1.5 MeV電子輻照平臺屏蔽改造

李長園，蔡 軍，張國慶，王建華，張志宏，徐 杰，夏曉彬

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800）

1.5 MeV電子輻照平臺屏蔽改造

李長園，蔡 軍，張國慶，王建華，張志宏，徐 杰，夏曉彬＊

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800）

針對一臺功率為15 kW的1.5 MeV電子輻照平臺，進行了屏蔽計算分析與改造設(shè)計工作。根據(jù)輻照平臺廠房布局建立三維模型，使用蒙特卡羅方法進行了相應(yīng)屏蔽計算。通過對輻照平臺主屏蔽體外光子劑量率的計算，對已有建筑物墻體的屏蔽效果進行評估。評估結(jié)果表明，建筑物四周墻體厚度滿足設(shè)計要求。對輻照室和門洞等局部位置進行了屏蔽計算設(shè)計，通過對不同屏蔽厚度的計算結(jié)果進行比較，給出了滿足設(shè)計要求的合理可行的設(shè)計方案。為驗證屏蔽計算結(jié)果，在工程驗收階段，對周圍人員活動區(qū)域進行了現(xiàn)場測量。測量結(jié)果表明，輻照平臺原有主體屏蔽及新增局部屏蔽可使光子劑量率低于設(shè)計目標(biāo)值，滿足防護要求。

電子加速器；屏蔽計算；蒙特卡羅；劑量率

釷基熔鹽核能系統(tǒng)（TMSR）電子束輻照平臺是中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所為所承擔(dān)的TMSR戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項建設(shè)的一臺電子加速器裝置，主要用于核電站反應(yīng)堆設(shè)備及電纜材料的β輻照實驗［1］。在加速器上進行β輻照實驗時，電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用產(chǎn)生電離輻射，對周圍人員及環(huán)境造成影響，因此需進行合理的屏蔽防護。該輻照平臺位于中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所嘉定園區(qū)的實驗大廳內(nèi)，輻射防護工作需對該實驗大廳主體屏蔽墻的屏蔽效果進行評估，并在此基礎(chǔ)上進行局部屏蔽改造設(shè)計。本文對原有實驗大廳的主體屏蔽墻屏蔽效果進行計算與評估及在此基礎(chǔ)上進行主要局部屏蔽計算與設(shè)計工作，在工程驗收階段通過對周圍人員活動區(qū)域劑量率水平的現(xiàn)場測量，對屏蔽設(shè)計效果進行驗證。

1 加速器參數(shù)及輻照平臺建筑物概況

TMSR電子束輻照平臺加速器是一臺高頻、高壓電子加速器，主要由鋼桶、高頻電極、高頻變壓器、冷阱、加速管、掃描器、振蕩管、高頻機、調(diào)壓裝置及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其主要參數(shù)列于表1。

圖1 加速器結(jié)構(gòu)Fig.1 Accelerator structure

表1 加速器主要參數(shù)Table 1 Main parameter of accelerator

輻照平臺所在樓體為已有建筑，該建筑大廳南、北墻外側(cè)長15.6 m，東、西墻外側(cè)長20.6 m，內(nèi)高14.9 m，四周墻體厚1.3 m，樓頂厚0.3 m，建筑物樓體材料為普通硅酸鹽混凝土，密度為2.35 g／cm3。建筑物大廳入口位于北墻東側(cè)，原門洞高3.55 m、寬2.95 m。輻照室位于建筑物大廳的西南角，其東西長9.1 m，南北長6.1 m，其中西、南兩面墻為原建筑物墻體，東、北兩面墻為鉛夾板結(jié)構(gòu)。輻照平臺位于輻照室中心位置，整個電子加速裝置均裝在一豎直向下的圓形鋼筒中，電子在加速管中被加速，由上向下豎直打在輻照平臺上。

2 屏蔽設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，放射性工作人員年平均有效劑量不超過20 mSv［2］。遵循合理可行盡量低（ALARA）原則［3－4］，TMSR電子束輻照平臺的屏蔽設(shè)計目標(biāo)值取國家標(biāo)準(zhǔn)劑量限值的1／4，其屏蔽設(shè)計目標(biāo)是保證任何放射性工作人員年平均有效劑量不超過5 mSv。放射性工作場所控制區(qū)中的常規(guī)工作區(qū)，如控制室、四周墻體外圍及防護門口等位置，居留時間按工作人員年工作時間2 000 h計算，其光子劑量率（以下簡稱劑量率）不超過2.5μSv／h。放射性工作場所控制區(qū)中的間斷工作區(qū)，如樓頂位置，居留時間按200 h／a計算，其周圍劑量率不超過25μSv／h。

