天然鈾存儲(chǔ)庫輻射屏蔽計(jì)算方法優(yōu)化研究

蘇曉書,劉 穎,王興華,冀 東,劉曉超,高朋杰,王金明,王 龍

(1.中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司,河北 石家莊 050021;2.中國鈾業(yè)有限公司,北京 100013)

天然鈾是重要的軍民兩用戰(zhàn)略資源[1],對(duì)核能發(fā)展和國防安全具有非常重要的作用[2]。建設(shè)天然鈾存儲(chǔ)庫可完善天然鈾儲(chǔ)備體系,保障天然鈾供應(yīng)安全。天然鈾存儲(chǔ)庫需在輻射防護(hù)最優(yōu)化原則[3]下精準(zhǔn)設(shè)計(jì),使其既不會(huì)因屏蔽過度導(dǎo)致建設(shè)成本增加,也不會(huì)因屏蔽不足造成劑量率超標(biāo)。

目前,對(duì)于天然鈾存儲(chǔ)庫墻體屏蔽設(shè)計(jì)主要是利用已運(yùn)行存儲(chǔ)庫內(nèi)γ劑量率監(jiān)測數(shù)據(jù),結(jié)合點(diǎn)源或半無限體源計(jì)算模型,以標(biāo)準(zhǔn)限值2.5 μGy/h[4]為基礎(chǔ)并考慮2倍安全系數(shù),即以1.25 μGy/h作為控制水平推導(dǎo)庫房墻體厚度。該計(jì)算方法有一定局限性,需要擬建庫房與現(xiàn)有庫房在天然鈾總存儲(chǔ)量、單桶金屬鈾含量、庫區(qū)平面布局等關(guān)鍵參數(shù)方面基本一致,否則作為初始輸入條件的庫區(qū)內(nèi)γ劑量率等數(shù)據(jù)便不再具備使用條件;另外,由于存儲(chǔ)桶與墻外計(jì)算點(diǎn)距離較近(不大于輻射源本身最大尺寸的5倍)[5]79,視為點(diǎn)源不合理。半無限體源計(jì)算模型亦存在天然鈾核素能量選取平均化、鈾衰變子體影響難以全面考慮、桶與桶之間縫隙及貨架之間通道在計(jì)算時(shí)無法體現(xiàn)等問題。

因此,為保證輻射屏蔽方案合理可行,筆者在研究庫區(qū)屏蔽體外劑量率影響因素的基礎(chǔ)上,結(jié)合單桶天然鈾存儲(chǔ)量、活度,以及存儲(chǔ)桶體積、個(gè)數(shù)、碼放方式、存儲(chǔ)桶距墻體的距離等基本參數(shù),利用Microshield軟件計(jì)算并考慮多桶疊加的影響,對(duì)天然鈾存儲(chǔ)庫輻射屏蔽計(jì)算過程進(jìn)行優(yōu)化。

1 存儲(chǔ)庫源項(xiàng)

存儲(chǔ)庫中的天然鈾存儲(chǔ)形式為U3O8粉末,包裝容器為天然鈾專用鋼桶,由桶蓋和桶體組成,通過扣件拉緊螺栓連接,桶蓋和桶體連接部分采用橡膠密封。桶蓋、桶底鋼板厚2 mm,桶身鋼板厚1.5 mm;桶外部高900 mm,凈高896 mm;桶外徑559 mm,內(nèi)徑556 mm;桶蓋外徑600 mm。桶容積210 L、質(zhì)量≤35 kg,滿載U3O8粉末的桶總質(zhì)量485 kg,桶中物料密度為2.14 g/cm3。

單桶天然鈾中的理論金屬鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為85%,核素234U、235U、238U的相對(duì)豐度分別為0.005 4%、0.720 4%、99.274 2%,根據(jù)《實(shí)用輻射安全手冊(cè)》(第二版)[6]3中提供的質(zhì)量與活度轉(zhuǎn)化關(guān)系,單桶天然鈾核素234U、235U、238U活度分別為4.71×109、2.18×108、4.73×109Bq。除去雜質(zhì)、水分等,單桶天然鈾中的實(shí)際金屬鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為80%。因此,以理論值進(jìn)行分析計(jì)算是合理且安全的。

2 存儲(chǔ)庫基本布局

存儲(chǔ)庫充分利用垂向及縱向空間,一般分為轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)、運(yùn)行調(diào)度區(qū)。為便于存儲(chǔ)桶進(jìn)出及取樣分析,存儲(chǔ)區(qū)通常設(shè)計(jì)為規(guī)則矩形,存儲(chǔ)桶在存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)智能立體貨架上多層碼放,立體貨架可設(shè)置成n排、m列、i層。

