核動(dòng)力艦船生物屏蔽技術(shù)

何景異，陳小鄒，孫鵬才，陳煜浩，(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

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核動(dòng)力艦船生物屏蔽技術(shù)

何景異*，陳小鄒，孫鵬才，陳煜浩，*
(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

摘要:核動(dòng)力艦船生物屏蔽不同陸上核動(dòng)力裝置生物屏蔽，其重量、體積受到極大限制，屏蔽空間也極度不規(guī)則。如何設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上可行、體積小、重量輕、相對(duì)性能最佳的生物屏蔽，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。本文概述了核動(dòng)力艦船生物屏蔽設(shè)技術(shù)的特點(diǎn)和要求；總結(jié)了核動(dòng)力艦船生物屏蔽設(shè)計(jì)的一般方法、設(shè)計(jì)流程和生物屏蔽材料研制及應(yīng)用情況；提出了將點(diǎn)核積分法同蒙特卡羅方法相結(jié)合的核動(dòng)力艦船生物屏蔽設(shè)計(jì)方法，可為核動(dòng)力艦船生物屏蔽設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：生物屏蔽；點(diǎn)核積分法；蒙特卡羅方法；生物屏蔽材料

0　引言

核動(dòng)力艦船生物屏蔽是為防止核動(dòng)力裝置運(yùn)行時(shí)，從反應(yīng)堆裝置表面、一回路冷卻劑及其回路設(shè)備輻射出的 γ 射線和中子對(duì)人員產(chǎn)生的危害而設(shè)置的，是艦船輻射安全的重要防護(hù)設(shè)施。因此，核動(dòng)力艦船生物屏蔽是艦船設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行首要考慮的問(wèn)題之一。核動(dòng)力艦船屏蔽不同于陸上核動(dòng)力裝置，其重量、體積都受到極大的限制，輻射源復(fù)雜多變，系統(tǒng)、設(shè)備、管路眾多，屏蔽空間不規(guī)則，裝配空間有限，是一個(gè)十分復(fù)雜的輻射屏蔽幾何空間。就在確保人員的輻射安全下，如何設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上可行、體積小、重量輕、相對(duì)性能最佳的生物屏蔽，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是一門工程藝術(shù)，其牽涉到艦船總體設(shè)計(jì)、艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、核動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)、輻射防護(hù)設(shè)計(jì)等多門學(xué)科。生物屏蔽計(jì)算方法的研究和生物屏蔽材料的開發(fā)應(yīng)用是屏蔽技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，其對(duì)核動(dòng)力艦船生物屏蔽技術(shù)的發(fā)展又顯得尤為重要。以下將從核動(dòng)力艦船生物屏蔽設(shè)計(jì)要求和特點(diǎn)、生物屏蔽計(jì)算方法和生物屏蔽材料幾方面闡述核動(dòng)力艦船生物屏蔽設(shè)計(jì)技術(shù)。

1　核動(dòng)力艦船生物屏蔽設(shè)計(jì)要求及特點(diǎn)

核動(dòng)力艦船生物屏蔽設(shè)計(jì)必須同艦船總體、結(jié)構(gòu)、核動(dòng)力裝置等作為一個(gè)整體給予考慮，其為艦船總體、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、核動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)等的輸入條件之一，同時(shí)艦船生物屏蔽設(shè)計(jì)必須結(jié)合艦船總體、結(jié)構(gòu)、核動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)特點(diǎn)。核動(dòng)力艦船生物屏蔽作為核動(dòng)力艦船核安全的重要組成部分，在設(shè)計(jì)上絕不能采取權(quán)宜之機(jī)，結(jié)構(gòu)工藝更不能草率行事。

為保證人員輻射的安全，核動(dòng)力艦船生物屏蔽必須滿足下述要求：

1）保證人員年接受外照射的劑量滿足艦船輻射屏蔽規(guī)范設(shè)計(jì)準(zhǔn)則規(guī)定的限值；

2）保證在反應(yīng)堆艙相鄰艙室執(zhí)行任務(wù)的人員照射的劑量不超過(guò)容許劑量水平；

3）允許在限定時(shí)間內(nèi)通過(guò)堆艙通道；

4）艦船離靠碼頭時(shí)，允許人員在甲板上進(jìn)行必要的操作；

5）保證取樣人員的安全。

生物屏蔽設(shè)計(jì)同一次屏蔽設(shè)計(jì)是緊密相連的，一次屏蔽設(shè)計(jì)結(jié)果將直接作為生物屏蔽設(shè)計(jì)的輸入條件之一。因此需綜合考慮一次屏蔽和生物屏蔽的屏蔽效果、總重量、可行性和經(jīng)濟(jì)性，合理分配兩者在屏蔽中起的作用。盡可能使一次屏蔽表面劑量同管路、設(shè)備冷卻劑劑量處于同一數(shù)量級(jí)，以減輕生物屏蔽重量。在明確上述要求和關(guān)系后，核動(dòng)力艦船生物屏蔽設(shè)計(jì)一般遵循以下的流程：

