核電廠γ放射性廢物吊裝期間天空反散射劑量率評(píng)估

蔣振宇，唐邵華，熊 軍，吳躍雷

(1.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518124；2.環(huán)境保護(hù)部 核與輻射安全中心，北京 100088)

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核電廠γ放射性廢物吊裝期間天空反散射劑量率評(píng)估

蔣振宇1，唐邵華1，熊 軍1，吳躍雷2

(1.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518124；2.環(huán)境保護(hù)部 核與輻射安全中心，北京 100088)

采用MCNP對(duì)γ放射性點(diǎn)源的天空反散射影響進(jìn)行了模擬計(jì)算，針對(duì)天空反散射的主要制約因素進(jìn)行了分析，其分析結(jié)論為核電廠相應(yīng)的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。定量模擬計(jì)算了核電廠γ放射性廢物包吊裝期間的天空反散射劑量率水平，提出了一種基于放射性點(diǎn)源結(jié)果進(jìn)行放射性體源天空反散射劑量率的快速評(píng)估方法，該方法的實(shí)施滿足了工程實(shí)踐的快速響應(yīng)要求。

天空反散射；放射性體源；影響因素

γ射線天空反散射(本文僅針對(duì)γ源開展分析，簡(jiǎn)稱天空反散射)用于表述近地面γ源向天空方向發(fā)出的γ射線與空氣原子的核外電子發(fā)生一次或多次康普頓散射后又折回地面的現(xiàn)象。當(dāng)廠房?jī)?nèi)存在輻射水平較高的放射源，廠房設(shè)計(jì)建造僅重視側(cè)面的輻射屏蔽而不關(guān)注屋頂?shù)妮椛淦帘螘r(shí)，廠房外極易受天空反散射的影響。

核電廠反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)放射性水平較高，但基于安全殼穹頂良好的屏蔽效果，天空反散射對(duì)廠房外的影響可忽略不計(jì)；而常規(guī)島廠房通常無明顯放射性，因此廠房外也不存在天空反散射問題。但核電廠的一些配套廠房，既無輻射屏蔽效果較好的屋頂，又存在強(qiáng)放射源操作，因此這類廠房外的天空反散射影響較為嚴(yán)重。文獻(xiàn)[1]中明確指出，核設(shè)施處于運(yùn)行工況及事故工況中，應(yīng)保護(hù)公眾免受直射或散射(包括天空反散射)而采取相應(yīng)的屏蔽措施，因此有必要針對(duì)核電廠的天空反散射現(xiàn)象開展研究。本文采用MCNP模擬計(jì)算放射性點(diǎn)源的天空反散射劑量率情況，并對(duì)天空反散射的主要制約因素進(jìn)行分析，進(jìn)一步針對(duì)某核電廠放射性廢物暫存廠房廢物包裸露吊裝的情況進(jìn)行建模計(jì)算，并提出一種基于放射性點(diǎn)源結(jié)果進(jìn)行放射性體源天空反散射劑量率的快速評(píng)估方法。

1 理論計(jì)算方法

關(guān)于天空反散射的相關(guān)研究自20世紀(jì)50年代開始一直延續(xù)至今，較為成熟的方法是基于線束響應(yīng)函數(shù)(LBRF)發(fā)展起來的線束積分法[2-5]，但該方法僅適用于放射性點(diǎn)源的影響評(píng)估，針對(duì)具有一定體積的放射性體源，如核電廠放射性廢物包，則無法直接應(yīng)用。

《γ輻照裝置的輻射防護(hù)與安全規(guī)范》[6](GB 10252—2009)給出的天空反散射劑量率評(píng)估公式(簡(jiǎn)稱GB經(jīng)驗(yàn)公式)為：

(1)

式中：D為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的劑量率，μSv/h；A為放射源的放射性活度，MBq；Ω為60Co源對(duì)廠房屋頂所張立體角，sr；H′為60Co源至屋頂上方2 m處的距離，m；X為60Co源至受照點(diǎn)的水平距離，m；k為屏蔽體的有效減弱倍數(shù)。式(1)最早來源于文獻(xiàn)[7]，其同樣僅適用于放射性點(diǎn)源的計(jì)算。

