朱元理, 张志强, 马来山

(广西防城港核电有限公司， 广西 防城港， 538001)

核电站辐射风险最直接的表征之一就是工作人员的受照剂量，包括个人剂量和集体剂量。核电站在生产运营中须遵循辐射防护最优化原则，合理可行、持续不断的降低人员受照剂量。

集体剂量是核电运行的重要安全指标之一。图1给出了1995—2019年我国中核集团、中广核集团压水堆核电站单机组年集体剂量与WANO先进值的对比[1]。

由图1可见，我国压水堆核电机组单机组年集体剂量与WANO先进值相比还存在差距。

1 集体剂量影响因素及控制策略

1.1 影响因素

核电站集体剂量的高低，是在各种因素影响下的综合表现。集体剂量的影响因素其实在设计阶段就存在，例如集体剂量设计值、反应堆功率大小、设备材料应用、屏蔽设计等；机组运行阶段对集体剂量的影响因素就更直接，例如机组运行控制策略、维修策略和技术改进等。集体剂量的影响因素总体上有两个方面：一是现场辐射水平(主要指辐射源项)，机组辐射水平越低，集体剂量越低；二是放射性作业人工时，人工时越短，集体剂量越低，尤其是高剂量作业人工时。

图1 我国中核集团、中广核集团压水堆核电站单机组集体剂量(年均值)和WANO先进值对比[1]

1.2 控制策略

针对集体剂量的影响因素，集体剂量的控制策略也主要从两个方面入手：一是降低机组辐射源项；二是减少放射性作业人工时。在这两个方面除了需要采取有效的技术措施外，在组织管理上也要足够的重视和给予管理政策的支持。

2 组织管理

2.1 意识的提升

降低集体剂量是核电站所有工作人员共同的责任。从安全管理的角度讲，降低集体剂量属于安全生产责任的范畴，即核电站各层级、涉及的各专业、每个员工均有降低集体剂量的责任和义务。要通过各种措施强化提升全员主动降低集体剂量的意识：例如，辐射防护三原则的普及宣传；在基本安全授权培训中，增加集体剂量控制的相关内容；结合安全生产日、安全生产月活动宣传集体剂量控制相关的内容等。实现集体剂量控制从“要我降低”向“我要降低”的意识转变。

2.2 组织的优化

集体剂量与能力因子、安全系统性能等指标不同，它与经济性、核安全不直接相关，其改进的迫切性要相对弱一些。因此，集体剂量实现持续降低取决于运营电厂(特别是高级管理层)的改进意愿，这也决定了组织管理的支持以及资源的投入[1]。

降低集体剂量不能仅靠辐射防护人员，须得到电厂所有工作人员的全面支持，特别是管理层的支持。需从三个层级来主导提升集体剂量业绩指标：第一个层级是集团公司层面，由专职机构或群厂组织来制定战略和推进计划；第二个层级是电厂层面，成立由高层领导主持的最优化委员会或工作组，承接战略计划，协调相关专业推进和落实降低集体剂量的措施[1]；第三个层级是业务部门层面，各个业务部门要将降低集体剂量作为部门业绩考核的指标之一，凭借自身对检修作业流程较为熟悉的优势，制定更有效的降低集体剂量的措施。

3 辐射源项控制

3.1 辐射源项简介

3.1.1组成

压水堆核电机组辐射源项分为两部分：①裂变产物辐射源项，包括核燃料裂变反应直接产生的裂变中子、裂变γ和裂变产物衰变释放的γ射线；②活化产物辐射源项，包括冷却剂中部分核素的活化、一回路杂质的活化和一回路设备管线腐蚀物的活化等。压水堆核电机组辐射源项组成见图2所示。

3.1.2影响因素

压水堆核电机组辐射源项的影响因素有：

(1)机组功率。机组功率越大，反应堆装载的核燃料越多，总体上辐射源项的体量也越大、活化能力也越强。

图2 压水堆核电机组辐射源项组成

(2)燃料包壳的完整性。燃料包壳不发生破损，裂变产物辐射源项就不会对机组辐射水平和集体剂量产生直接影响。

(3)设备材料。活化产物辐射源项与一回路设备材料易活化核素的成分多少有关，易活化核素量越多，机组辐射水平越高。

(4)机组运行状况。机组状态越稳定，一回路热冲击就越小，一回路的系统设备就越不容易产生应力腐蚀，活化产物的产生量就越小。

(5)维修过程中一回路及其辅助系统异物控制良好，也会间接促使辐射水平降低。

压水堆核电机组辐射源项影响因素见图3。

图3 压水堆核电机组辐射源项影响因素

3.2 设备材料控制

60Co、58Co和110mAg是压水堆核电站一回路主要的放射性核素，122Sb和124Sb在部分核电站也出现过。这些放射性核素基本上都是由一回路的系统设备材质的某种核素活化而来。因此控制一回路及其辅助系统设备材料中的钴、镍、银和其它一些易活化核素的含量，可降低辐射源项。