1）根據(jù)艦船總體布置、艦船結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)管路設(shè)備的要求，確定核動(dòng)力艦船生物屏蔽的布置位置；

2）根據(jù)不同的位置、停留時(shí)間及相關(guān)規(guī)定確定生物屏蔽有關(guān)部位的劑量要求；

3）充分地利用反應(yīng)堆艙內(nèi)設(shè)備的合理布置，有效的發(fā)揮其設(shè)備的陰影屏蔽作用，使堆艙內(nèi)的輻射源獲得相互減弱，以達(dá)到減輕生物屏蔽的重量；

4）選擇合理的屏蔽計(jì)算方法；

5）根據(jù)艦船重量、體積、劑量及總體布置等要求，在經(jīng)濟(jì)上可行、盡可能降低輻射劑量水平的前提下選擇合理、高效能的屏蔽材料；

6）計(jì)算生物屏蔽厚度；

7）針對(duì)通艙管路、空腔、孔縫和不規(guī)則部位采取局部加強(qiáng)措施；

8）核算生物屏蔽重量，經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化屏蔽結(jié)構(gòu)。

以上設(shè)計(jì)工作是逐步深化、反復(fù)迭代的的過(guò)程，需不斷的改進(jìn)設(shè)計(jì)。特別是如何利用艙內(nèi)設(shè)備的合理布置，充分發(fā)揮設(shè)備的陰影屏蔽作用，這將起到事半功倍的效果，但需同艦船總體設(shè)計(jì)和核動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)不斷溝通、協(xié)調(diào)，綜合考慮。由于所選取計(jì)算方法本身存在不足和輸入?yún)?shù)的理想化、經(jīng)驗(yàn)化，必須在設(shè)計(jì)時(shí)加入一定的安全系數(shù)。生物屏蔽設(shè)計(jì)計(jì)算完后，由于艙內(nèi)空間狹小，還需充分考慮建造、裝配的可行性。施工過(guò)程嚴(yán)格控制裝配過(guò)程中孔縫的出現(xiàn)，防止輻射泄漏。通艙管路、空腔、孔縫和不規(guī)則部位給生物屏蔽計(jì)算帶來(lái)了很大的困難，直接破壞理想計(jì)算狀態(tài)下生物屏蔽結(jié)構(gòu)的完整性，給生物屏蔽設(shè)計(jì)計(jì)算帶來(lái)不確定性的因素。特別是孔縫的影響，目前沒(méi)有完整的科學(xué)計(jì)算手段，一方面是設(shè)有一定的安全系數(shù)，另一方面還需工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行局部修正。設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量避免和減少孔縫的產(chǎn)生。

2　核動(dòng)力艦船生物屏蔽計(jì)算方法

選取合適的屏蔽計(jì)算方法是保證核動(dòng)力艦船輻安全的關(guān)鍵。以何種較為簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確而又普遍適用的方法來(lái)處理輻射源復(fù)雜多變，系統(tǒng)、設(shè)備、管路眾多，屏蔽空間不規(guī)則的復(fù)雜幾何空間的輻射屏蔽問(wèn)題，一直是人們研究的重點(diǎn)。隨著國(guó)際原子能委員會(huì)對(duì)輻射安全的要求越來(lái)越嚴(yán)和監(jiān)測(cè)手段的提高，各國(guó)家對(duì)核安全越來(lái)越重視。其對(duì)輻射安全的研究也越來(lái)越深入，核輻射安全的理論和有關(guān)的計(jì)算軟件也得到迅速的發(fā)展。就核動(dòng)力生物屏蔽技術(shù)而言，先后提出了兩種不同但各有所長(zhǎng)的方法，即點(diǎn)核積分方法和蒙特卡羅方法。

2.1點(diǎn)核積分方法[1,2]

