配備中子發(fā)生器的在線元素分析儀輻射環(huán)境影響評價(jià)

摘要：為提高燒結(jié)混合料和燒結(jié)成品礦成分樣的取樣頻度和及時(shí)性，不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)新增在線元素分析儀，用于燒結(jié)礦化學(xué)成分在線分析，進(jìn)而提升燒結(jié)礦質(zhì)量。分析儀含有中子發(fā)生器，運(yùn)行產(chǎn)生的電離輻射對人體具有損傷作用，因此須對分析儀進(jìn)行輻射環(huán)境影響評價(jià)。研究結(jié)果表明，分析儀各防護(hù)系統(tǒng)防護(hù)性能良好，分析作業(yè)不會(huì)對周圍環(huán)境產(chǎn)生明顯輻射影響；項(xiàng)目采取較為完善的輻射防護(hù)措施，形成的輻射安全管理體系比較完整。

關(guān)鍵詞：在線元素分析儀；中子發(fā)生器；輻射環(huán)境影響評價(jià)；輻射防護(hù)

中圖分類號：TL818.4；X820.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）08-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.08.041

Radiation Environmental Impact Assessment of Online Element Analyzer Equipped with Neutron Generator

LIU Runquan

（Fujian Environmental Protection Design Institute Co.， Ltd.， Fuzhou 350000， China）

Abstract： In order to improve the sampling frequency and timeliness of sintered mixture and sintered finished ore composition samples， stainless steel production enterprises have added online element analyzers for online analysis of chemical composition of sintered ore， thereby improving the quality of sintered ore. The analyzer contains a neutron generator， and the ionizing radiation generated during operation has a harmful effect on the human body， therefore， it is necessary to conduct a radiation environmental impact assessment on the analyzer. The research results indicate that the protective performance of each protective system of the analyzer is good， and the analysis operation will not have a significant radiation impact on the surrounding environment; the project adopts relatively comprehensive radiation protection measures and forms a relatively complete radiation safety management system.

Keywords： online element analyzer; neutron generator; radiation environmental impact assessment; radiation protection

在線元素分析儀中子源（14 MeV中子發(fā)生器）可以發(fā)出中子，對樣品各種元素的原子核進(jìn)行轟擊，原子核受轟擊后進(jìn)入激發(fā)態(tài)，并通過產(chǎn)生γ射線重獲穩(wěn)定狀態(tài)，檢測γ射線的能量和強(qiáng)度信息即可得到被檢測物料的成分及含量信息。不銹鋼企業(yè)利用分析儀的實(shí)時(shí)化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)，對燒結(jié)機(jī)進(jìn)料成分進(jìn)行控制，結(jié)合自動(dòng)配料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料，為燒結(jié)和煅燒過程提供更加一致的進(jìn)料。在線元素分析儀的主要部件之一為中子發(fā)生器，中子發(fā)生器含有氚放射源，氚以固態(tài)化合物的形式被密封在中子發(fā)生器的密封中子管內(nèi)。本項(xiàng)目的在線元素分析儀屬于Ⅱ類射線裝置，使用Ⅴ類放射源，需要進(jìn)行輻射環(huán)境影響評價(jià)，只有滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，才能進(jìn)行建設(shè)。

1 項(xiàng)目概況

為滿足燒結(jié)礦的檢測需求，企業(yè)在燒結(jié)車間內(nèi)新增兩臺跨帶式在線元素分析儀（型號CB Omni Agile），每臺分析儀含1套中子發(fā)生器。中子發(fā)生器主要由電源和中子管組成。中子管由封閉在管內(nèi)的氚靶、離子源、氣壓調(diào)節(jié)器組成。1#分析儀安裝在一、二次混合室后的皮帶上，100 m評價(jià)范圍內(nèi)僅東側(cè)廠區(qū)道路可能有偶爾經(jīng)過的公眾成員，其余側(cè)為生產(chǎn)車間、廠內(nèi)道路。2#分析儀安裝在成品取樣檢驗(yàn)室前的皮帶上，100 m評價(jià)范圍內(nèi)均為廠區(qū)，不涉及公眾成員。燒結(jié)生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度高，無設(shè)備操作人員，儀器采用遠(yuǎn)距離操作，項(xiàng)目涉及日常巡檢的輻射工作人員有2人。

2 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本項(xiàng)目采用《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18871—2002）的相關(guān)限值，并提出嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn)的職業(yè)照射和公眾照射的劑量約束值。參照《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護(hù)要求》（GBZ 125—2009），儀表儀器在不同場所使用時(shí)，本項(xiàng)目執(zhí)行儀表儀器外圍輻射劑量當(dāng)量率的要求。