此外，因輻照室外圍有大量控制儀表電纜，根據(jù)國家核電站用1E級（K3類）控制和儀表電纜標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，控制儀表電纜長期處于輻照環(huán)境中，其累計吸收劑量應(yīng)控制在250 k Gy以下［5］。為保障輻照室周圍的電纜使用壽命，輻照室外輻照大廳內(nèi)劑量率不超過1 Sv／h。

屏蔽設(shè)計中為安全保守考慮，大部分理論計算數(shù)據(jù)均考慮了兩倍安全系數(shù)。但對于需經(jīng)常移動的屏蔽體，如內(nèi)、外防護門，為兼顧其靈活輕便，不宜設(shè)計得過于保守。這些位置的理論計算值均與設(shè)計目標(biāo)值較為接近，在加速器調(diào)試驗證過程中需對這些位置進行重點關(guān)注，若出現(xiàn)劑量率超過設(shè)計目標(biāo)值的情況，需進行局部屏蔽或控制縮減在這些位置的居留時間。

3 屏蔽計算方法與模型

本文屏蔽計算使用基于蒙特卡羅方法的三維粒子輸運MCNP程序［6－8］。屏蔽計算中電子束能量取最大值1.5 Me V；束流強度取10 m A，即電子發(fā)射率為6.25×1016s－1。為減少軔致輻射，在輻照平臺上鋪設(shè)1層5 mm厚的鋁板，即電子輻射靶為鋁靶。采用點探測器F5計數(shù)卡對粒子進行統(tǒng)計計算。使用蒙特卡羅方法計算深穿透問題時，為降低統(tǒng)計誤差，采用全窗生成器計算給出各幾何塊的最佳權(quán)重，采用寫曲面源和讀曲面源進行分層抽樣。同時，為節(jié)約計算時間，提高計算效率，使用多個CPU進行并行運算。

根據(jù)TMSR電子束輻照平臺的物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)布局，建立相應(yīng)的計算模型，如圖2所示。計算模型選擇水平地面為z＝0平面（圖2a）。南墻墻根外邊線為x軸，西墻墻根外邊線為y軸（圖2b）。

圖2 輻照平臺計算模型Fig.2 Calculation model of irradiation platform

4 計算結(jié)果與分析

4.1 主體屏蔽計算評估

實驗大廳原有的四周墻體及樓頂構(gòu)成TMSR電子束輻照平臺的主體屏蔽，其材料均為普通硅酸鹽混凝土，密度為2.35 g／cm3。輻射防護工作需對1.3 m厚的四周墻體和0.3 m厚的樓頂?shù)钠帘涡ЧM行計算評估。表2為四周墻體及樓頂外劑量率的計算結(jié)果，其中總劑量率包含0.2μSv／h的環(huán)境本底。

表2 主屏蔽體外劑量率Table 2 Outside dose rate of main shield

由表2可看出，TMSR電子束輻照平臺四周墻體厚度可滿足屏蔽設(shè)計要求。輻照平臺樓頂劑量率為6.9×102μSv／h，超過了設(shè)計目標(biāo)值25μSv／h，表明0.3 m厚的混凝土樓頂不足以滿足屏蔽設(shè)計要求，整個輻照平臺樓頂面積較大，增加樓頂厚度工程量大、成本高，屏蔽改造工作選擇在輻照實驗大廳內(nèi)面積相對較小的輻照室頂部進行局部屏蔽。北墻東側(cè)有一高3.55 m、寬2.95 m的門洞，該處劑量率為9.2×104μSv／h，超過了設(shè)計目標(biāo)值2.5μSv／h，屏蔽改造工作選擇在該位置設(shè)置防護門進行局部屏蔽。

