基于MC法的PLC控制器輻射屏蔽研究

邊狄武,鄒樹梁

(1.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001;2.南華大學(xué) 核設(shè)施應(yīng)急安全作業(yè)技術(shù)與裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

能源對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重大的促進(jìn)作用，隨著人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長，人類逐漸將獲取能源的途徑轉(zhuǎn)向核電。核電作為一種清潔高效能源，是我國增加能源供應(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)過數(shù)十年的發(fā)展，我國原先有的核設(shè)施、鈾礦山等到達(dá)了使用年限，進(jìn)入了退役期，這時候就需要進(jìn)行核設(shè)施退役處理，單純地靠人力進(jìn)行退役處理無疑會對健康造成傷害，這就需要核設(shè)施退役機(jī)器人的協(xié)助。除了核設(shè)施退役，放射性事故也不容忽視。核電站一旦發(fā)生核事故及泄露，它所造成的災(zāi)難可以說是巨大的，如前蘇聯(lián)切爾諾貝利、美國三哩島、日本福島核事故[1]。核事故發(fā)生后，由于事故現(xiàn)場有較強(qiáng)的放射性，救援人員無法第一時間進(jìn)入事故現(xiàn)場，因此核應(yīng)急機(jī)器人的開發(fā)就顯得尤為重要。就目前而言，我國的核電建設(shè)運(yùn)行數(shù)量位居世界前列，利用核應(yīng)急機(jī)器人完善救援體系已成必然趨勢。

經(jīng)過研究表明，核應(yīng)急機(jī)器人耐輻射性能主要取決于最薄弱的電子器件箱，而控制系統(tǒng)中可編程序邏輯控制器控制器(programmable logic controller,PLC)等電子元器件的耐輻照性能又最為薄弱[2]。電子器件箱控制著整個機(jī)器人的運(yùn)作以及完成一系列復(fù)雜的工作，相當(dāng)于是機(jī)器人的大腦，故對于電子器件箱的屏蔽設(shè)計(jì)顯得尤為重要。機(jī)器人內(nèi)部由復(fù)雜電子器件及控制系統(tǒng)組成，在高放射性環(huán)境中，如果不對內(nèi)部電子器件、傳感器及通信系統(tǒng)采取防護(hù)措施，機(jī)器人將無法正常工作[3]。本文采用仿真模擬的方法，對PLC控制器的屏蔽進(jìn)行研究，對屏蔽裝置的材料、組合、材料放置順序等進(jìn)行選型、計(jì)算、優(yōu)化。使用MCNP程序建立模型進(jìn)行仿真模擬，分析屏蔽材料排布對防護(hù)裝置屏蔽性能的影響，為后續(xù)深入研究提供思路、依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 MCNP5程序

仿真模擬使用MCNP5程序。MCNP程序還可以處理電子輸運(yùn)，包括原始電子輸運(yùn)和由伽馬射線相互作用所產(chǎn)生的次級電子輸運(yùn)[4]。

1.2 SFm-2424 PLC控制器

本次仿真實(shí)驗(yàn)選用SFm-2424 PLC控制器，如圖1，主要功能為實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人工作裝置、行走裝置控制并實(shí)時監(jiān)控機(jī)器人狀態(tài)信息?？刂破鞑捎肅ANOPEN總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，工作電壓為直流電DC(direct current)24 V，工作電流為5 A及以上，尺寸為179 mm×100 mm×48 mm。

圖1 SFm-2424 PLC控制器Fig.1 SFM-2424 PLCcontrollerr

1.3 耐輻照實(shí)驗(yàn)

根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)(International Atomic Energy Agency,IAEA)官方公布數(shù)據(jù)以及核電站相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，為耐輻照實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件，滿足核環(huán)境作業(yè)機(jī)器人或機(jī)器人系統(tǒng)耐輻照性能測試要求的參考標(biāo)準(zhǔn)主要有：中國軍用標(biāo)準(zhǔn)、美國軍用標(biāo)準(zhǔn)和歐洲宇航局標(biāo)準(zhǔn)。