MCNP可用于放射性體源的天空反散射劑量率計(jì)算[8]，但由于其涉及的物理模型屬于大尺寸、深穿透類型，因此需采取一定的建模技巧[4](源的定向抽樣、空間模型的針對(duì)性構(gòu)建、粒子輸運(yùn)路徑的權(quán)重優(yōu)化、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的靈活假設(shè))才可獲得收斂結(jié)果。為驗(yàn)證MCNP可適用于天空反散射的模擬計(jì)算，針對(duì)ANSI/ANS-6.6.1天空反散射基準(zhǔn)算例進(jìn)行了模擬計(jì)算[9]，其計(jì)算結(jié)果與算例提供的結(jié)果基本吻合。

2 點(diǎn)源天空反散射的影響

參考某核電廠輻照室廠房尺寸，構(gòu)建圓筒型、屋頂敞開式廠房模型。1) 廠房?jī)?nèi)徑3 m，墻體高度4 m；2)60Co點(diǎn)源(放射源能譜一般為混合譜，輻射屏蔽設(shè)計(jì)上通常保守的考慮為單一的60Co能譜)；3) 放射源置于廠房中心，標(biāo)高1 m；4) 廠房外監(jiān)測(cè)范圍10～500 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平標(biāo)高1.5 m；5) 空氣密度1.22×10-3g/cm3；6) 廠房墻體為密度2.35 g/cm3的混凝土。

采用MCNP建模計(jì)算法、GB經(jīng)驗(yàn)公式法及線束積分法(相應(yīng)計(jì)算軟件為Skydose[10])分別進(jìn)行天空反散射劑量率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。圖1中MCNP-s與MCNP-f分別表示不考慮與考慮源廠房墻體及地面散射效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

圖1 不同方法下放射性點(diǎn)源天空反散射劑量率的比較Fig.1 Comparison of skyshine dose rate due to γ-ray point-source with different methods

由圖1可得到以下結(jié)論。

1) 線束積分法計(jì)算得到的D與MCNP模擬計(jì)算的D吻合較好，而GB經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與前兩者相比偏差較大，尤其當(dāng)X處于100～200 m范圍時(shí)，D相差約1個(gè)量級(jí)。產(chǎn)生該差異的主要原因在于GB經(jīng)驗(yàn)公式中將D與X的關(guān)系簡(jiǎn)單表述為：

(2)

但實(shí)際上天空反散射由于受廠房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)限制，射線能譜及出射方向均受平衡性調(diào)整，因此實(shí)際的D變化表現(xiàn)得較GB經(jīng)驗(yàn)公式的平滑。

2) MCNP-s與MCNP-f的計(jì)算結(jié)果表明，廠房墻體及地面的散射對(duì)D存在一定影響，其影響比值在50%～15%之間。

3) 將同源強(qiáng)60Co點(diǎn)源的4π方向自由出射的劑量率與上述天空反散射影響劑量率在上述X范圍內(nèi)作比值，結(jié)果處于100～500之間。保守的取比值100作以下估算：假定廠房側(cè)墻為密度2.35 g/cm3的混凝土，當(dāng)側(cè)墻的屏蔽厚度約為35 cm 時(shí)(2.35 g/cm3的混凝土對(duì)60Co點(diǎn)源的半衰減厚度為5.2 cm，即劑量率降低100倍需5.2×log2100 cm厚度的混凝土)，屋頂無屏蔽情況下的天空反散射劑量率水平與穿透墻體的輻射劑量率水平相當(dāng)，即當(dāng)側(cè)墻所需的屏蔽厚度達(dá)35 cm以上時(shí)，屋頂應(yīng)考慮輻射屏蔽措施。

4) 圖1中顯示，D隨X的增大而單調(diào)減小。實(shí)際上當(dāng)廠房側(cè)墻達(dá)到一定高度以上時(shí)，D隨X的增大先增大后減小。