4.2 輻照室屏蔽計算與分析

TMSR電子束輻照平臺進行材料β輻照實驗時，在加速器周圍將產(chǎn)生大量臭氧等有害氣體，因此需搭建輻照室將其隔離，同時輻照室周圍有大量控制儀表電纜，為防止電纜輻照老化，需輻照室有一定的屏蔽能力。為確定輻照室屏蔽材料厚度，使用MCNP程序?qū)Χ嘟M屏蔽方案進行計算比較。表3、4分別列出了輻照室側(cè)面和頂面的不同屏蔽方案所對應(yīng)的劑量率計算結(jié)果。

表3 輻照室側(cè)面劑量率Table 3 Dose rate at side of irradiation chamber

表4 輻照室頂面劑量率Table 4 Dose rate at top of irradiation chamber

由表3、4可看出，輻照室在不進行任何屏蔽的情況下，其四周及頂面劑量率分別為2.4× 107μSv／h和1.2×107μSv／h，當(dāng)加上鉛夾板屏蔽體后，其劑量率水平快速下降，但隨屏蔽體厚度的增加，劑量率下降速度變緩。主要是因為電子與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的X射線包括兩部分，一部分為電離激發(fā)產(chǎn)生的低能X射線，另一部分為韌致輻射產(chǎn)生的高能X射線。當(dāng)未經(jīng)過任何屏蔽時，低能X射線在總劑量率中占有較大比重，而當(dāng)設(shè)置一定厚度鉛夾板屏蔽體后，低能X射線衰減速度相對較快，從而導(dǎo)致總劑量率下降較快。當(dāng)?shù)湍躕射線經(jīng)過一定屏蔽體后，所占比重下降，而不易屏蔽的高能X射線越積越多，即出現(xiàn)能譜硬化［9］，表現(xiàn)出隨屏蔽體厚度的增加劑量率下降速度變緩的現(xiàn)象。圖3a、b分別為輻照室外側(cè)無屏蔽體和設(shè)置10 mm厚鋼板加10 mm厚鉛板屏蔽體后的光子能譜圖?？煽闯觯?0 mm厚鋼板加10 mm厚鉛板可使光子注量率降低兩個量級以上；低能X射線在鉛夾板中的下降速度較快，整個能譜經(jīng)過鉛夾板屏蔽體后峰值相對右移。由電離激發(fā)產(chǎn)生的X射線能量較低，為使其在整個能譜中得以體現(xiàn)，計算中將整個能譜從0 Me V到1.5 Me V均勻分成300個細小的能量段群，能量段寬度為5 ke V，在未設(shè)置屏蔽體的情況下，各能量段的相對誤差均低于5%；當(dāng)加上屏蔽體后，在總計模擬跟蹤的粒子數(shù)n＝9×108時，大部分能量段的相對誤差低于5%，但有少量能量段的相對誤差在10%左右，所以圖3b中某些能量段出現(xiàn)細微鋸齒形波動。

根據(jù)表3中輻照室側(cè)面不同屏蔽體厚度劑量率的計算結(jié)果，將側(cè)面鉛夾板厚度設(shè)定為10 mm鋼加10 mm鉛。輻照室鉛夾板側(cè)面劑量率為2.2×105μSv／h，小于設(shè)計目標(biāo)值1 Sv／h。根據(jù)表4中輻照室頂面不同屏蔽體厚度劑量率的計算結(jié)果，遵循ALARA原則，將輻照室頂面鉛夾板厚度設(shè)定為10 mm鋼加20 mm鉛，輻照室頂面劑量率為5.1×103μSv／h，小于設(shè)計目標(biāo)值1 Sv／h，樓頂劑量率為9.8μSv／h，小于設(shè)計目標(biāo)值25μSv／h。

圖3 輻照室側(cè)面光子能譜Fig.3 Photon energy spectrum at side of irradiation chamber

4.3 防護門兩側(cè)及頂部屏蔽計算與分析

輻照平臺實驗大廳原門洞高3.55 m、寬2.95 m，若按此預(yù)留空間設(shè)計防護門，防護門總重量將超過10 t，開關(guān)不方便，且造價高昂。因此，將門洞縮小為高2 m、寬1.2 m，對其兩側(cè)及頂部進行屏蔽防護。因存在大型設(shè)備出入的可能，防護門兩側(cè)及頂部均采用可拆卸的鉛夾板進行屏蔽，分別對稱安裝在門洞內(nèi)外兩側(cè)，具體布局設(shè)計如圖4a所示。為方便安裝，同時保證防護門兩側(cè)及上、下外表面均在同一垂直平面，屏蔽門兩側(cè)及頂部鉛夾板均采用同一厚度。為找出合理可行的厚度，分別計算多組不同厚度鉛夾板的屏蔽效果，表5列出了部分計算結(jié)果，該計算數(shù)值包含周圍0.2μSv／h的環(huán)境本底。