表1 實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Experiment condition

實(shí)驗(yàn)在湖南省瀏陽市輻照中心進(jìn)行，放射源為60Co。將處于無負(fù)載工作狀態(tài)的控制系統(tǒng)依次置于劑量率為20 Gy/h、50 Gy/h、100 Gy/h的位置進(jìn)行輻照，通過安裝在電腦中的CoDeSys-2.3軟件實(shí)時監(jiān)測控制器的運(yùn)行時間、比例閥反饋電流、電路連接狀態(tài)。如圖2所示為觀測軟件截面圖，如圖3所示為實(shí)驗(yàn)連接示意圖。若電流幅值變化不超過10 mA，則設(shè)備正常工作，若電流幅值變化超過10 mA或出現(xiàn)連接中斷，則表明控制器已損壞失效，記錄正常工作時長，并計(jì)算出累積劑量。表2為控制器耐輻射工作時長，表3為控制器耐輻照總劑量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出控制器耐輻照平均劑量為156.925 Gy。

圖2 觀測軟件界面圖Fig.2 Observe software interface diagram

圖3 實(shí)驗(yàn)連接示意圖Fig.3 Diagram of experimental connection

表2 控制器耐輻射工作時長Table 2 Radiation-resistant working hours of the controller

表3 控制器耐輻照總劑量Table 3 Total radiation dose of the controller

1.4 材料的選取

屏蔽材料在選取時希望滿足要求的情況下，盡量使屏蔽體的體積和質(zhì)量更小，并一定程度上考慮經(jīng)濟(jì)性。基于反應(yīng)堆的屏蔽材料可知，目前可用的屏蔽材料很多，可在以下材料中選擇：

1)中子兼γ屏蔽材料：W合金、Re合金、ZrH2、ZrB2、含硼不銹鋼等；

2)中子屏蔽材料：LiH、B4C、LiBH4、Be、BeO、石墨、水等；

3)γ屏蔽材料：Pb、貧鈾、Ni合金、不銹鋼等。

表4對比了幾種典型的γ射線屏蔽材料的密度及特點(diǎn)。根據(jù)γ射線與物質(zhì)的相互作用原理，鉛這類重元素通過光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對效應(yīng)等原理，吸收、散射γ射線，常用鐵和鉛等作屏蔽材料[5]。

表4 幾種典型的γ射線屏蔽材料Table 4 Several typical gamma ray shielding materials

為了進(jìn)一步探究和比較這些材料的屏蔽性能，設(shè)計(jì)驗(yàn)證計(jì)算，設(shè)定γ射線能量為1 MeV，采用MCNP5對屏蔽材料的屏蔽性能進(jìn)行模擬比較，按式(1)計(jì)算得到線性衰減系數(shù)μ和質(zhì)量衰減系數(shù)μm，并進(jìn)行比較如表5所示。

表5 γ射線能量為1 MeV，屏蔽材料的線性衰減系數(shù)和質(zhì)量衰減系數(shù)Table 5 γ-ray energy is 1 MeV, linear attenuation coefficient and mass attenuation coefficient of shielding material

式中，μ——線性衰減系數(shù)；

I——有屏蔽材料射線透過率；

I0——無屏蔽材料射線透過率；

R——屏蔽材料厚度。

由表5可知，鎢的線衰減系數(shù)最大，說明單位長度下，材料的屏蔽性能與密度有關(guān)，其次是鉭、鉛、鐵。鉛的質(zhì)量衰減系數(shù)最大，鎢和鉭的質(zhì)量衰減系數(shù)相差不大，單位質(zhì)量的鉛屏蔽效果最好，其次為鎢和鉭。

核救災(zāi)機(jī)器人電子器件局部屏蔽的空間有限，對線性衰減系數(shù)和質(zhì)量衰減系數(shù)的對比分析可知，釆用金屬鎢作為屏蔽材料可以節(jié)省空間和質(zhì)量。電子器件在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生熱量需要散出，因此還需要考慮屏蔽體的導(dǎo)熱性能，Pb、W、Ta的熱導(dǎo)率分別為35、180、60 W/mK，鎢作為屏蔽材料的同時也具有很好的導(dǎo)熱性能。