3 工程分析

3.1 設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行工況

本項(xiàng)目分析儀中子發(fā)生器最大中子能量為14 MeV。

分析儀設(shè)有聯(lián)鎖裝置，工作通常是間斷進(jìn)行的，當(dāng)皮帶不運(yùn)行或運(yùn)行皮帶上無原料時(shí)，中子發(fā)生器處于斷電狀態(tài)，不會(huì)有中子產(chǎn)生。

3.2 工藝流程、產(chǎn)污環(huán)節(jié)及污染源項(xiàng)

當(dāng)物料通過皮帶穿過分析儀時(shí)，儀器通電工作，中子發(fā)生器發(fā)射中子，中子被物料吸收，物料中的各種元素發(fā)射特征的γ射線，探測器捕捉γ射線并將其轉(zhuǎn)化為電信號，形成特征分析結(jié)果。本項(xiàng)目在線檢測裝置接通電源后產(chǎn)生中子；中子流照射在皮帶上的原料或者成品上，原料或者成品中的元素俘獲中子后發(fā)出γ射線；分析儀長期工作，導(dǎo)致周圍材料的感生放射性；長期運(yùn)行產(chǎn)生退役的廢中子管、氚靶。

4 輻射安全與防護(hù)

4.1 輻射防護(hù)分區(qū)管理

為做好輻射安全防護(hù)，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）的要求，對分析儀所在的場所進(jìn)行分區(qū)管理。結(jié)合本項(xiàng)目輻射防護(hù)特點(diǎn)及環(huán)境情況，將需要和可能需要專門防護(hù)手段或安全措施的區(qū)域定為控制區(qū)；將通常不需要專門的防護(hù)手段或安全措施，但需要經(jīng)常對職業(yè)照射條件進(jìn)行監(jiān)督和評價(jià)的區(qū)域，定為監(jiān)督區(qū)。

4.2 輻射安全場所屏蔽設(shè)計(jì)方案

根據(jù)屏蔽中子及低能γ射線的特點(diǎn)，分析儀中子管上方配有5 cm厚鉍屏蔽層+2.5 cm厚石墨板，中子發(fā)生器外至設(shè)備外殼采用18 cm/20 cm石墨+42 cm/43 cm聚乙烯屏蔽材料，分析儀兩側(cè)采用25 mm厚鋼板+63 mm厚石臘硼層+25 mm厚鋼板屏蔽材料。

4.3 輻射安全防護(hù)措施

分析儀設(shè)有聯(lián)鎖裝置，當(dāng)皮帶不運(yùn)行或運(yùn)行皮帶上無原料時(shí)，中子發(fā)生器處于斷電狀態(tài)，不會(huì)有中子產(chǎn)生；分析儀設(shè)有門-機(jī)聯(lián)鎖裝置，當(dāng)打開設(shè)備外罩防護(hù)門時(shí)，通過聯(lián)鎖裝置，設(shè)備自動(dòng)停止運(yùn)行，中子發(fā)生器停止發(fā)射中子束。運(yùn)行中出現(xiàn)緊急情況時(shí)，設(shè)備斷電將使中子發(fā)生器立即停止產(chǎn)生中子。

設(shè)置應(yīng)急放射源屏蔽貯存箱——鐵板箱，以備發(fā)生應(yīng)急事件時(shí)中子管的臨時(shí)存放，鐵板箱有防盜的貯存條件，同時(shí)具有管理措施和屏蔽防護(hù)措施，使非工作人員可能到達(dá)的任何位置上的劑量率小于2.5 μSv/h，設(shè)有醒目規(guī)范的電離輻射標(biāo)志。應(yīng)急箱執(zhí)行雙人雙鎖管理，以防放射源丟失。

5 環(huán)境影響分析

5.1 環(huán)境影響評價(jià)思路

本項(xiàng)目正常運(yùn)行期間，沒有放射性廢水，感生放射性廢氣經(jīng)燒結(jié)車間工作狀態(tài)下保持常開的通風(fēng)系統(tǒng)排放，不會(huì)在車間內(nèi)累積，產(chǎn)生的廢棄物主要是廢中子管、氚靶。本項(xiàng)目對環(huán)境的影響主要是中子和γ射線對輻射工作人員和公眾造成的輻射，中子的危害是主要的。本次評價(jià)采用理論計(jì)算方法預(yù)測運(yùn)行期間分析儀對輻射工作人員和公眾的輻射影響。要考慮分析儀透射中子對周圍環(huán)境的輻射影響、中子散射及反射的影響，并結(jié)合中子透射、散射和反射的影響，綜合考慮各影響。