圖4 門洞兩側(cè)及頂部屏蔽設(shè)計Fig.4 Shielding design on two sides and top of door

表5 門洞外側(cè)劑量率Table 5 Dose rate at outside of door

根據(jù)表5中的計算數(shù)據(jù)，遵循ALARA原則，鉛夾板厚度設(shè)計為20 mm鋼加50 mm鉛，即表5中方案3。為保證鉛夾板屏蔽體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，將其設(shè)計成5層結(jié)構(gòu)，從中間向兩側(cè)依次為10 mm厚的鋼支撐結(jié)構(gòu)、25 mm厚的鉛屏蔽體結(jié)構(gòu)和5 mm厚的鋼封面，如圖4b所示。

4.4 防護門屏蔽計算與分析

防護門由鋼板和鉛板組合而成，針對其不同厚度組合方式，使用MCNP程序?qū)﹂T外劑量率進行計算，表6列出了部分計算結(jié)果，其中門外劑量率包含周圍0.2μSv／h的環(huán)境本底。

表6 防護門外劑量率Table 6 Dose rate at outside of shielding door

根據(jù)表6中的計算數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)鋼板厚度為40 mm左右時，防護門鉛板厚度至少需60 mm。設(shè)計中為避免防護門過重造成開關(guān)不便，將防護門分成內(nèi)、外兩扇，其中內(nèi)防護門為20 mm厚的鋼加20 mm厚的鉛，共計5層結(jié)構(gòu)，如圖5所示；外防護門為22 mm厚的鋼加40 mm厚的鉛，共計5層結(jié)構(gòu)，如圖6所示。兩扇防護門總厚度為42 mm的鋼加60 mm的鉛，即表6中的方案6組合方式。

圖5 內(nèi)側(cè)防護門Fig.5 Inner shielding door

根據(jù)防護門兩側(cè)、頂部及防護門最終的屏蔽設(shè)計，對屏蔽后的門洞外側(cè)周圍劑量率分布進行計算，其各點位置的劑量率列于表7，包含周圍0.2μSv／h的環(huán)境本底。其中各計算點的位置坐標(biāo)與上述計算模型的坐標(biāo)軸對應(yīng)，坐標(biāo)單位為m。

圖6 外側(cè)防護門Fig.6 Outer shielding door

5 現(xiàn)場測量結(jié)果

TMSR電子束輻照平臺在工程驗收階段，以15 k W最大功率正常運行時，分別使用便攜式451P電離室探測器和6150AD-b碘化鈉探測器［10－11］對加速器周圍人員可能活動區(qū)域的關(guān)鍵位置點進行現(xiàn)場測量，兩種探測器各測3組數(shù)據(jù)，將6組數(shù)據(jù)的平均值作為現(xiàn)場測量值，其測量結(jié)果列于表8。其中，四周混凝土墻體外側(cè)的劑量率測量值為0.2μSv／h，接近環(huán)境本底水平，說明四周原有混凝土墻體厚度滿足屏蔽要求；防護門東、西兩側(cè)及頂部鉛夾板外的劑量率測量值均在0.2～0.4μSv／h范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求；外防護門外側(cè)周圍的劑量率測量值為1.8μSv／h，低于設(shè)計目標(biāo)值2.5μSv／h，滿足設(shè)計要求。表8中計算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)對比，二者存在一定偏差，計算數(shù)據(jù)均略大于現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，說明理論計算中所假定的計算條件相對安全保守。對于固定的屏蔽體如輻照大廳墻體、防護門東西兩側(cè)及頂部固定鉛夾板，其外側(cè)劑量率水平遠低于設(shè)計目標(biāo)值，符合屏蔽工程設(shè)計中ALARA原則。對于需頻繁移動的屏蔽體，如內(nèi)、外防護門，屏蔽設(shè)計中在保障安全的前提下盡量輕巧靈活、方便使用。門洞外側(cè)劑量率水平的計算值與測量值均略低于屏蔽設(shè)計目標(biāo)值，滿足輻射屏蔽的安全要求，同時兩扇防護門的重量均小于2 t，可方便地手動打開。