點(diǎn)核積分法是美國(guó)開發(fā)的專門用于反應(yīng)堆主回路設(shè)備間 γ 射線輻射屏蔽設(shè)計(jì)。其主要是采用等值點(diǎn)源法、外壁面等劑量率法、陰影屏蔽綜合技術(shù)法、多層屏蔽能譜減弱法等。同時(shí)充分考慮輻射源的自吸收作用、輻射源的角度效應(yīng)、斜穿屏蔽層的積累影響、散射作用等各種輻射減弱因素。其主要計(jì)算公式如下：

其中：

Dk第 k 個(gè)劑量點(diǎn)的劑量率；

dik第 i 個(gè)等效點(diǎn)源到第 k 個(gè)劑量點(diǎn)的距離；

BN歸一皮波斯積累因子；

Cbk垂直穿透二次屏蔽第 k 個(gè)單元的減弱因子；

(OA)m第 m 個(gè)陰影屏蔽體的減弱系數(shù)；

n等效點(diǎn)源的總個(gè)數(shù)；

m陰影屏蔽體的總個(gè)數(shù)；

Csi第 i 個(gè)等效點(diǎn)源的源強(qiáng)；

等值點(diǎn)源法：將反應(yīng)堆側(cè)面和頂部面源以及一回路管道和設(shè)備冷卻劑體源離散成相當(dāng)?shù)戎迭c(diǎn)源。反應(yīng)堆側(cè)面和頂部面源離散點(diǎn)的強(qiáng)度等于該面元幾何中心點(diǎn)的源強(qiáng)同該離散面源面積的乘積；一回路管道和設(shè)備冷卻劑離散體源強(qiáng)度等于離散體源中心點(diǎn)的源強(qiáng)同離散單元體積、密度的乘積。

外壁面等值劑量率法：根據(jù)外壁面等值點(diǎn)劑量大小確定其屏蔽厚度，不同劑量大小采取不同的屏蔽厚度。

陰影屏蔽綜合技術(shù)法：計(jì)算各離散點(diǎn)源對(duì)劑量點(diǎn)的貢獻(xiàn)時(shí)，需考慮該離散點(diǎn)源同劑量點(diǎn)之間是否有設(shè)備的屏蔽作用，即陰影屏蔽體。在輻射屏蔽設(shè)計(jì)中用“打中”或“打不中”技術(shù)判斷。為簡(jiǎn)化計(jì)算，所用的設(shè)備簡(jiǎn)化為圓柱體，如果源點(diǎn)和劑量點(diǎn)的連線穿過(guò)圓柱體，則為“打中”。打中其陰影屏蔽因子為某一固定值或者為“絕對(duì)黑體”，即該源點(diǎn)對(duì)劑量點(diǎn)的貢獻(xiàn)為零，這需事先根據(jù)設(shè)備的大小，預(yù)先設(shè)定各設(shè)備的陰影屏蔽因子。

多層屏蔽能譜減弱法：γ 射線垂直穿透反應(yīng)堆堆艙屏蔽體的積累因子采用能譜方法計(jì)算，其數(shù)值與材料本身、屏蔽材料的組合和厚度有關(guān)，與入射 γ 射線的初始能量及其在屏蔽材料中的散射能譜有關(guān)，相關(guān)的γ 射線在屏蔽材料中的散射能譜和有關(guān)參數(shù)，均需人工事前從散射能譜中查取。

自吸收作用：輻射源輻射出的 γ 射線首先收到自身介質(zhì)的減弱，自吸收因子與輻射源的能量、射線穿行的介質(zhì)和距離相關(guān)。

輻射源的角度效應(yīng)：等效的點(diǎn)源不能視為各向同向性點(diǎn)源，需根據(jù)等效點(diǎn)源的類型、位置作修正，這一般依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)修正。

斜穿效應(yīng)：用歸一皮波斯積累因子和 γ 射線垂直穿透反應(yīng)堆堆艙屏蔽體積累因子的乘積來(lái)綜合考慮 γ射線對(duì)反應(yīng)堆堆艙屏蔽體的斜穿效應(yīng)。歸一波斯積累因子的乘積之值可從“歸一波斯因子—cosθ 曲線圖”中查得，其中 θ 為反應(yīng)堆堆艙屏蔽體法線與點(diǎn)源和劑量點(diǎn)連線之間所形成的銳角。

從上述可看出點(diǎn)核積分法理論基礎(chǔ)比較直觀，等效處理較多，經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，但其公式和參數(shù)多來(lái)源于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程實(shí)踐，因此在工程中有著廣泛的應(yīng)用，其宏觀性好，計(jì)算效率高。特別適用于復(fù)雜幾何空間輻射屏蔽的計(jì)算。

