工程機械操作室核輻射防護裝置設(shè)計

劉博，鄒樹梁

工程機械操作室核輻射防護裝置設(shè)計

劉博，鄒樹梁

（南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；南華大學(xué)核設(shè)施應(yīng)急安全技術(shù)與裝備湖南省重點實驗室，湖南 衡陽 421001）

采用了MCNP粒子輸運程序建立模型，研究了一些影響工程機械操作室核輻射防護裝置屏蔽效果的因素。通過仿真模擬計算、分析了γ輻射源不同形狀、不同屏蔽材料、屏蔽材料不同排列順序、其他成分材料等對防護裝置屏蔽效果的影響。研究結(jié)果為設(shè)計出具備更加優(yōu)良的核輻射屏蔽能力、綜合性能更加完善的工程機械操作室核輻射防護裝置提供了一定的技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)，有利于這些工程機械能夠更好地保障作業(yè)人員健康安全、更高效地完成工作任務(wù)。

退役處理；事故應(yīng)急；核輻射；屏蔽

1 引言

能源是現(xiàn)代經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。核電作為一種清潔高效的能源，是中國增加能源供應(yīng)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、應(yīng)對氣候變化最重要的選擇之一。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，中國有越來越多的核設(shè)施、鈾礦山等進入退役期，而且伴隨著核設(shè)施運行、核科學(xué)技術(shù)實驗等涉核活動的不斷進行，放射性事故不容忽視。不論是核設(shè)施退役處理還是放射性事故應(yīng)急處置，特別是在事故情況下，時間就是生命，稍有不慎將會造成大范圍的嚴(yán)重災(zāi)難。在相關(guān)的現(xiàn)場處置過程中，核輻射直接威脅著作業(yè)人員的生命健康，一些普通作業(yè)技術(shù)和裝備無法可靠地工作，需要具有核輻射屏蔽功能的工程機械，以滿足在放射性環(huán)境下工作的嚴(yán)苛要求[2]。但額外的屏蔽裝置將增加設(shè)備整體質(zhì)量，這不僅增大承重結(jié)構(gòu)的靜載荷，還產(chǎn)生運行過程中的應(yīng)力、應(yīng)變、震動、共振等動力學(xué)影響[3]，如不予以重視，將可能損壞設(shè)備，進而影響作業(yè)人員和作業(yè)進程。故研究屏蔽材料、屏蔽裝置的核輻射防護性能及其影響因素，研發(fā)具備核輻射防護能力的大、中、小型裝備，提高操作室屏蔽能力，并使屏蔽裝置輕量化、小型化，對保障作業(yè)人員的生命健康和保證順利高效完成工作任務(wù)具有重要的意義和價值。

為了減少對原裝備本身的改動，盡可能使屏蔽裝置能直接套用于各型工程機械，優(yōu)化防護裝置的屏蔽材料、結(jié)構(gòu)等方面對更大范圍、更低難度的設(shè)備防輻射改裝、核輻射環(huán)境下作業(yè)機械化非常有意義。本文采用仿真模擬的方法，研究工程機械操作室核輻射防護裝置的屏蔽性能，對屏蔽裝置的材料、組合、材料放置順序等進行選型、計算、優(yōu)化。使用MCNP程序建立模型進行仿真模擬，分析源項、屏蔽材料等因素對防護裝置屏蔽性能的影響，為后續(xù)深入研究提供思路、依據(jù)。

2 方法與模型

2.1 MCNP程序簡介

蒙特卡羅方法（Monte Carlo Method，簡稱MC），又稱隨機抽樣或統(tǒng)計試驗方法，是一種以概率和統(tǒng)計理論方法為基礎(chǔ)的計算方法。在粒子輸運、量子熱力學(xué)、空氣動力學(xué)計算等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，并被用于材料制備工藝研究和可靠性分析。在核科學(xué)領(lǐng)域，蒙特卡羅方法被廣泛用于粒子輸運計算，國際上目前有多種成熟的蒙特卡羅粒子輸運計算程序，如MCNP、Geant4、EGS、FLUKA等，其中MCNP最廣為熟知和使用。MCNP，即MCNP粒子輸運程序（Monte Carlo N-Particle Transport Code），由美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory，簡稱LANL）開發(fā)，是可用于計算復(fù)雜三維幾何結(jié)構(gòu)中粒子輸運的大型多功能程序，能夠解決中子、光子、電子以及中子/光子/電子耦合的輸運問題，計算臨界系統(tǒng)的特征值。

MCNP程序需要的輸入信息主要有INP文件、截面數(shù)據(jù)庫文件以及XSDIR文件，其中INP文件由用戶構(gòu)建，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。曲面卡和柵元卡主要用來定義幾何模型，其中曲面卡定義組成柵元的曲面，柵元卡定義整個系統(tǒng)的各個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題類型、源、材料、計數(shù)及問題截斷條件等，同時這部分還可以使用一些降低方差的技巧[4]。