3.2.1减少设备材料中的钴含量

60Co是由钴基合金(Stellite合金)中的59Co吸收热中子，经(n，γ)反应生成。由于Stellite合金有质硬的特性，因此核电站一回路及其辅助系统中对硬度有要求的设备、管线都会优先使用Stellite合金[2]，最具代表性的是阀门的硬质层密封面，这是一回路中钴的主要来源。

由于设备性能的要求，部分结构材料中的钴是不能减少的，但是设备中还有一部分钴是以杂质的形式存在，并不是结构材料性能要求的核素。以杂质形态存在的钴理论上是可以减少的，例如在后续的阀门检修活动中，如果有阀门更换或者部件更换，就可以更换低钴的设备。这就需要维修部门、设备管理部门和合同采购部门联合开展一些基础性工作，例如梳理现有含钴设备清单，调研收集低钴或无钴的同功能、同型号产品和备件，在设备采购活动中提出相应的技术规范要求，进而采购到低钴或无钴的设备。

3.2.2减少设备材料中的镍含量

58Co是由镍基合金中的58Ni吸收热中子，经(n，p)反应生成。在压水堆核电站中，镍基合金使用最多的是蒸汽发生器的“倒U”形传热管，所用镍基合金材料为Inconel690，其中镍的含量约60%，因此蒸汽发生器传热管是靶物质58Ni的主要来源[3-4]。

目前，镍基合金Inconel690是最理想的蒸汽发生器传热管材料，尚没有替代材料。但是一回路及其辅助系统其它一些设备中，以杂质形式存在的镍还是可以通过材料替代去除的。

3.2.3减少或控制材料中的银含量

天然银中的109Ag吸收热中子，经(n，γ)反应生成110mAg。压水堆核电站一回路中110mAg主要来自于一回路设备所用含银垫片和控制棒中109Ag的活化。

减少一回路中的110mAg的措施有： ①用其他材质的垫片替代含银垫片(例如使用石墨垫片)；②改变控制棒的材料(例如使用B4C)；③改进控制棒工艺(例如增加厚度，降低破损率)等。

3.2.4减少或控制材料中的锑含量

自从我国成功研发出这两种食品香料后，中国就开始成为多国的含硫香料进口地，而我国也彻底摆脱了纯粹依赖进口的局面，成为迄今为止世界范围内能够生产这两类香料的国家之一。

锑(122Sb和124Sb)对辐射源项也有影响。压水堆核电站122Sb和124Sb主要来自于泵轴中的锑(锑可以增加耐磨度)、二次中子源(Be/Sb源)和燃料组件锆合金包壳(含123Sb)。

锑污染的降低措施有：①含锑泵的替代换型[5]；②控制其他合金材料中121Sb和123Sb核素的含量；③在二次中子源棒材料不能替代的情况下，尽可能保证源棒不破损，例如包壳材料改进和异物控制等。

3.3 一回路水化学控制

3.3.1冷却剂pH 值控制

一回路冷却剂的pH值越小，其对一回路及其辅助系统设备的腐蚀性越强；冷却剂pH值过大，其又会对燃料组件产生苛性腐蚀。因此，需要合理控制一回路冷却剂的pH值。

pH值的控制在时间段上需进一步精细化。冷却剂pH 值的优化调整主要有两个方向：一是燃料循环初期尽早实现高pH值环境运行；二是大修期间精准实施水化学控制(即在大修期间，对放射性核素的沉积行为进行研究，获得行为特征之后根据行为特征进行水化学控制优化)。

3.3.2停堆过程的温度和氧化控制

反应堆在大修停闭时，一回路冷却剂pH值会随着温度和压力的下降而变小，当变化到酸性环境后，一回路活化产物会快速溶解，腐蚀产物也容易脱落。为了避免活化产物和腐蚀产物在一回路管线的再次沉积，一方面快速降温并稳定至活化产物溶解度最大的温度平台，防止再次沉积形成辐射“热点”；另一方面优化双氧水的加注量和加注次数，增大腐蚀产物和活化产物的溶解量[6-7]。