5.2 輻射環(huán)境影響預(yù)測模式

5.2.1 分析儀透射中子對周圍環(huán)境的影響

中子發(fā)生器使用過程中，周圍環(huán)境劑量率水平采用理論計(jì)算方法進(jìn)行評價(jià)[1]。

（1）

式中：Hn為參考點(diǎn)處的中子劑量當(dāng)量率，mSv/h；k為中子通量密度-劑量率轉(zhuǎn)換系數(shù)，參考《輻射防護(hù)手冊 第一分冊 輻射源與屏蔽》[1]，本項(xiàng)目取1.5×10-3 （mSv/h）/[n/（cm2·s）]；Φ為中子發(fā)射率，本項(xiàng)目中子發(fā)生器最大發(fā)射率為5.0×108 n/s；r為預(yù)測點(diǎn)到源的距離，cm；d為屏蔽層厚度，cm；T為十值層（十分之一值層）厚度，cm。

根據(jù)沈志強(qiáng)等[2]的研究，保守估算石墨屏蔽14 MeV中子的十值層厚度為15 cm；根據(jù)彭鳳梅[3]的研究，聚乙烯屏蔽中子的十值層厚度為40 cm，鋼板屏蔽中子的十值層厚度為36 cm；根據(jù)袁濤等[4]的研究，石臘硼屏蔽中子的十值層厚度為34 cm；根據(jù)趙新輝等[5]的研究，鉍屏蔽中子的十值層厚度為21 cm。

工作人員工作時(shí)不可能到達(dá)皮帶上方和儀器下方，因此本次評價(jià)主要預(yù)測分析儀側(cè)面距離儀器表面5 cm、100 cm處，皮帶出口外5 cm、100 cm處以及1#分析儀東側(cè)邊界處的中子劑量當(dāng)量率。日常只有巡檢人員會(huì)從分析儀旁經(jīng)過，巡檢人員距分析儀的最近距離取1 m，該點(diǎn)位與分析儀側(cè)面距離儀器表面100 cm處為同一預(yù)測點(diǎn)。分析儀附近預(yù)測點(diǎn)位如圖1所示。

5.2.2 中子散射及反射的影響

中子經(jīng)皮帶上的物料產(chǎn)生散射，打到聚乙烯材料上后發(fā)生反射，通過理論公式計(jì)算這兩部分對儀器周圍產(chǎn)生的中子外照射劑量。理論計(jì)算過程中，要依次計(jì)算中子反照率、劑量減弱因子，中子經(jīng)過鉍屏蔽層、石墨板后的中子劑量率，并考慮物料衰減后中子的劑量率，進(jìn)一步計(jì)算物料散射和聚乙烯反射的中子劑量率。根據(jù)儀器布設(shè)現(xiàn)場情況，本次評價(jià)主要預(yù)測分析儀皮帶出口外5 cm、100 cm處以及1#分析儀東側(cè)邊界處的反射、散射中子劑量率。全過程計(jì)算涉及多個(gè)公式。

（2）

式中：αD2為中子反照率；E0為中子能量，取14 MeV；θ0為入射角，保守值取45°；θ為出射角，保守值取85°；αD2（E0）為θ0=θ=0°時(shí)的微分反照率，查表可得，物料保守值取0.080 2，聚乙烯保守值取0.080 2。

（3）

式中：f為中子劑量減弱因子；t為材料厚度，本項(xiàng)目物料平均厚度為20 cm；k為指數(shù)系數(shù)，本項(xiàng)目物料主要為燒結(jié)礦，成分以鐵為主，占比約為50%，鐵的指數(shù)系數(shù)為0.063，混凝土的指數(shù)系數(shù)為0.083，采用鐵和普通混凝土的質(zhì)量百分比加權(quán)進(jìn)行計(jì)算，則本項(xiàng)目物料指數(shù)系數(shù)為0.073。

" " " （4）

" " " （5）

" " " （6）

" " " （7）

式中：H1為物料衰減后中子的劑量率；H2為物料散射的中子劑量率；H3為聚乙烯反射的中子劑量率；H4為預(yù)測點(diǎn)處散射及反射的中子劑量率；φ為有用線束的半張角，為60°；αD2物料、αD2聚乙烯分別為物料、聚乙烯對應(yīng)的中子反照率。

5.2.3 年有效劑量估算

年有效劑量采用式（8）進(jìn)行估算。巡檢人員每日進(jìn)行1次巡檢，每次巡檢經(jīng)過分析儀約1 min，生產(chǎn)線1年工作330 d。公眾成員流動(dòng)性大，但按公眾人員長時(shí)間駐留的情景考慮，居留因子保守取1。

" " " （8）

式中：D為年受外照的劑量，mSv；T為工作時(shí)間，h/（a·人）；H為照射劑量率，μSv/h。

5.3 輻射環(huán)境影響預(yù)測結(jié)果與評價(jià)