2.2 模型建立

利用MCNP程序構(gòu)建防護裝置模型，進行屏蔽裝置設(shè)計，并對屏蔽性能進行初步模擬評估。本文對幾種屏蔽材料的γ射線屏蔽效果做了分析。仿真模擬中使用的簡易模型如圖1所示，在γ射線入射方向垂直放置屏蔽材料，在屏蔽材料之后放置探測器。輻射源采用常見的鈷-60各向同性γ源。

圖1 仿真模擬中使用的簡易實驗?zāi)Ｐ?/p>

3 仿真實驗與分析

3.1 輻射源種類對屏蔽效果的影響

在實際情況下，若機械設(shè)備作業(yè)位置距離放射源較遠，放射源可近似為點源；而距離較近時，應(yīng)近似為線源或者面源。分別模擬鎢板對點、線、面三種形狀放射源在一定距離的屏蔽效果，發(fā)現(xiàn)屏蔽效果相差不大。為簡化計算，仿真實驗中的放射源為點源。

放射源形狀對透射率的影響如圖2所示。

圖2 放射源形狀對透射率的影響

3.2 屏蔽材料對屏蔽效果的影響

輻射源采用的是鈷-60點源，這里選取厚度相同的鎢、不銹鋼、鉛，分別計算以它們作為屏蔽材料在離源相同距離時，輻照劑量率的大小，以此評估這三種材料的屏蔽性能。不同材料的屏蔽效果如圖3所示。當(dāng)分別選用鎢、鉛、不銹鋼為屏蔽材料時，測得輻照劑量率分別為0.002 3 mSv/h，0.014 9 mSv/h，0.132 mSv/h，故鎢的屏蔽性能最好，其次為鉛，再次是不銹鋼。三種材料中鎢的密度最大，原子序數(shù)為74，值較高，其屏蔽γ射線的效果最好。鉛的原子序數(shù)82，在三種材料中值最高，是一種常用的γ射線屏蔽材料，具有極佳的屏蔽效果，但其結(jié)構(gòu)強度差，用作屏蔽材料時須有支撐框架[5]，而且鉛是有毒重金屬，易對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。鎢的物理化學(xué)性質(zhì)良好，γ射線的屏蔽能力優(yōu)于鉛，無毒無害，對環(huán)境影響小，但價格遠高于鉛。不銹鋼機械性能好，硬度高，耐高溫，耐腐蝕，廣泛用于加工制造機械設(shè)備零部件，但是其屏蔽性能不及鉛、鎢。

圖3 不同材料的屏蔽效果

3.3 組合屏蔽的材料排列順序?qū)ζ帘涡Ч挠绊?/h3>

γ射線與物質(zhì)的主要相互作用過程包括光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)，如果γ射線與物質(zhì)發(fā)生光電效應(yīng)或電子對效應(yīng)，則射線被吸收，這些效應(yīng)的發(fā)生與吸收物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)，因此γ射線與不同的物質(zhì)發(fā)生這些效應(yīng)的截面不同，故需要對屏蔽材料的前后順序進行排列布置。多層組合屏蔽裝置模型如圖4所示，各層屏蔽材料相互平行。

圖4 多層組合屏蔽裝置模型

選用鐵和鉛作為屏蔽材料，計算結(jié)果如圖5所示，從圖5中可以看出，如果各材料之間屏蔽性能差距明顯，采用高原子序數(shù)物質(zhì)在前、低原子序數(shù)物質(zhì)在后的非均勻組合方式的屏蔽效果較好。當(dāng)射線能量持續(xù)增加時，高原子序數(shù)物質(zhì)在前、低原子序數(shù)物質(zhì)在后的順序與相反順序兩者之間屏蔽性能比值有減小的趨勢，但始終大于1，說明了高原子序數(shù)物質(zhì)在前、低原子序數(shù)物質(zhì)在后的排列順序屏蔽性能優(yōu)于與之相反的排列順序。不同能量下兩種排列順序的對比如圖6所示。

換用鎢和鉛進一步研究屏蔽材料的排列順序?qū)ζ帘涡阅艿挠绊?，結(jié)果如圖7所示。在高能量下（1.25 MeV），屏蔽材料的排列順序?qū)溯椛淦帘涡Ч绊戄^小。而當(dāng)能量為100 keV時，采用高原子序數(shù)物質(zhì)鉛在前、低原子序數(shù)物質(zhì)鎢在后的排列方式能有效提高裝置對射線的屏蔽效果。實際核事故環(huán)境中的γ射線能量分布范圍通常較廣，因而適宜采用這種高原子序數(shù)物質(zhì)在前，低原子序數(shù)物質(zhì)在后的材料排列方式，以兼顧更大能量范圍的γ射線輻射環(huán)境。