3.3.3一回路注锌技术应用

1994年美国首先应用一回路注锌技术，截至2010年美国约56%的压水堆核电机组实施了加锌技术，加锌技术在德国、巴西和日本的压水堆核电站也有着广泛的应用[8]。

图4为美国Vogtle 2号机组实施注锌后，蒸汽发生器下封头冷、热端辐射水平变化图。由图4可见，注锌后机组辐射水平呈下降趋势。从国外注锌技术运行实践经验来看，注锌技术是一项成熟的技术，国内核电站应尽快推动、落地实施。

3.4 腐蚀活化产物迁移控制

3.4.1设备表面的预处理

核电站在设计阶段就要全面考虑一回路设备表面处理要求，包括设计阶段的表面处理要求、设备制造阶段的表面处理要求、工程调试阶段的表面处理要求和运营阶段的表面处理要求。例如电站在工程热试阶段，一回路可通过添加LiOH(Li的质量浓度1～2 mg/kg)，保持pH值9.8～10.5的碱性环境，使一回路系统设备表面在热态下(290 ℃)钝化300 h以上，生成致密保护膜[9]；运营阶段则只能对更换的设备提出表面处理要求，例如设备采购时增加进行设备表面处理的技术要求，或者电厂在维修设备时，尽量清理干净设备内表面的附着物，同时保护设备内表面不被划伤、磕碰等。

(a) 下封头冷端

(b) 下封头热端

3.4.2保持机组功率稳定运行

保持机组功率稳定运行，减少机组启停堆的次数和升降功率的深度和频次，减少热冲击的作用。热冲击会使沉积和吸附在堆芯内的活化腐蚀产物转移到一回路及其它相关的系统中去。另外，在机组启动过程中不可避免地会有(冷却剂中)杂质进入一回路，从而增加了活化产物的生成量。

3.4.3防止异物进入一回路及辅助系统

异物对辐射源项的影响，一是威胁燃料包壳的完整性，导致裂变产物释放；二是增加活化产物量。因此需要采取措施控制异物进入一回路，异物的控制措施要从两方面制定：①从管理的角度建立防异物规章制度、落实防异物责任制等；②要采取一些具体的技术措施，例如防异物塞的使用、利用吸尘器吸取管道内打磨异物等。

3.4.4提高过滤净化能力

减小一回路过滤器孔径。核电站刚开始运行阶段，为防止一回路过滤器频繁堵塞，其过滤器孔径一般都相对较大，随着运行时间的增长，一回路冷却剂水质逐渐变好并趋于稳定，这时候可根据过滤器的更换频率，适当优化减小过滤器孔径，以提高净化效率。目前我国核电站均在逐步开展过滤器孔径升级工作。

净化流量的运行优化。在确保机组安全的前提下，大修前尽可能早的投运双孔板保持最大净化流量。同时在氧化净化阶段要尽可能保持主泵全流量运行，避免活化产物或者腐蚀产物在系统设备中再沉积。

3.5 放射性污染去除

3.5.1系统设备在线去污

(1) 化学方法去污。根据系统设备材质，选用合适的化学去污剂，将去污剂注入系统对单个或多个系统进行在线去污，该方法可以全面的降低系统的辐射水平。

(2) 物理方法去污。合理可行尽量多的使用动力排水装置(ORFO)，执行专业人员需要进一步开发适用性更强、过滤效果更好、操作更方便的ORFO装置；其次从流程上需要进一步规范ORFO的使用要求，扩大使用范围，使其能真正发挥到应有的作用。

3.5.2系统设备离线去污

日常检修或者停堆大修时，对拆卸下来的一回路设备尽量进行去污和常规清洁，例如阀瓣在研磨前进行去污，可大幅降低阀瓣的辐射水平，阀瓣研磨后，再对阀瓣进行去污和常规擦拭，既可以再次去除污染物，又可以尽可能少的将研磨碎屑带入系统中。还有一些设备，如果可以使用超声波去污的，尽量使用超声波去污，可进一步提升去污效果。去污结束后如能再进行表面处理(例如钝化)，则可进一步减少腐蚀产物的产生[10]。

