湖南某核技術(shù)利用項(xiàng)目輻射防護(hù)設(shè)計(jì)與輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

曹嘉懿，王文聞

(湖南省核工業(yè)超硬材料研究所(湖南省核工業(yè)地質(zhì)局放射性核素檢測(cè)中心)，湖南 長(zhǎng)沙，410007)

0 引言

核技術(shù)的研究和利用，在人類獲得利益的同時(shí)，盡可能減少輻射的可能危害是項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段要充分考慮的事宜。為了保護(hù)從事輻射工作的人員(包括其后代)以及廣大公眾的安全，同時(shí)使環(huán)境免受輻射的污染，必須在項(xiàng)目實(shí)施前，開(kāi)展輻射防護(hù)設(shè)計(jì)，以防止有害的確定性效應(yīng)的發(fā)生并限制隨機(jī)性效應(yīng)發(fā)生的幾率。根據(jù)《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18871—2002)[1]的要求，在充分考慮輻射防護(hù)最優(yōu)化的條件下，對(duì)湖南省某核技術(shù)利用項(xiàng)目進(jìn)行了輻射防護(hù)屏蔽設(shè)計(jì)，并在該設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)驗(yàn)證。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目以開(kāi)展電離輻射計(jì)量事業(yè)為主，在負(fù)一層建設(shè)了防護(hù)γ標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)、環(huán)境X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)、診斷X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)，放射性同位素及射線裝置主要有γ放射源、X射線機(jī)。

防護(hù)γ標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)采用的輻射源為1 Ci的60Co源和3 Ci的241Am源。60Co放射源每次衰變產(chǎn)生能量為1.33 MeV和1.17 MeV的γ光子，241Am放射源為α衰變，其衰變過(guò)程中釋放的γ光子能量很低，為59.5 keV。放射源貯存在專用屏蔽容器中，工作時(shí)屏蔽容器快門處于開(kāi)啟狀態(tài)，γ射線經(jīng)光闌準(zhǔn)直后射出。環(huán)境X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)采用X射線機(jī)，其工作電壓10～350 kV，管電流最大為28 mA。診斷X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)采用X射線機(jī)，其工作電壓10 ～150 kV，管電流最大為500 mA。

輻射場(chǎng)的位置分布如圖1所示，所采用的輻射源及其相關(guān)參數(shù)列于表1。

表1 輻射源及其相關(guān)參數(shù)

2 屏蔽設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目的

2.1.1輻射源及主要危害因素

本項(xiàng)目輻射源主要產(chǎn)生γ射線和X射線，均具有極強(qiáng)的穿透本領(lǐng)，能與人體發(fā)生電離輻射作用。電離輻射可引起放射病，它是機(jī)體的全身性反應(yīng)，幾乎所有器官、系統(tǒng)均發(fā)生病理改變，其中以神經(jīng)系統(tǒng)、造血器官和消化系統(tǒng)的改變最為明顯。電離輻射對(duì)機(jī)體的損傷可分為急性放射損傷和慢性放射損傷。短時(shí)間內(nèi)接受一定劑量的照射，可引起機(jī)體的急性損傷，多見(jiàn)于核與輻射事故和放射治療病人。而較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)分散接受一定劑量的照射，可引起慢性放射性損傷，如皮膚損傷、造血障礙、白細(xì)胞減少、生育力受損等。另外，過(guò)量的輻射還可能致癌、引起胎兒的死亡和畸形。

注：圖中1～9為參考點(diǎn)位。圖1 輻射場(chǎng)的分布圖

2.1.2設(shè)計(jì)劑量限值

項(xiàng)目設(shè)計(jì)遵循輻射防護(hù)原則，滿足國(guó)家輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)GB 18871—2002[1]規(guī)定，工作人員年平均個(gè)人劑量限值為20 mSv，公眾成員關(guān)鍵人群組的成員年平均劑量限值為1 mSv。由于各輻射場(chǎng)在射線裝置開(kāi)機(jī)或出源期間，房間內(nèi)無(wú)人居留，因此本項(xiàng)目中主要考慮射線裝置、放射源對(duì)室外的輻射影響,工作時(shí)間按每年2 000 h考慮。

