艦船核輻射防護(hù)領(lǐng)域中的蒙特卡洛方法應(yīng)用

蔣帥，陳曉，彭玉輝，王俊新

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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艦船核輻射防護(hù)領(lǐng)域中的蒙特卡洛方法應(yīng)用

蔣帥，陳曉，彭玉輝，王俊新

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

假設(shè)核動(dòng)力艦船發(fā)生放射性物質(zhì)泄漏事件，建立水立方模型與含骨層的水立方模型，選取多種能量的光子源，通過(guò)蒙特卡洛粒子輸運(yùn)程序MCNP5對(duì)模型關(guān)注柵元進(jìn)行能量沉積模擬計(jì)算。結(jié)果表明，在制定核動(dòng)力航母的輻射防護(hù)系統(tǒng)初步方案時(shí)，不僅要從宏觀層面考慮到船員的年平均有效吸收劑量，還有必要結(jié)合人體各個(gè)器官的耐受劑量特點(diǎn)，對(duì)各器官的年當(dāng)量劑量做出嚴(yán)格的規(guī)定。

艦船；輻射防護(hù)；能量沉積；MCNP5

目前我國(guó)的核動(dòng)力航母建造項(xiàng)目勢(shì)在必行，必須建立一套行之有效的航母輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，包括關(guān)于艇員承受劑量限值的確定[1]。為此，考慮建立相應(yīng)的模型，使用蒙特卡洛粒子輸運(yùn)程序MCNP5進(jìn)行特定情況下關(guān)注粒子的輸運(yùn)的數(shù)值模擬計(jì)算，為船員最終劑量限值的確定提供參考。選擇不同能量的光子源，建立簡(jiǎn)單的立方體水模型，以及含骨層的水立方模型，通過(guò)MCNP5對(duì)關(guān)注柵元進(jìn)行光子能量沉積計(jì)算，用以進(jìn)行直觀的初步分析。

1 方法與工具

1.1 粒子輸運(yùn)程序MCNP簡(jiǎn)介

國(guó)際上目前存在多種成熟的蒙特卡洛粒子輸運(yùn)計(jì)算程序，例如MCNP5，Geant4，EGS，F(xiàn)LUKA等，目前MCNP最廣為熟知和使用，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用[2]。MCNP5程序是由美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(los alamos national library,LANL)開(kāi)發(fā)，可以對(duì)復(fù)雜的任何三維幾何模型進(jìn)行粒子輸運(yùn)模擬。MCNP5程序需要的輸入信息主要需要INP文件、截面數(shù)據(jù)庫(kù)文件以及XSDIR文件，其中INP文件由使用者自己構(gòu)建，文件中需要包含所要研究問(wèn)題的必須的全部輸入信息。INP文件采用卡片結(jié)構(gòu)，主要由標(biāo)題卡、柵元卡、曲面卡、數(shù)據(jù)卡等幾部分組成。柵元卡和曲面卡主要用來(lái)定義幾何模型，曲面卡定義組成柵元的曲面，柵元卡定義整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)基本封閉單元以及相應(yīng)的物理信息，柵元之間不能重疊，并且研究空間必須由柵元填滿。數(shù)據(jù)卡部分主要用于描述問(wèn)題類型、源描述、材料描述、計(jì)數(shù)描述及問(wèn)題截?cái)鄺l件等，同時(shí)這部分還可以使用豐富的降低方差技巧。

1.2 模型條件設(shè)置

人體含水70%，主要構(gòu)成元素為氫、氧、碳、氮、鈣、磷等，其中骨的成分主要為鈣、氧、碳、磷、氮、鈉等。用一個(gè)10 cm×10 cm×10 cm的液態(tài)水立方體代表人體組織，以做人體器官接受一定能量射線輻照后的初步的劑量分布模擬計(jì)算，該模型均勻細(xì)分成1 000個(gè)邊長(zhǎng)為1 cm的小立方體，在坐標(biāo)系中，假設(shè)模型中心位于坐標(biāo)系原點(diǎn)。