5) 由于涉及天空反散射影響的廠房其本身貫穿輻射也較強(qiáng)，因此在廠房外近距離處應(yīng)設(shè)定禁區(qū)[4,7]，以避免廠房外人員意外受照，即近廠房區(qū)域重視貫穿輻射，較遠(yuǎn)區(qū)域重視天空反散射。

3 天空反散射影響因素

參考式(1)從以下幾方面進(jìn)行天空反散射影響因素分析：1) 空間角Ω；2) 放射源標(biāo)高；3) 廠房側(cè)墻高度；4) 源與受照點(diǎn)水平距離X。

3.1 空間角Ω

空間角Ω定義為輻照源對(duì)廠房屋頂所張的立體角，Ω的理論取值范圍為(0，2π][6]。圖2為不同Ω下D的比較。由圖2可知，D與Ω的正比相關(guān)性較好。

3.2 源標(biāo)高

圖3為放射性點(diǎn)源處于廠房?jī)?nèi)不同高度時(shí)D的比較?？梢婋S源位置的升高，D亦緩慢增加。

3.3 廠房側(cè)墻高度

圖4為廠房側(cè)墻高度不同時(shí)D的比較?？煽闯?，D隨廠房側(cè)墻高度的增加而減小，但在同一側(cè)墻高度下，隨X增大，D又存在先增大后減小的出峰現(xiàn)象，且隨著側(cè)墻高度的增加，出峰表現(xiàn)較明顯。天空反散射受散射路徑長(zhǎng)度及康普頓散射角度因素共同影響，長(zhǎng)度越長(zhǎng)、角度越大D越小，由圖4可看出，廠房外近距離處康普頓散射角及遠(yuǎn)距離處散射路徑長(zhǎng)度為制約D變化的主要因素。

圖2 不同空間角下放射性點(diǎn)源天空反散射劑量率的比較Fig.2 Comparison of skyshine dose rate due to γ-ray point-source with different outgoing angles

圖3 不同標(biāo)高下放射性點(diǎn)源天空反散射劑量率的比較Fig.3 Comparison of skyshine dose rate due to γ-ray point-source with different elevations

3.4 源與受照點(diǎn)水平距離X

當(dāng)天空反散射影響不能被忽略時(shí)，應(yīng)在足夠保守的空間范圍內(nèi)進(jìn)行天空反散射影響評(píng)估。

3.5 其他

上述模型中均假定了放射源處于廠房中心，進(jìn)一步模擬計(jì)算表明，當(dāng)放射源較為接近廠房某一面?zhèn)葔r(shí)，該側(cè)墻外天空反散射劑量率較放射源處于中心處時(shí)的低。因此，當(dāng)廠房?jī)?nèi)實(shí)施放射性廢物吊裝操作時(shí)，可根據(jù)廠外環(huán)境布置情況，選擇有利吊裝路線，降低對(duì)生物活動(dòng)區(qū)的輻射照射影響。

圖4 不同廠房側(cè)墻高度下放射性點(diǎn)源天空反散射劑量率的比較Fig.4 Comparison of skyshine dose rate due to γ-ray point-source with different side wall heights

當(dāng)天空反散射影響較為突出時(shí)，通?？煽紤]以下改進(jìn)措施：1) 屋頂實(shí)施屏蔽改進(jìn)，如澆筑混凝土屋頂，屏蔽厚度可近似采用點(diǎn)核積分法估算[10]；2) 采取帶屏蔽容器的方式吊裝放射性廢物包，該種情況應(yīng)注意吊裝工藝接口的協(xié)調(diào)；3) 當(dāng)高放射性廢物吊裝頻次較低時(shí)，可采取廠房外一定區(qū)域的臨時(shí)管制。

4 放射性體源影響分析

圖5 不同體積源天空反散射劑量率的比較Fig.5 Comparison of skyshine dose rate due to γ-ray source with different volumes

圖5為某核電廠放射性廢物暫存廠房尺寸下，假定放射源為不同體積時(shí)的天空反散射劑量率的計(jì)算結(jié)果。圖5中，體積1為0.38 m3，用以表示400 L金屬?gòu)U物桶；體積2為1.18 m3，用以表示該體積范圍的水泥桶；體積3與體積4分別為6.28 m3與21.10 m3，用以對(duì)比分析。由于廢物桶的平均密度接近混凝土密度，因此模型中取廢物桶模型密度為2.35 g/cm3。