3.5.3燃料组件超声清洗的应用

1999年3月，美国Callaway电厂首次实施燃料组件超声清洗工作。截至2008年，美国有19台机组(电站)实施过46次燃料超声波清洗，清洗后总体上机组辐射水平呈下降趋势。图5是Callaway核电站燃料清洗后蒸汽发生器下封头冷、热端辐射水平变化趋势，可看出明显的下降。

燃料的超声波去污技术在国外也已经有成熟应用，国内一些核电科研院所和运营单位也一直在研究分析该技术的应用，但至今国内还没有电厂尝试应用。该技术也是今后降低辐射源项应用研究的一个方向。

3.6 小结

辐射源项控制的各方法中，设备材料控制是降低辐射源项最本质的方法，但遇到的困难和挑战也是最大的。材料控制涉及到系统设备的安全，需要进行详细的分析论证才能实施，该措施可以作为长期优化改进项进行分析研究和实施。

一回路水化学控制是目前核电站辐射源项研究和推进的主要方向，也是各类源项控制措施中效果最好的。现阶段也存在一些瓶颈，例如一回路pH值的优化、涉及到技术规范的修改等。注锌技术虽然在国外应用成熟，但在国内(除AP1000机组)迟迟没有应用。

腐蚀活化产物迁移控制方面，机组稳定运行对辐射源项的影响可以有效实施，也是电厂核安全的要求。近些年由于核电机组参与调峰越来越多，机组稳定运行对辐射源项的影响，也已引起了电厂辐射防护人员的关注。关于防异物控制关乎燃料的安全性，电厂也在积极做好该项工作。关于一回路净化效率的提升，有人担心会增加滤芯的堵塞几率，但从实施改造电厂的运行经验看，滤芯升级为小孔径后，更换频率并没有明显增加。一回路净化效率的提升也是目前核电站源项控制方面开展的主要工作之一。

放射性污染去除方面，现阶段应用最多的是系统设备离线去污，在线去污应用的较少。在线去污(包括燃料超声清洗)对系统设备的影响评价较为困难，同时在线去污存在辐射水平反弹的问题，这也是目前尚未广泛推广应用的原因之一。

(a) 下封头冷端

(b) 下封头热端

4 放射性作业人工时控制

与降低辐射源项的技术措施相比，降低放射性作业人工时更多是依靠管理。降低人工时可结合提升能力因子(减少维修量、缩短大修工期、降低大修成本)行动共同推进。减少放射性作业人工时主要从两方面开展：①减少放射性工作总量；②提高放射性工作效率。在减少放射性作业人工时方面，设备管理和维修专业能发挥至关重要的作用。

4.1 减少放射性工作总量

集体剂量与放射性工作量是相关的，放射性检修工作量越大，通常情况集体剂量就越高。关于检修工作量，有专业人员对国内某AP1000与CPR1000首次大修(均为最优工期)工作量进行了对比分析，发现AP1000首次大修工作量少于CPR1000机组，CPR1000机组总工单数有1万多张，但AP1000机组仅有4千多张，该统计数据为大修总工单数，包括放射性工作量和非放射性工作量，从类比定性分析看，AP1000放射性工作量也应该少于CPR1000工作量。

AP1000工作量少，使得RCD阶段(即完全卸料阶段，核岛主要检修工作都集中在该阶段)时间也缩短，AP1000 RCD阶段时间为140多小时，CRP1000 RCD阶段时间为760多小时。该AP1000机组首次大修集体剂量低于200 人·mSv，但CPR1000机组首次大修集体剂量最低值接近500 人·mSv。由此可见，检修工作量的多少对集体剂量有着很大的影响。机组不同所致的工作量差异，在运行阶段不能改变，但可以通过下述思路减少工作量。

4.1.1优化维修大纲和在役检查大纲，从文件要求上减少工作量

在满足法律法规和国家监管部门要求的前提下，优化核电站维修大纲、在役检查大纲，从文件要求上减少预防性维修工作量，例如1年检优化成2年检、2年检优化成3年或4年检等。关于维修大纲和在役检查大纲的优化，这既是核电站维修管理的优化，也是辐射防护最优化的体现，可减少人员的受照剂量。

4.1.2提升系统设备的可靠性，降低故障率

提升系统设备的可靠性，降低设备故障率，也可以减少维修工作量，这对控制集体剂量也是有益的。举个反面的事例，某核电站核取样系统由于取样流量不稳定，导致机械专业、仪控专业和化学专业人员多次进入现场处理缺陷，由于该房间辐射水平较高，使得集体剂量额外增加。