機(jī)器人在中子環(huán)境作業(yè)時，屏蔽材料通過共振俘獲和非彈性散射與中子相互作用，會產(chǎn)生二次γ。不過鎢只有6%的中子會產(chǎn)生高于5 MeV的γ，且γ最高能量為7.42 MeV。與之相比，F(xiàn)e、不銹鋼中有超過25%的中子會產(chǎn)生高于5 MeV的γ，且最高能量為10.16 MeV。但純鎢的力學(xué)性能不夠理想，工程上常用混合了鎳、碳元素的W合金，一般為90%W+6%Ni+4%C。

綜上所述，在對純金屬的屏蔽性能指標(biāo)：線性衰減系數(shù)μ、質(zhì)量衰減系數(shù)μm對比探究后，確定了以鎢為基體材料，混合其他元素的鎢合金來提升鎢的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能、屏蔽性能的路線，最終實(shí)現(xiàn)核救災(zāi)機(jī)器人電子器件屏蔽箱的材料優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.5 模型構(gòu)建

本次實(shí)驗(yàn)采用柱狀60Coγ射線放射源，柱狀放射源高度設(shè)置為180 cm，直徑15 cm。如圖4所示為輻照室俯視圖和平面圖，設(shè)以輻照室地面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，向東為x軸正向，向北為y軸正向，向上分布為z軸；放射源平均活度為90 kCi，輻射場不均勻度小于10%，環(huán)境溫度約為19 ℃，模擬真實(shí)大氣環(huán)境。

1—柱源;2—屏蔽體;3—混凝土墻。圖4 輻照室俯視圖和平面圖Fig.4 Top view and plan of the irradiation chamber

根據(jù)SFm-2424 PLC控制器裝置的原始尺寸179 mm×100 mm×48 mm建立仿真模型，按照如圖5所示，對屏蔽箱體的內(nèi)外共12各面進(jìn)行標(biāo)號，通過對MCNP5的F2面通量計(jì)數(shù)卡對通過各個表面的γ輻射量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對比各個面的γ面通量數(shù)據(jù)進(jìn)行屏蔽效果分析：

圖5 屏蔽裝置主觀圖與俯視圖Fig.5 Subjective and top view of shielding device

1)對比6號面、5號面，獲知正面屏蔽層厚度對屏蔽效果的影響；

2)對比9號面、1號面，獲知左右兩面屏蔽層厚度對屏蔽效果的影響；

3)對比11號面、3號面，獲知上面屏蔽層厚度對屏蔽效果的影響。

2 仿真結(jié)果與討論

結(jié)合對材料選取的研究，了解到以鎢為基體的合金材料具有更好的屏蔽性能、力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能等。但這只是對于單層屏蔽結(jié)構(gòu)而言，因此需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步探究多層屏蔽結(jié)構(gòu)下的材料排布順序和厚度的優(yōu)化選擇。

首先對于單層屏蔽。選擇應(yīng)用廣泛的鎢鎳合金，對比研究在同一厚度下的不同鎢鎳組合和鎢鎳合金單層屏蔽模型的透射率來獲得材料的屏蔽性能，并且通過增加屏蔽層的厚度計(jì)算面通量，對比初始的面通量來確定能夠滿足屏蔽效果的屏蔽厚度，其結(jié)果對多層屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具有指導(dǎo)意義。

對于多層屏蔽。根據(jù)單層屏蔽設(shè)計(jì)得出的屏蔽厚度，結(jié)合多種γ屏蔽材料，采用遺傳算法對材料和厚度進(jìn)行抽樣，得到多種材料排布的屏蔽方案，并對其進(jìn)行透射率的計(jì)算分析，找出重量最輕的方案作為屏蔽設(shè)計(jì)方案。