2.2蒙特卡羅方法

蒙特卡羅（Monte Carlo）方法，又稱隨機(jī)抽樣或統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，是一種數(shù)值分析方法。由于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法不能逼近真實(shí)的物理過(guò)程，很難得到滿意的結(jié)果，而 Monte Carlo 方法通過(guò)描述概率過(guò)程實(shí)現(xiàn)已知概率分布抽樣、建立各種估計(jì)量。從而能夠真實(shí)地模擬了實(shí)際物理過(guò)程，故其解決問(wèn)題與實(shí)際非常符合，這是目前國(guó)際原子能委員會(huì)確認(rèn)的最好輻射安全計(jì)算方法。由美國(guó)的洛斯·阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和橡樹林國(guó)家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用蒙特卡洛方法開發(fā)的 MCNP 軟件，是一套通用的、三維空間中連續(xù)能量中子、光子和帶電粒子聯(lián)合輸運(yùn)過(guò)程模擬程序，在軍事和工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。MCNP 比較適宜計(jì)算和處理復(fù)雜幾何空間的粒子輸運(yùn)問(wèn)題和粒子泄漏問(wèn)題。但對(duì)核動(dòng)力艦船反應(yīng)堆艙尺寸比較大、設(shè)備外形復(fù)雜、屏蔽體厚度也比較大，輸入復(fù)雜，誤差的概率性和收斂方面不足,機(jī)時(shí)量將過(guò)大，難以到達(dá)預(yù)計(jì)的計(jì)算精度，因而在實(shí)際計(jì)算中受到一定的限制。

綜合起來(lái)看，點(diǎn)核積分法和蒙特卡洛方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。就核動(dòng)力艦船生物屏蔽計(jì)算而言，點(diǎn)核積分法側(cè)重于從宏觀計(jì)算屏蔽效果，蒙特卡羅方法側(cè)重于從微觀計(jì)算屏蔽效果。蒙特卡羅方法在生物屏蔽材料研制、規(guī)則幾何模型屏蔽性能計(jì)算等方面具有點(diǎn)核積分法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，特別是在新型復(fù)合屏蔽的研制方面。將蒙特卡羅方法用于計(jì)算點(diǎn)核積分方法中材料性能、設(shè)備屏蔽性能等參數(shù)，兩種方法結(jié)合計(jì)算，用蒙特卡羅方法彌補(bǔ)點(diǎn)核積分方法的經(jīng)驗(yàn)性，這將極大的提高計(jì)算結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性。結(jié)合堆艙的輻射水平，有針對(duì)性采用蒙特卡羅方法進(jìn)行局部屏蔽和孔縫泄漏計(jì)算，改進(jìn)局部屏蔽，加強(qiáng)孔縫的控制，完善點(diǎn)核積分法的計(jì)算結(jié)果。

3　核動(dòng)力艦船生物屏蔽材料[3]

生物屏蔽材料的選擇是核動(dòng)力艦船生物屏蔽設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。把材料選擇和與其相關(guān)的性能最佳化，兩者結(jié)合考慮就能顯著降低屏蔽造價(jià)和減輕其重量。在選擇材料時(shí)，主要考慮中子和 γ 射線的屏蔽性能。一般來(lái)說(shuō)，對(duì) γ 射線具有良好減弱性能的材料也會(huì)因發(fā)生中子非彈性散射和輻射俘獲而產(chǎn)生二次 γ 射線。因此，次級(jí)輻射的產(chǎn)生也是應(yīng)該考慮的因素。不同目的決定了需要選擇不同的材料，就陸上固定式的核動(dòng)力堆系統(tǒng)而言，價(jià)格是首要的考慮因素。因此在選擇屏蔽材料時(shí)，選用混凝土成了基本方針。對(duì)核動(dòng)力艦船，總重量和體積成了首要考慮的因素，其生物屏蔽材料具有以下特點(diǎn)：