再用1個(gè)10 cm×2 cm×10 cm的骨層取代立方體Y=0～2 cm之間的水層，再進(jìn)行模擬，模型見(jiàn)圖1。

假設(shè)核動(dòng)力航母受到敵對(duì)勢(shì)力攻擊，反應(yīng)堆發(fā)生放射性物質(zhì)泄漏事故，且艙防護(hù)門(mén)受損，形成一個(gè)20 cm×20 cm的光子面源。在坐標(biāo)系中，假設(shè)該面源垂直于Y軸并位于面Y=-10 cm上，面源中心在Y軸上，源粒子方向?yàn)楦黜?xiàng)同性。

為了便于研究以及直觀比較，光子面源先取140 kVp的光子能量譜對(duì)水立方和含骨層水立方模型進(jìn)行能量沉積模擬計(jì)算。面源再分別取能量為10 MeV和0.5 MeV的單能光子源，對(duì)水立方體模型進(jìn)行能量沉積模擬計(jì)算。

計(jì)算中模擬1×107個(gè)粒子，使得結(jié)果誤差控制在3%以下。

2 結(jié)果分析

2.1 水立方體與含骨層水立方體模型數(shù)據(jù)對(duì)比

在模擬計(jì)算中，首先光子面源選取140 kVp的光子能量譜。選擇X=0～1 cm之間的100個(gè)小水立方體柵元作為研究對(duì)象，選擇F6計(jì)數(shù)卡以計(jì)算每個(gè)柵元中心點(diǎn)處的能量沉積，把數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件處理，可以得到X=0.5 cm處YZ面的能量沉積的分布，見(jiàn)圖2、圖3，其中能量沉積單位為MeV/g。

類似可以得到Y(jié)=0.5 cm處XZ面的能量沉積分布，見(jiàn)圖4、圖5。Z=0.5 cm處XY面的能量沉積分布大致與X=0.5 cm處YZ面的能量沉積分布類似，不再贅述。

比較圖2與圖3，光子的能量主要沉積在骨層上，含骨層水立方體模型能量沉積值約為純水立方體模型能量沉積值的10倍，除去骨層，靠近面源的前端部分柵元能量沉積稍高，其余各柵元的能量沉積較低且分布相對(duì)均勻。水立方體模型柵元的能量沉積則沿著遠(yuǎn)離面源的方向逐漸降低。

比較圖4與圖5，XZ平面的劑量分布變化趨勢(shì)基本相同，中心區(qū)域柵元能量沉積高，邊緣柵元低，含骨層水立方體模型紅色區(qū)域能量沉積值約為純水立方體模型紅色區(qū)域能量沉積值的10倍。

光子與高原子序數(shù)的元素更容易發(fā)生康普頓效應(yīng)，因此光電子可能會(huì)在骨面發(fā)生電離輻射，導(dǎo)致更多的能量沉積。人體器官組成元素各不相同，在制定核動(dòng)力航母的輻射防護(hù)系統(tǒng)初步方案時(shí)，不僅要從宏觀層面考慮到船員的年平均有效吸收劑量，還有必要結(jié)合人體各個(gè)器官的耐受劑量特點(diǎn)，對(duì)各器官的年當(dāng)量劑量做出嚴(yán)格的規(guī)定[3-4]。同時(shí)亦有必要對(duì)核動(dòng)力航母規(guī)劃輻射防護(hù)分區(qū)，嚴(yán)格劃定非限制區(qū)、監(jiān)督區(qū)以及控制區(qū)。

在后續(xù)的研究過(guò)程中，可以考慮引進(jìn)人體模型配合基于GPU加速的蒙特卡洛程序ARCHER開(kāi)展更多的精細(xì)化的模擬計(jì)算。