2.1 不同鎢鎳組合及合金的屏蔽性能探究

采用單能同向2 cm×2 cm面源γ射線垂直入射到長方體平板上，通過比較平板前、后面的粒子通量計(jì)算得到透射率。模擬γ源的活度設(shè)為108Bq，入射能量為1 MeV。如圖6所示為透射率的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖。

圖6 透射性能模擬計(jì)算模型示意圖Fig.6 Diagram of transmission performance simulation calculation model

根據(jù)透射率的實(shí)驗(yàn)計(jì)算模型，為了探究合金材料相較于分層材料屏蔽性能的優(yōu)劣，如圖7所示，設(shè)計(jì)了三種屏蔽結(jié)構(gòu)模型：鎳前鎢后(Ni-W)組合、鎢前鎳后(W-Ni)組合、鎢鎳合金(Alloy)。三種模型厚度均為單位長度1 cm，且鎢鎳的體積比為1∶1，鎢、鎳密度分別為：19.25 g/cm3、8.9 g/cm3，合金密度為14.1 g/cm3。

圖7 三種屏蔽結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.7 Three kinds of shield structure model schematic diagram

表6為γ射線入射到三種模型后透射率的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)W和Ni的體積比為1:1時，三種模型中W-Ni組合透射率最大，屏蔽效果最差，Ni-W組合屏蔽效果稍好于鎢鎳合金(Alloy)。故此次單層屏蔽結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)選用Ni-W組合屏蔽方案。

表6 1 MeVγ射線入射到三種模型(1 cm)后透射率計(jì)算結(jié)果Table 6 Transmissivity calculation results of 1 MeV gamma ray incident into three models (1 cm)

2.2 增加屏蔽層厚度對屏蔽效果的影響

通過增加Ni-W組合屏蔽厚度，測量各面的通量來對比分析其屏蔽效果，最終用于確定滿足要求的屏蔽層厚度。經(jīng)MCNP計(jì)算得正面(5號)、側(cè)面(1號)、頂面(3號)的初始通量分別為：9.837 5×109、7.547 8×109、9.536 3×109Bq/cm2。

如表7所示，由三個面的初始面通量可知，Ni-W屏蔽層厚度為1 cm時，正面的屏蔽效率為33.71%，側(cè)面為49.10%，頂面為52.31%，MCNP的仿真誤差為0.315%。當(dāng)屏蔽層厚度達(dá)到5 cm時，屏蔽效率超過90%，屏蔽最難的正面也達(dá)到了93.67%。基本滿足電子器件箱的屏蔽要求，能夠保證機(jī)器人在輻照環(huán)境下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

表7 三面通量對比表格Table 7 Three-sided flux comparison table

2.3 基于確定厚度的屏蔽層優(yōu)化設(shè)計(jì)

由前兩節(jié)可知，材料的分層排布的屏蔽效果可能會優(yōu)于單層的合金材料，且厚度達(dá)到5 cm時基本滿足屏蔽要求。因此，可以采用遺傳算法對5 cm厚度進(jìn)行分層抽樣，將其隨機(jī)分為三層，并隨機(jī)賦予材料，材料從鎢、鉭、鉛、鐵中抽取、編號。如圖8所示為每層的厚度信息和材料信息，對其進(jìn)行二進(jìn)制編碼。

圖8 屏蔽方案遺傳編碼示意圖Fig.8 Schematic diagram of genetic coding of shielding scheme

通過遺傳算法的交叉、變異操作即可獲得新的屏蔽方案，采用NSGA-Ⅱ算法，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)分別為：正面屏蔽層的面通量R、屏蔽體總質(zhì)量W。初始方案為5 cm厚度的Ni-W組合，設(shè)置迭代次數(shù)為200代，種群大小為100，交叉概率為0.2，變異概率為0.1。如圖9所示為1至50代迭代趨勢和200代最終迭代計(jì)算結(jié)果。