5.3.1 各預(yù)測點(diǎn)中子透射、散射和反射的綜合影響預(yù)測結(jié)果

經(jīng)式（1）計(jì)算可得，分析儀透射中子輻射預(yù)測結(jié)果如下：分析儀側(cè)面距儀器表面5 cm處1#點(diǎn)位（離源距離105 cm）為10.02 μSv/h，日常巡檢人員處2#點(diǎn)位（離源距離200 cm）為2.76 μSv/h，分析儀皮帶出口外5 cm處3#點(diǎn)位（離源距離125 cm）為21.48 μSv/h，分析儀皮帶出口外100 cm處4#點(diǎn)位（離源距離220 cm）為6.93 μSv/h，1#分析儀東側(cè)邊界處（離源距離60 m）為0.003 μSv/h。

經(jīng)式（1）至式（7）計(jì)算可得，各預(yù)測點(diǎn)位中子散射及反射的預(yù)測結(jié)果如下：分析儀皮帶出口外5 cm處3#點(diǎn)位（離源距離125 cm）為18.28 μSv/h，分析儀皮帶出口外100 cm處4#點(diǎn)位（離源距離220 cm）為5.90 μSv/h。1#分析儀東側(cè)邊界處（離源距離60 m）劑量率為0.007 9 μSv/h，滿足監(jiān)督區(qū)外小于2.5 μSv/h的要求。

綜合考慮分析儀皮帶出口外5 cm、100 cm處以及1#分析儀東側(cè)邊界處有中子透射、散射和反射的影響，各預(yù)測點(diǎn)預(yù)測結(jié)果如表1所示。參照《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護(hù)要求》（GBZ 125—2009），由預(yù)測結(jié)果可知，本項(xiàng)目分析儀外圍輻射劑量當(dāng)量率滿足使用場所的要求。

5.3.2 年有效劑量估算結(jié)果

輻射工作人員（巡檢人員）的年有效劑量估算結(jié)果（吸收劑量率為2.76 μSv/h，工作時(shí)間為5.5 h/a）為0.015 mSv/a，公眾成員的年有效劑量估算結(jié)果（吸收劑量率為0.010 9 μSv/h，影響時(shí)間為7 920 h/a）為0.086 mSv/a。根據(jù)劑量估算結(jié)果，本項(xiàng)目正常工況下，各輻射工作場所的工作人員的年有效劑量滿足《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18871—2002）的要求，低于輻射工作人員的連續(xù)五年有效劑量平均限值（20 mSv/a）和公眾成員年有效劑量限值（1 mSv/a），同時(shí)滿足輻射工作人員的年劑量約束值（2 mSv/a，取規(guī)定限值20 mSv/a的10%）和公眾成員管理限值（0.1 mSv/a，取規(guī)定限值1 mSv/a的10%）的要求。

由計(jì)算結(jié)果可知，分析儀側(cè)面及皮帶出口方向100 cm處預(yù)測結(jié)果均大于2.5 μSv/h，因此應(yīng)設(shè)置監(jiān)督區(qū)。由式（1）計(jì)算可得，分析儀側(cè)面外1.2 m處，劑量當(dāng)量率小于2.5 μSv/h；皮帶出口外3.8 m處，劑量當(dāng)量率小于2.5 μSv/h。因此，本次評價(jià)將分析儀側(cè)面外1.2 m處、皮帶出口外3.8 m處的區(qū)域設(shè)置為監(jiān)督區(qū)。分析儀所在區(qū)域設(shè)置為控制區(qū)，如圖１所示。本項(xiàng)目采用的輻射安全場所屏蔽方案滿足國家輻射安全與防護(hù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；各輻射工作場所的工作人員最大個(gè)人有效劑量和周邊公眾最大個(gè)人有效劑量低于本次評價(jià)確定的限值。

6 結(jié)語

該企業(yè)在燒結(jié)車間內(nèi)新增2臺在線元素分析儀，每臺分析儀含1套中子發(fā)生器。參照《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護(hù)要求》（GBZ 125—2009），分析儀外圍輻射劑量當(dāng)量率滿足使用場所的要求；各輻射工作場所的工作人員的年有效劑量低于《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18871—2002）的輻射工作人員的連續(xù)五年有效劑量平均限值和公眾成員年有效劑量限值，同時(shí)滿足輻射工作人員的年劑量約束值和公眾成員管理限值的要求。因此，若企業(yè)嚴(yán)格落實(shí)各項(xiàng)防護(hù)措施，按照“三同時(shí)”制度（建設(shè)項(xiàng)目污染防治設(shè)施應(yīng)當(dāng)與主體工程同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投產(chǎn)使用）進(jìn)行建設(shè)，并加強(qiáng)輻射安全管理和日常監(jiān)測，則該項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)對周圍環(huán)境的影響可符合輻射環(huán)境保護(hù)要求，它從環(huán)境保護(hù)角度而言是可行的。

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