3.2 2種單能光子源模擬結(jié)果對(duì)比

選用10.0 MeV和0.5 MeV的單能光子面源對(duì)水立方體模型進(jìn)行能量沉積模擬計(jì)算，計(jì)數(shù)卡分別選擇F6與*F8。在對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理時(shí)，由于F6卡對(duì)應(yīng)結(jié)果單位是MeV/g，*F8卡對(duì)應(yīng)結(jié)果單位是MeV，因此，在繪制圖表時(shí)，把F6卡對(duì)應(yīng)結(jié)果統(tǒng)一做乘以1 000 g處理。數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖6、7。

對(duì)比圖6、7可以看出，選用高能光子面源時(shí)，以Y=0 cm為界，左端的數(shù)據(jù)相差甚大，右端的數(shù)據(jù)吻合的相對(duì)較好，當(dāng)選用低能光子面源時(shí)，F(xiàn)6與*F8計(jì)數(shù)卡對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)擬合的都相對(duì)較好。

由此可見(jiàn)，當(dāng)選用F6或者*F8計(jì)數(shù)卡進(jìn)行能量沉積模擬計(jì)算時(shí)，要注意，F(xiàn)6卡考慮了柵元中的帶電粒子平衡(CPE)，但是*F8卡并沒(méi)有考慮CPE。當(dāng)入射光子的能量越小，CPE就越容易在光子進(jìn)入模型時(shí)達(dá)到。因此在模擬人體器官受輻照后的能量沉積時(shí)，要充分考慮到2種計(jì)數(shù)卡的優(yōu)缺點(diǎn)。

4 結(jié)論

在制定核動(dòng)力航母的輻射防護(hù)系統(tǒng)初步方案時(shí)，不僅要從宏觀層面考慮到船員的年平均有效吸收劑量，還有必要結(jié)合人體各個(gè)器官的耐受劑量特點(diǎn)，對(duì)各器官的年當(dāng)量劑量做出嚴(yán)格的規(guī)定。同時(shí)亦有必要對(duì)核動(dòng)力航母規(guī)劃輻射防護(hù)分區(qū)，嚴(yán)格劃定非限制區(qū)、監(jiān)督區(qū)以及控制區(qū)。

后續(xù)工作中，考慮通過(guò)引入人體模型配合粒子輸運(yùn)程序MCNP來(lái)開(kāi)展各種情況下的精細(xì)化的模擬計(jì)算，為核動(dòng)力航母的輻射防護(hù)系統(tǒng)初步方案提供有意義仿真參考信息，充分保障核動(dòng)力艦船船員的生命安全。

[1] 杜紅霞，王俊新.基于可再生吸附的核生化過(guò)濾技術(shù)[J].船海工程，2016(4):4-7.

[2] X-5 Monte Carlo Team. MCNP-A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Volume I: User Guide[R]. New Mexico: Los Alamos National Library. 2003.

[3] 霍萬(wàn)里,吳愛(ài)東,陳志,等.APBI治療過(guò)程中身體主要器官吸收劑量的蒙特卡洛模擬[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2015,32(2):183-186.

[4] 王遙,霍萬(wàn)里,熊壯,等.TACE手術(shù)中不同站姿下鉛眼鏡和鉛面罩對(duì)醫(yī)生眼晶狀體防護(hù)效果的蒙特卡洛模擬比較[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2016,33(6):553-558.

Application of Monte Carlo Method in the Field of Radiation Protection of Ship

JIANG Shuai, CHEN Xiao, PENG Yu-hui, WANG Jun-xin

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Assuming a possible incident of radioactive material leakage occurred in the nuclear-powered ship, a water phantom and a water phantom containing a bone layer were established respectively. Using MCNP5, energy deposition in typical cells was calculated with some kinds of photon sources. The results showed that when making plans for radiation protection of the nuclear-powered ship, strict rules of annual equivalent dose for different organs combining their characteristic are necessitated.

ship; radiation protection; energy deposition; MCNP5

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.032

2017-01-18

蔣帥(1990—)，男，碩士，助理工程師

研究方向：輻射防護(hù)

u698

A

1671-7953(2017)03-0136-03

修回日期：2017-03-27