圖9 多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化迭代收斂及最終結(jié)果圖Fig.9 Multi-objective genetic algorithm optimization iterative convergence and final result diagram

從1至50代迭代趨勢圖(圖9)中可以看出，由初始方案通過遺傳操作產(chǎn)生的第1代100個種群是離散的，經(jīng)過多目標(biāo)非支配排序，第50代已初步往左下角收斂。第200代時已基本收斂為一條緊湊的前沿線分布，以初始方案的重量和面通量為基準(zhǔn)，可以找出比其更優(yōu)的左下角的10個優(yōu)化方案，將鄰近的方案看作為相似方案做刪減，如圖8所示，為最終取出的其中五個方案。

表8 優(yōu)化結(jié)果Table 8 Optimized result

在以上五種屏蔽方案中，選擇面通量最小的5號方案制成電子屏蔽箱體結(jié)構(gòu)驗(yàn)證模型如圖10所示。將控制器放入電子屏蔽箱內(nèi)，重復(fù)第三節(jié)中的耐輻射劑量實(shí)驗(yàn)，依次置于劑量率為20 Gy/h、50 Gy/h、100 Gy/h的位置進(jìn)行輻照，在經(jīng)過3倍未屏蔽狀態(tài)的輻照時間后，控制器依然能夠正常工作，重鉻酸銀劑量計(jì)的平均累積劑量為107.182 Gy，小于耐輻照實(shí)驗(yàn)中的156.925 Gy，此屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能夠安全、有效的延長控制器的使用時間。

圖10 屏蔽箱模型Fig.10 Shielded box model

3 結(jié) 論

本論文設(shè)計(jì)的輻射屏蔽裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝，可以根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，同時也可以為相類似幾何尺寸物體設(shè)計(jì)屏蔽裝置作參考。首先，對幾種典型的γ射線屏蔽材料進(jìn)行計(jì)算分析得出優(yōu)選的屏蔽材料，其次，分別結(jié)合單能同向2 cm×2 cmγ面源和輻照室柱狀60Coγ射線放射源對優(yōu)選出Ni-W組合屏蔽方案且以Ni-W組合確定了滿足要求的屏蔽厚度5 cm，最后，基于多目標(biāo)遺傳算法對5 cm厚度和材料排布順序進(jìn)行分段抽樣、迭代計(jì)算，輸出重量和面通量較初始方案更低的優(yōu)化方案。

1)鎢、鉭、鉛、鐵四種屏蔽材料中，鎢的線性衰減系數(shù)最大，射線屏蔽能力最強(qiáng)，單位質(zhì)量的鉛屏蔽效果最好，其次為鎢和鉭。在電子器件局部屏蔽的空間有限的條件下，釆用金屬鎢或鎢合金等作為屏蔽材料可節(jié)省空間，且具有較好的導(dǎo)熱性。

2)對鎳前鎢后(Ni-W)、鎢前鎳后(W-Ni)、鎢鎳合金(Alloy)三種模型的屏蔽性能模擬計(jì)算對比研究發(fā)現(xiàn)：鎳前鎢后(Ni-W)組合的屏蔽效果較好，在材料比例相同時，分層材料的屏蔽性能有時會優(yōu)于合金材料。

3)以屏蔽性能最好的鎳前鎢后(Ni-W)組合進(jìn)行輻照室柱狀60Coγ射線放射源MCNP仿真計(jì)算，確定滿足條件的屏蔽厚度。根據(jù)此厚度設(shè)計(jì)基于多目標(biāo)遺傳算法的屏蔽層優(yōu)化設(shè)計(jì)，將厚度和材料進(jìn)行抽樣、排序、計(jì)算，最終輸出較初始方案重量更輕、面通量更小的優(yōu)化方案。

4)將得出的優(yōu)化方案制成屏蔽箱，將控制器放入其中重復(fù)耐輻照實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證屏蔽箱的屏蔽性能。結(jié)果表明，此屏蔽箱設(shè)計(jì)能夠有效的保護(hù)控制器，能夠極大的延長工作時間。