔽材料和钨柔性屏蔽材料代替传统铅屏蔽材料对放射性热点屏蔽和剂量控制是具有较好效果的。根据现场热点分布和热点类型，大多为管道结构不规则处（支管、弯管、管道变径位置）及阀门设备处，软铅屏蔽材料对于管道的承重能力要求略高，故钨柔性屏蔽材料应该作为γ射线屏蔽材料提升优化的首选，并结合现场实际与软铅屏蔽材料配合使用，以达到经济代价最小化和辐射防护最优化。