4.2 提高放射性工作效率

4.2.1完善技能培训体系，提升人员技能水平

不论是电厂员工还是合作伙伴员工，均要提升专业技术能力，确保工作人员有足够的技能和经验高质量地开展放射性工作。

现场作业人员要持续加强辐射防护技能提升，要清楚控制个人剂量和集体剂量最基本的防护措施和防护要求，并能严格实施。

在培训资源方面，可逐步建立完善的mock-up培训设施设备，例如将维修实操场地、辐射防护实操场地一体化，建立更真实的实操环境，以提高培训效果。

4.2.2检修工艺改进

(1)通过自动化改进，实现少人化。例如，关反应堆大盖期间使用激光对中工具，减少人员下堆池的次数；阀门盘根取出专用工具的开发使用(RCP001/002VP气动头检修的弹簧回装工序中，弹簧力释放需3人围绕阀门多个方向实施，配合丝杆均匀释放弹簧力以保证气动杆对中，使用弹簧力释放专用工具，能保证更好的弹簧对中，仅需一人即可完成弹簧力释放，工作时间可节约30%)等。

(2)通过智能化改进，实现无人化。智能化是辐射防护领域今后发展的一个方向，在高剂量区域使用智能化设备，尽可能减少高剂量区域人工作业时间。例如在高辐射区域安装摄像头，减少运行人员在高辐射区域就地巡检；使用机器人进行高辐射区域辐射水平测量；使用动力型密封焊自动切割工具等。

4.2.3强化专业间的配合

作业现场检修专业间、检修专业与服务专业、检修专业与运行专业以及检修专业与辐射防护专业间要加强配合，提高工作效率，避免在高辐射区域做重复性工作。例如，大修期间，屏蔽搭设和场地布置，在大修前检修专业、服务专业和辐射防护专业要沟通交流，提前梳理需求，确定方案(包括明确需要搭设屏蔽的数量、地点、方式和时间窗口等)，实现精准、及时搭设屏蔽和布置场地，实现多专业共享检修场地，避免重复搭拆，减少现场服务人员工作量。

另外，在大修期间可以建立现场联合办公点，实现一站式服务，协调处理各专业在时间、空间上的交叉作业，提高工作效率。

4.2.4其他

建立集体剂量控制的奖惩制度。例如，大修专项奖中预留2个专用名额给集体剂量优化成效显著的集体和个人；日常期间将降低辐射源项和控制集体剂量的良好实践纳入“安全之星”的评选范围之内等，以鼓励各专业人员积极主动控制集体剂量。

4.3 小结

放射性作业人工时控制的各项措施中，维修大纲、在役检查大纲的优化，对减少工作量有很大帮助，但大纲的优化涉及到电厂的维修管理的改进，该措施工作量较大，且涉及多个专业，短时内不易实现，但可作为一项长期任务跟踪逐步实施。

提高工作效率方面，这也是电厂追求经营业绩的目标之一，不论是管理改进还是技术改进均可以有效推动实施，作为辐射防护专业人员，需要做好的就是不断收集国内外同行的良好实践，联合各执行专业做好管理和技术上的改进创新，以提高工作效率。

5 结语

降低集体剂量是一个需要核电运营者持续关注的问题，目前在CPR1000机组集体剂量的降低方面，主要通过控制辐射源项和减少放射性作业人工时，已经逐步建立了较为成熟的控制措施，有效降低了CPR1000核电机组集体剂量。但是在进一步降低集体剂量方面，还需要采取更多技术改进和管理优化措施。具体可以从以下几方面采取措施：

(1)通过维修大纲优化，合理可行延长设备维修周期，减少设备过度维修，减少设备维修工作量，进而减少放射性作业人工时。

(2)提高设备的可靠性(例如设备精准选型、提升维修质量等)，以减少放射性作业人工时。

(3)自动化、智能化的设备、工具等开发应用，在维修工作中尽可能实现少人化或无人化，提高工作效率，减少高剂量区域作业的人工时。

(4)在现有源项控制的基础上，需采取一些突破性的技术措施(例如注锌、燃料超声清洗等)以降低机组辐射水平，后续需尽快推动实施一回路注锌技术落地，尤其是新建的华龙一号机组，需结合AP1000的良好实践，分析论证从热试开始实施注锌的可行性，并推动实施。