結(jié)合上述原則及工程源項(xiàng)實(shí)際情況，本項(xiàng)目輻射防護(hù)設(shè)計(jì)采用如下的劑量約束值：

(1)工作人員每年所受年有效劑量限值：5 mSv，即2.5 μSv/h；

(2)公眾成員每年所受年有效劑量限值：0.1 mSv，即0.05 μSv/h。

2.2 屏蔽設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程

2.2.1設(shè)計(jì)范圍及參考點(diǎn)

本文介紹該項(xiàng)目防護(hù)γ標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)、環(huán)境X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)、診斷X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)輻射防護(hù)屏蔽設(shè)計(jì)，在屏蔽室外距墻30 cm處選取了若干關(guān)鍵參考點(diǎn)(如圖1所示)，通過(guò)建造適當(dāng)?shù)钠帘卧O(shè)施使得屏蔽后參考點(diǎn)處的輻射劑量率水平小于劑量限值。

2.2.2防護(hù)γ標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)

防護(hù)γ標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)屏蔽設(shè)計(jì)以60Co源為主，放射源活度為1 Ci，照射時(shí)打開(kāi)屏蔽容器快門，通過(guò)光闌準(zhǔn)直，出束高度為1.5 m。貯源方式為固定式干式貯源，放射源屏蔽罐表面劑量率小于10 μSv/h，放射源位于房間中軸，由西向東照射，其中北墻外為地下巖土層(無(wú)人區(qū))。

(1)透射

正對(duì)照射方向的屏蔽(東墻)以透射為主，透射方向計(jì)算[2]如下：

(1)

已知60Co放射源活度為1 Ci，計(jì)算得到能量強(qiáng)度為9.25×1010MeV/s，則無(wú)屏蔽情況下探測(cè)點(diǎn)的劑量率為144 μSv/h。輻射工作人員輻射防護(hù)劑量率限值HM≤2.5 μSv/h，考慮2倍安全系數(shù)，減弱倍數(shù)K為1.15×102，查《輻射防護(hù)手冊(cè)》[3]得主屏蔽墻混凝土屏蔽厚度為57 cm。

(2)散射

對(duì)與照射方向夾角為90 °的射線束的屏蔽以散射為主，散射的屏蔽計(jì)算采用NCRP 51號(hào)出版物[4]推薦的計(jì)算方法：

(2)

按照每年工作時(shí)間2 000 h計(jì)算，即放射源每年出光120 000 min。將各參數(shù)代入(2)式進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果列于表2。

表2 防護(hù)級(jí)γ標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)透射及散射、漏射屏蔽計(jì)算(混凝土)

(3)漏射

西屏蔽墻主要考慮放射源屏蔽罐漏射，其表面劑量率小于10 μSv/h，屏蔽罐中心距西墻1.8 m，保守起見(jiàn)取探測(cè)點(diǎn)劑量率為10 μSv/h，考慮2倍安全系數(shù)，減弱倍數(shù)K=10/1.25=8，查《輻射防護(hù)手冊(cè)》[3]得屏蔽墻混凝土屏蔽厚度為30 cm。

2.2.3環(huán)境X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)

環(huán)境X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)配備X光機(jī)一臺(tái)，工作電壓10～350 kV，管電流最大為28 mA，準(zhǔn)直器由8 mm Pb屏蔽體組成，出束高度1.5 m，發(fā)射角<30°。X光機(jī)位于房間中軸，由西向東發(fā)射，其中南墻外為地下巖土層(無(wú)人區(qū))。

(1)透射

正對(duì)出束方向的屏蔽(東墻)以透射為主，透射方向計(jì)算[5]如下：

(3)

將各參數(shù)代入(3)式，無(wú)屏蔽情況下探測(cè)點(diǎn)的劑量率為185 mSv/h。輻射工作人員輻射防護(hù)劑量率限值HM≤2.5 μSv/h，則減弱倍數(shù)K=7.4×104，查GBZ/T 250—2014[5]圖B.2計(jì)算得屏蔽墻混凝土屏蔽厚度為54 cm。

(2)散射

對(duì)與出束方向夾角為90°的射線束的屏蔽以散射為主，X射線90°散射輻射計(jì)算[5]如下：

(4)