為滿足存儲(chǔ)需求,一般會(huì)根據(jù)工程場地建設(shè)條件及工藝流程確定存儲(chǔ)區(qū)長、寬、高等建筑尺寸,并在其中放置相應(yīng)存儲(chǔ)能力的智能立體貨架,貨架距四周屏蔽墻內(nèi)側(cè)的距離一般為人、物流通道或檢修通道寬度。設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)區(qū)凈尺寸為91 m(長)×34 m(寬)×19 m(高),其平面布置示意見圖1,剖面示意見圖2,存儲(chǔ)區(qū)共計(jì)碼放32排、102列、9層存儲(chǔ)桶。

圖1 存儲(chǔ)區(qū)平面布置圖

圖2 存儲(chǔ)區(qū)剖面布置圖

3 屏蔽計(jì)算方案

3.1 源項(xiàng)模型

為充分利用存儲(chǔ)庫容積,庫內(nèi)通道寬度一般為1.5～3.0 m,此時(shí)存儲(chǔ)桶與墻外30 cm處關(guān)注點(diǎn)間的距離不大于輻射源本身最大尺寸的5倍,不滿足使用點(diǎn)源模型的條件;若將庫區(qū)內(nèi)所有存儲(chǔ)桶所在區(qū)域看做1個(gè)半無限體源,其內(nèi)部細(xì)節(jié)無法體現(xiàn),為滿足半無限體源計(jì)算模型的使用條件,僅能計(jì)算較近距離處關(guān)注點(diǎn)劑量率,且無法體現(xiàn)其內(nèi)部細(xì)節(jié),計(jì)算結(jié)果存在一定偏差。

筆者根據(jù)源項(xiàng)基本參數(shù),利用Microshield軟件建立單桶模型,特別考慮存儲(chǔ)桶內(nèi)鈾核素子體的影響,鈾核素衰變產(chǎn)生子體的時(shí)間取常規(guī)存儲(chǔ)周期(1年)。一般情況下存儲(chǔ)時(shí)間大于200 d后,桶內(nèi)源項(xiàng)趨于穩(wěn)定,234U、235U、236U、234Th、231Th、234mPa等活度占比極高的核素不再增加,但其他核素仍然緩慢增長并對(duì)桶外劑量率產(chǎn)生影響;312 d后,其他核素由于相對(duì)增長量變低,對(duì)桶外劑量率不再產(chǎn)生影響。因此,計(jì)算時(shí)考慮鈾核素子體的影響,衰變時(shí)間以取1個(gè)常規(guī)存儲(chǔ)周期(1年)為宜。

源項(xiàng)中核素特性見表1[6-8],單桶表面劑量率計(jì)算模型參數(shù)見表2,各級(jí)能量對(duì)存儲(chǔ)桶表面劑量率的貢獻(xiàn)見表3,源項(xiàng)變化趨勢(shì)見圖3,桶外劑量率變化趨勢(shì)見圖4。

表1 源項(xiàng)中的核素特性

表2 單桶表面劑量率計(jì)算模型參數(shù)

表3 單桶表面劑量率計(jì)算結(jié)果

圖3 存儲(chǔ)桶內(nèi)源項(xiàng)變化趨勢(shì)

圖4 存儲(chǔ)桶表面劑量率變化趨勢(shì)

經(jīng)計(jì)算,當(dāng)考慮鈾核素衰變子體時(shí),單桶表面5 cm處劑量率為21.80 μGy/h,與國內(nèi)已運(yùn)行天然鈾存儲(chǔ)企業(yè)提供的存儲(chǔ)桶表面5 cm處劑量率為15.0～25.0 μGy/h的實(shí)測數(shù)據(jù)較為符合;當(dāng)不考慮鈾核素衰變子體時(shí),存儲(chǔ)桶表面5 cm處劑量率為1.08 μGy/h,與實(shí)測數(shù)據(jù)差距較大。能級(jí)分析表明,0.2、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0 MeV等6個(gè)能級(jí)對(duì)劑量率貢獻(xiàn)最大,上述能級(jí)分別對(duì)應(yīng)的核素有234Pa、235U;214Bi;234mPa、210Po、214Po;214Bi、234Pa、234mPa;214Bi;214Bi。