1）密度盡可能大；

2）氫含量盡可能的高；

3）在中子吸收或慢化的過(guò)程中所放出的俘獲 γ 輻射的能量盡可能的低；

4）具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和可加工工藝性能；

5）熱穩(wěn)定性、耐熔性和耐腐蝕性要好；

6）材料常溫或受熱的情況下無(wú)揮發(fā)性毒氣釋放；

7）價(jià)格盡可能的低。

目前還沒(méi)有任何一種材料滿足上述要求，所以在建造時(shí)必須選擇不同材料構(gòu)成多層屏蔽。目前核動(dòng)力艦船生物屏蔽材料主要有水、聚乙烯、鉛、鑄鐵、混凝土等。在先進(jìn)生物屏蔽材料領(lǐng)域，國(guó)外已開展了大量的研究工作，主要以蒙特卡羅方法為基礎(chǔ)，試驗(yàn)相結(jié)合的辦法，取得了一定的成果。法國(guó)研制出一種加入硼等物質(zhì)的櫸木材料，已用于核潛艇和戴高樂(lè)航空母艦上，取得了良好的效果。美國(guó)航空航天總署一直在研制防護(hù)高能宇宙 γ 射線的復(fù)合屏蔽材料，其設(shè)計(jì)的貧鈾混和材料對(duì)于 γ 射線有很好的屏蔽效果，但由于核潛艇堆艙內(nèi)有很強(qiáng)的中子輻射，會(huì)引起貧鈾的活化，所以不能采用該材料的設(shè)計(jì)思路。日本也在上世紀(jì) 90 年代研制出一些天然橡膠加入氧化釓等物質(zhì)的復(fù)合屏蔽材料。

4　結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了核動(dòng)力艦船生物屏蔽設(shè)計(jì)的要求與特點(diǎn)，以及生物屏蔽材料要求與研制進(jìn)展；針對(duì)點(diǎn)核積分方法和蒙特卡羅方法進(jìn)行了對(duì)比，兩種方法各有所長(zhǎng)，點(diǎn)核積分法側(cè)重于宏觀層面的屏蔽計(jì)算，適合大型復(fù)雜幾何空間的計(jì)算，蒙特卡羅方法側(cè)重于微觀屏蔽計(jì)算，適合規(guī)整空間或局部屏蔽空間的計(jì)算。

針對(duì)核動(dòng)力艦船復(fù)雜的輻射屏蔽幾何空間，在進(jìn)行生物屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，可采用點(diǎn)核積分法進(jìn)行整體宏觀計(jì)算，初步確定屏蔽厚度及屏蔽效果，采用蒙特卡羅方法進(jìn)行屏蔽層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及孔道屏蔽計(jì)算，校核、修正點(diǎn)核積分法的計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化點(diǎn)核積分法設(shè)計(jì)結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]CZAPEK E, GLUINO R, PIERCE S, et al. Gamma shield design for primary coolant sources using the IBM type 650 computer[R]. AECU-3778. Oak Ridge, Tenn.: U.S. Atomic Energy Commission, Technical Information Extension, 1956.

[2]李春槐. 反應(yīng)堆主回路設(shè)備間輻射屏蔽設(shè)計(jì)方法述評(píng)[J]. 核動(dòng)力工程, 2003, 24(5): 486–489. LI Chun-huai. Assessment of reactor primary loop compartments radiation shielding design method[J]. Nuclear power engineering, 2003, 24(5): 486–489.

[3]N M 謝弗. 核反應(yīng)堆屏蔽工程學(xué)[M]. 北京: 原子能出版社, 1983: 473–516. SCHAEFFER N M. Reactor shielding for nuclear engineers[M]. HUA Ping, trans. Beijing: Atomic Press, 1983: 473–516.

Research on Biological Shielding of Nuclear Power Naval Ship

HE Jing-yi, CHEN Xiao-zou, CHEN Huan, Sun Peng-cai, CHEN Yu-hao
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, Hubei Province, China)

Abstract:The biological shielding of nuclear power naval ship is different from the biological shielding of nuclear power reactor on land.The weight and volume of the biological shielding is greatly restricted. The shielding space is extemely irregular. How to design economically reasonable, technically feasible,small volume, light weight, relative performance best biological shielding is a complex system engineering. This paper gives characteristics and requirements about biological shielding design of nuclera power naval ship; Summarizes the general method of biological shielding, process of biological shielding design, study and application of biological shielding mateiral; proposes integrated Monte-Carlo method and Poine-kernel integral method for the biological shielding of nuclera power naval ship. This paper can give some reference to the biological shielding of nuclear power naval ship design.

Key words:Poine-kernel integral method；Monte-Carlo method；Biological shielding mateiral

作者簡(jiǎn)介:何景異(1982–)，男，工程師，研究方向?yàn)榇翱傮w設(shè)計(jì)。

收稿日期:2015–07–01； 修回日期: 2015–08–12

文章編號(hào)：1672–7619(2016)03–0120–04

doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.025

中圖分類號(hào)：TL328

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A