表7 門洞外側(cè)光子劑量率分布Table 7 Dose rate distribution at outside of door

表8 電子束輻照平臺關(guān)鍵位置點劑量率Table 8 Dose rate at important location of electron beam irradiation platform

6 結(jié)論

1）TMSR電子束輻照平臺大廳四周主屏蔽墻體厚度滿足要求。加速器以最大功率正常運行時，墻體四周劑量率均在0.2μSv／h左右，低于設(shè)計目標(biāo)值2.5μSv／h，滿足屏蔽設(shè)計要求。

2）TMSR電子束輻照平臺輻照室鉛夾板設(shè)計合理可行。加速器以最大功率正常運行時，其側(cè)面鉛夾板外和頂面劑量率均低于設(shè)計目標(biāo)值1 Sv／h，可保障四周電纜的使用壽命。

3）防護門及其兩側(cè)、頂部鉛夾板設(shè)計合理可行。加速器以最大功率正常運行時，門洞外側(cè)最大劑量率低于設(shè)計目標(biāo)值2.5μSv／h，滿足屏蔽設(shè)計要求。

［1］ 江綿恒，徐洪杰，戴志敏.未來先進核裂變能——TMSR核能系統(tǒng)［J］.中國科學(xué)院院刊，2012，27（3）：366-367.

JIANG Mianheng，XU Hongjie，DAI Zhimin. Advanced fission energy program：TMSR nuclear energy system［J］.Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2012，27（3）：366-367（in Chinese）.

［2］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 18871—2002 電離輻射防護與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［3］ 潘文.ALARA原則［J］.中國核工業(yè)，1998（2）：51.

［4］ 楊紹偉，黃穗，楊錦元，等.ALARA原則在兒童口腔全景攝影中的應(yīng)用［C］∥2012全國兒科影像醫(yī)學(xué)高峰論壇論文集.［出版地不詳］：［出版者不詳］，2012：105-106.

［5］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.Q／320282GAD041.2—2006 核電站用1E級（K3類）控制和儀表電纜標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［6］ 裴鹿成，張孝澤.蒙特卡羅方法及其在粒子輸運問題中的應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，1980.

［7］ 許淑艷.蒙特卡羅方法在實驗核物理中的應(yīng)用（修訂版）［M］.北京：原子能出版社，2006.

［8］ LANL Group.MCNP5：A general Monte Carlo code for neutron and photon transport，LA-7369-M［R］.US：USAEC，1979.

［9］ 李星洪.輻射防護基礎(chǔ)［M］.北京：原子能出版社，1982.

［10］李風(fēng)光，黃巍.三種常用輻射探測器對醫(yī)用X射線防護監(jiān)測適用性的討論［J］.科協(xié)論壇（下半月），2013（9）：152-153.

［11］趙同強，吳家兵，盧銳，等.幾種常用的X、γ射線輻射防護監(jiān)測儀器的適用性比較與分析［J］.中國輻射衛(wèi)生，2012，21（3）：338-339.

Shielding Structure Modification of 1.5 MeV Electron Irradiation Platform

LI Chang－yuan，CAI Jun，ZHANG Guo-qing，WANG Jian-hua，ZHANG Zhi-hong，XU Jie，XIA Xiao-bin＊
（Shanghai Institute of Applied Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201800，China）

The shielding calculation and design modification work were performed for a 1.5 Me V electron irradiation platform of 15 k W.Based on the structure of irradiation platform，a three-dimensional model was constructed for shielding calculation using Monte Carlo code.The shielding ability of the walls was evaluated through calculation，and it is found that the design meets requirements.The shielding structure of the irradiation chamber and the door was determined based on the comparison of different shielding calculation results.Measurements were carried out to verify the calculation results at the end of project phase.The measured results show that the wall and new shielding structure provide proper shielding，which reduces the photon dose rate below the design goal.

electron accelerator；shielding calculation；Monte Carlo；dose rate

TL77

：A

1000-6931（2015）09-1715-07

10.7538／yzk.2015.49.09.1715

2014-05-29；

2014-10-21

李長園（1984—），男，湖北襄陽人，工程師，碩士，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)

＊通信作者：夏曉彬，E-mail：xiaxiaobin＠sinap.ac.cn