由圖5可看出，對(duì)于不同體積的放射性體源，其天空反散射劑量率變化趨勢(shì)與放射性點(diǎn)源的變化趨勢(shì)較為相似。為進(jìn)一步確定體積因素導(dǎo)致的天空反散射劑量率的波動(dòng)情況，定義上述點(diǎn)源與不同體積源的天空反散射劑量率分別為Dp(X)、Dn(X)(n=1，2，3，4)，并假定點(diǎn)源與各體源的天空反散射劑量率比值為Cn(X)(n=1，2，3，4)，即：

(3)

放射性點(diǎn)源與體源的天空反散射劑量率比值的變化曲線如圖6所示。由圖6可看出，放射性體源天空反散射劑量率的變化趨勢(shì)并不完全等同于放射性點(diǎn)源，Cn(X)隨X的增大而增大，且當(dāng)放射源體積增大時(shí)，Cn(X)波動(dòng)幅度增大，原因主要為以下兩方面：1) 放射源體積增加，天空反散射各影響因素的數(shù)值變化，導(dǎo)致Cn(X)無序度增加；2) 放射性廢物自屏蔽效應(yīng)因體積增加而增加，導(dǎo)致Cn(X)無序度增加。但放射源體積在5 m3以內(nèi)、廠外距離不超過300 m時(shí)，放射性體源與點(diǎn)源的天空反散射劑量率比值可視為定值，其波動(dòng)比低于20%。由于屏蔽設(shè)計(jì)考慮2倍安全系數(shù)，因此該波動(dòng)導(dǎo)致的誤差在工程實(shí)踐中可被接受。由此，上述范圍內(nèi)放射性體源的天空反散射劑量率可近似等同于放射性點(diǎn)源的計(jì)算結(jié)果乘以相應(yīng)X處的Cn。

圖6 放射性點(diǎn)源與體源的天空反散射劑量率的比值Fig.6 Ratio of skyshine dose rate due to γ-ray between point-source and body-source

5 結(jié)論

本文采用MCNP模擬計(jì)算了放射性點(diǎn)源天空反散射劑量率水平，對(duì)天空反散射的主要影響因素進(jìn)行了分析，模擬計(jì)算了核電廠不同理論體積放射性廢物在廠房?jī)?nèi)吊裝期間的天空反散射劑量率水平，提出了一種基于放射性點(diǎn)源結(jié)果進(jìn)行放射性體源天空反散射劑量率的快速評(píng)估方法。該方法適用的放射源體積范圍覆蓋了核電廠放射性廢物的通常尺寸，該方法的實(shí)施，可滿足工程實(shí)踐的快速響應(yīng)要求。

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Evaluation of γ-ray Skyshine Dose Rate due to Radioactive Waste Lifting at Nuclear Power Plant

JIANG Zhen-yu1, TANG Shao-hua1, XIONG Jun1, WU Yue-lei2

(1.ChinaNuclearPowerDesignCo.,Ltd.(Shenzhen),Shenzhen518124,China； 2.NuclearandRadiationSafetyCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100088,China)

The γ-ray skyshine due to radioactive point-source was simulated with MCNP in this paper. Moreover, the main factors which affect γ-ray skyshine were studied, and the conclusions provide references for corresponding radiation protection of nuclear power plant. The γ-ray skyshine dose rate due to radioactive waste lifting at nuclear power plant was evaluated specifically, and a rapid evaluation method of γ-ray skyshine dose rate due to radioactive body-source was founded by use of the results of radioactive point-source. The implementation of this method meets the engineering rapid response requirement effectively.

skyshine; radioactive body-source; influence factor

2014-07-21;

2014-10-13

蔣振宇(1983—)，男，江蘇常州人，工程師，碩士，從事輻射防護(hù)設(shè)計(jì)研究

TL77

A

1000-6931(2015)06-1132-05

10.7538/yzk.2015.49.06.1132