3.2 屏蔽計(jì)算

3.2.1 單桶所致墻體外劑量率

對(duì)于天然鈾存儲(chǔ)庫的建設(shè),墻體材料一般為混凝土或?qū)嵭拇u,選擇2個(gè)典型混凝土厚度(16 cm和25 cm)進(jìn)行計(jì)算?？紤]混凝土、磚、灰泥、泥土等常用建筑材料,均由硅、鈣、鋁、鐵等低原子序數(shù)物質(zhì)組成;對(duì)于這類物質(zhì),康普頓散射占主要優(yōu)勢(shì)的能量范圍很寬,所以可根據(jù)材料厚度與密度的乘積相等來估算磚、灰泥、泥土、混凝土之間的等效厚度[5]88。2個(gè)典型混凝土厚度對(duì)應(yīng)實(shí)心磚的常見規(guī)格為24 cm和37 cm。

貨架四周人、物流通道或檢修通道寬度按1.5 m最不利情況計(jì)算,建立的模型見圖5,單桶所致墻外劑量率計(jì)算模型參數(shù)見表4,計(jì)算結(jié)果見表5。涉及具體工程時(shí),可根據(jù)存儲(chǔ)桶實(shí)際布置情況調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)。

圖5 單桶所致墻體外劑量率計(jì)算模型

表4 單桶所致墻外劑量率計(jì)算模型參數(shù)

表5 單桶所致墻體外劑量率計(jì)算結(jié)果

3.2.2 多桶所致墻體外劑量率

確定劑量率滿足設(shè)計(jì)控制值的天然鈾存儲(chǔ)庫墻體厚度時(shí),應(yīng)考慮墻體外30 cm處關(guān)注點(diǎn)受其周圍多個(gè)存儲(chǔ)桶的疊加影響。利用Microshield軟件建模計(jì)算了正對(duì)關(guān)注點(diǎn)處1列、第1排、垂直方向9層,以及關(guān)注點(diǎn)兩側(cè)各13列、第1排、垂直方向9層,共計(jì)1排、27列、9層、243個(gè)存儲(chǔ)桶對(duì)關(guān)注點(diǎn)的疊加影響(圖6、表6)。可以看出,16 cm混凝土(24 cm實(shí)心磚)外劑量率為7.423×10-1μGy/h,考慮一定計(jì)算冗余性,數(shù)值接近設(shè)計(jì)控制值,符合輻射防護(hù)最優(yōu)化原則;25 cm混凝土(37 cm實(shí)心磚)外劑量率為2.073×10-1μGy/h,數(shù)值接近本底水平,在某些對(duì)放射性工作場所周圍劑量率要求較嚴(yán)格的地域可以采用。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析,對(duì)于16 cm混凝土(24 cm實(shí)心磚)、25 cm混凝土(37 cm實(shí)心磚),第1排、第1層邊緣處的存儲(chǔ)桶對(duì)墻外關(guān)注點(diǎn)劑量率分別為10-6μGy/h量級(jí)和10-8μGy/h量級(jí);后1排存儲(chǔ)桶受到自屏蔽、前排桶屏蔽、距離增加等因素影響,對(duì)關(guān)注點(diǎn)處劑量率的貢獻(xiàn)分別為10-3μGy/h量級(jí)和10-4μGy/h量級(jí),且隨著排數(shù)增加、存儲(chǔ)桶對(duì)關(guān)注點(diǎn)劑量率的貢獻(xiàn)呈指數(shù)規(guī)律快速下降;次要區(qū)域?qū)ν鈩┝柯实呢暙I(xiàn)占比僅為1/102～1/107。因此,對(duì)關(guān)注點(diǎn)劑量率有較大貢獻(xiàn)的存儲(chǔ)桶基本分布在第1排的中間列及兩側(cè)各8列、垂直方向1～5層,考慮此部分存儲(chǔ)桶的輻射影響即可得到較可靠的墻體厚度。在精度要求較高時(shí),可逐一計(jì)算所有存儲(chǔ)桶對(duì)墻外的疊加影響,確定墻體厚度。

圖6 多桶所致墻體外劑量率疊加計(jì)算示意圖

表6 多桶所致墻體外劑量率疊加計(jì)算結(jié)果

4 誤差分析

單桶表面劑量率及多桶所致墻體外劑量率的誤差分析結(jié)果見表7～表8。計(jì)算數(shù)據(jù)與國內(nèi)某已運(yùn)行天然鈾存儲(chǔ)企業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)的誤差均低于10%,計(jì)算結(jié)果較可靠,誤差可以接受。

表7 單桶表面劑量率誤差分析結(jié)果

表8 多桶所致墻體外劑量率誤差分析結(jié)果

5 結(jié)論

建立的天然鈾存儲(chǔ)庫墻體屏蔽計(jì)算方法,解決了類比條件不具備或誤差較大時(shí),源項(xiàng)核算及屏蔽計(jì)算問題。該計(jì)算方案既能保證墻體外劑量率達(dá)標(biāo),又能降低工程投資,符合輻射防護(hù)最優(yōu)化原則,可為同類工程輻射防護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。