將各參數(shù)代入(4)式進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果列于表3。

(3)漏射

漏射計(jì)算[5]如下：

(5)

式中，H為無(wú)屏蔽體情況下探測(cè)點(diǎn)的劑量率，uSv/h；HL為距靶點(diǎn)1 m處X射線管組裝體的泄露輻射劑量率，μSv/h，查GBZ/T 250—2014[5]表1可知400 kV為5 000 μSv/h；R為靶點(diǎn)至參考點(diǎn)的距離，為2.1 m。

將各參數(shù)代入(5)式進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果列于表3。

表3 環(huán)境X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)透射及反射、漏射屏蔽計(jì)算(混凝土)

2.2.4診斷X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)

診斷X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)將配備X光機(jī)一臺(tái)，工作電壓10～150 kV，管電流最大為500 mA，準(zhǔn)直器由8 mm Pb屏蔽體組成，出束高度1.5 m，發(fā)射角<30°。X光機(jī)位于房間中軸，由東向西發(fā)射，其中南墻外為地下巖土層(無(wú)人區(qū))。

(1)透射

診斷X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)的透射計(jì)算過(guò)程與2.2.3節(jié)相同，1 m遠(yuǎn)處X射線機(jī)輸出量取150 kV中較大值，查GBZ/T 250—2014[4]附表B.1為1 098 mSv·m2/(mA·h)；X光機(jī)總功率為50 kW，此時(shí)X射線機(jī)電流取330 mA；產(chǎn)生X射線處到參考點(diǎn)的距離為5.3 m。將各參數(shù)代入(3)式，同理可得屏蔽墻混凝土屏蔽厚度為43 cm。

(2)散射

診斷X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)的散射計(jì)算過(guò)程與2.2.3節(jié)相同，查GBZ/T 250—2014[5]表2散射輻射為150 kV，取1 098 mSv·m2/(mA·h)；X射線機(jī)電流取330 mA；照射面積保守估計(jì)為10 m2；散射因子，查GBZ/T 250—2014[5]附表B.3取0.04。將各參數(shù)代入(4)式進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果列于表4。

(3)漏射

診斷X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)的漏射計(jì)算過(guò)程與2.2.3節(jié)相同，查GBZ/T 250—2014[5]表1可知150 kV X光機(jī)距靶點(diǎn)1 m處X射線管組裝體的泄露輻射劑量率為2 500 μSv/h。靶點(diǎn)至參考點(diǎn)的距離為2.1 m，將各參數(shù)代入(5)式進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果列于表4。

表4 診斷X標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)透射及反射、漏射屏蔽計(jì)算(混凝土)

3 屏蔽設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

3.1 輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果

本項(xiàng)目輻射環(huán)境驗(yàn)收監(jiān)測(cè)委托的是生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布如圖2所示。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的輻射劑量率監(jiān)測(cè)結(jié)果列于表5。

表5 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2 驗(yàn)證結(jié)果

通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，由于屏蔽墻體的原因，負(fù)一層的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)低于一層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而且無(wú)論何種狀態(tài)下，各區(qū)域輻射劑量率都與天然本底值處于相同水平。可見(jiàn)正常情況下輻射場(chǎng)的運(yùn)行并不會(huì)給工作人員和公眾帶來(lái)附加劑量，其輻射防護(hù)達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)年劑量管理限值，輻射防護(hù)設(shè)計(jì)是合理的。

注：圖中1～84為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。圖2 輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目輻射防護(hù)設(shè)計(jì)遵循輻射防護(hù)三原則，使個(gè)人所受劑量、受照射的人數(shù)及受照射的可能性保持在可合理達(dá)到的盡量低的水平。同時(shí)，本項(xiàng)目填補(bǔ)了湖南省X、γ輻射場(chǎng)的空白，能夠滿足湖南省內(nèi)及周邊省份放射性儀器設(shè)備的量值溯源，能服務(wù)于輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、輻射防護(hù)、科研等領(lǐng)域，必將為湖南省電離輻射計(jì)量事業(yè)的發(fā)展添磚加瓦，創(chuàng)造較好的社會(huì)效益和一定的經(jīng)濟(jì)效益。