圖5 各順序與Fe-Fe-Pb-Pb的對比

圖6 不同能量下兩種排列順序的對比

3.4 材料成分對屏蔽效果的影響

屏蔽裝置設(shè)計是一個帶有約束條件的多目標(biāo)優(yōu)化過程。一方面，屏蔽效果與射線類型和能譜分布密切相關(guān)，另一方面，在實際工程中還受到質(zhì)量、體積、價格、結(jié)構(gòu)性能等因素的限制[6]。在常見材料中，鉛是傳統(tǒng)的核輻射屏蔽材料，屏蔽效果好，但機械強度差，是一種對人體有害的重金屬，可在人體內(nèi)積累。出于環(huán)境保護、人員健康、防止污染的考慮，研究少鉛、無鉛的核輻射屏蔽材料，尋找更加健康環(huán)保的屏蔽材料具有重要意義。而且，加裝核輻射屏蔽裝置將增加設(shè)備的整體重量，改變原本的受力狀態(tài)，因而對屏蔽材料帶來更復(fù)雜的要求。

鎳原子序數(shù)大，密度大，具有良好的力學(xué)、物理和化學(xué)性能，添加合適的元素可提高其抗氧化性、耐腐蝕性、高溫強度并改善某些物理性能，鎳具有無毒、環(huán)保、易加工等特點，對γ射線質(zhì)量吸收系數(shù)大，在一定程度上可作為屏蔽材料。仿真模擬時采用的Inconel600質(zhì)量濃度為8.4 g/cm3，含鎳72%、鉻17%、鐵10%和其他微量元素，Monel400質(zhì)量濃度為8.83 g/cm3，主要含鎳65%、銅30%和鐵2%。

鉛與兩種鎳合金對不同能量γ射線的質(zhì)量吸收系數(shù)曲線如圖8所示。從圖8中可以看出：①隨著γ射線能量的增加，鉛的質(zhì)量吸收系數(shù)起初下降明顯，后來趨于平緩；②兩種鎳合金質(zhì)量吸收系數(shù)相差很小，隨γ射線能量的增加，變化比較平緩；③γ射線能量較高（大于1.2 MeV）時，鎳合金和鉛的質(zhì)量吸收系數(shù)相差不大。因此可考慮使用鎳合金代替鉛作為屏蔽材料，特別是在有高能γ射線的輻射環(huán)境下。另外，Inconel 600鎳合金含有對人體有害的金屬鉻，而Monel400鎳合金較健康環(huán)保，因此在屏蔽高能γ射線時可采用Monel400鎳合金作為屏蔽材料。

圖8 三種材料對不同能量γ射線的屏蔽性能對比

在情況更為復(fù)雜的混合輻射場中還存在中子輻射，而硼元素具備吸收熱中子并抑制（n，γ）輻射的能力，在鋼中適當(dāng)加入硼有利于改善材料的機械性能，因此硼鋼也可用于制作屏蔽裝置以提高設(shè)備屏蔽混合輻射的性能和機械性能，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能一體化[7]。

4 總結(jié)與分析

本文運用MCNP程序討論了幾種核輻射屏蔽材料用于工程機械操作室核輻射防護的屏蔽效果。通過對仿真模擬結(jié)果的分析討論得出如下結(jié)論：①相同厚度的鎢屏蔽體的屏蔽性能在鎢、鉛、不銹鋼等常見材料中最好，鉛次之，不銹鋼最差；②對于不同類形核輻射源，將其簡化成點源有助于分析、計算的簡化；③當(dāng)運用多層屏蔽設(shè)計理念時，在各種材料不同的前后排列順序下，屏蔽裝置整體的屏蔽效果差異明顯；④基于健康環(huán)保的角度和力學(xué)性能、理化性能，可以考慮使用鎳合金代替鉛作為屏蔽材料；⑤可以采用含硼不銹鋼加工制造工程機械以輔助提高設(shè)備包括屏蔽性能、機械性能在內(nèi)的綜合性能。

在實際涉核作業(yè)過程中，工程機械很可能工作在輻射場、工況等外界因素均較為復(fù)雜的環(huán)境，這些都對工程機械有更高更嚴(yán)苛的要求，而且加工制造過程和水平也屬于制約因素，比如要求屏蔽材料具有穩(wěn)定的力學(xué)性能、受到體積和質(zhì)量限制等，這就要求兼顧材料的屏蔽性能、力學(xué)性能、耐輻照性能等。本次研究為設(shè)計出更加安全、完善的具備核輻射屏蔽能力的工程機械提供了一定的技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)，有利于工程機械能更加高效地屏蔽核輻射，保護操作人員的健康安全，從而更加高效、圓滿地完成工作任務(wù)。

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TL7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.010

2095－6835（2021）08－0032－04

劉博（1993—），男，碩士研究生，研究方向為核安全與核應(yīng)急。

〔編輯：丁琳〕