γ輻照裝置屏蔽方案評(píng)價(jià)

陶由之,趙紅

(四川省核工業(yè)輻射測(cè)試防護(hù)院, 成都, 610051)

0 引言

γ輻照加工中使用的放射源屬Ⅰ類(lèi)放射源[1],γ輻照裝置須設(shè)計(jì)足夠的實(shí)體屏蔽?？紤]到經(jīng)濟(jì)性及適用性,γ輻照裝置實(shí)體屏蔽首選材料為混凝土。實(shí)踐中需對(duì)其屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核,確保其外輻射劑量率滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

本文采用《γ輻照裝置的輻射防護(hù)與安全規(guī)范》[2]中的計(jì)算方法對(duì)某單位SQ(H)型移動(dòng)式懸掛γ輻照裝置典型輻射屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化分析,驗(yàn)證其屏蔽可靠性;通過(guò)對(duì)比各種輻射照射途經(jīng)的劑量率貢獻(xiàn),優(yōu)化計(jì)算程序,為同類(lèi)型γ輻照裝置的屏蔽設(shè)計(jì)和輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供參考。

1 γ輻照裝置概況

某單位設(shè)計(jì)的SQ(H)移動(dòng)式懸掛γ輻照裝置采用水井貯源,屬于固定輻照室濕法貯源γ輻照裝置[3],設(shè)計(jì)額定裝源量為400萬(wàn)Ci(1.48×1017Bq),共裝載1 200枚60Co放射源。γ輻照裝置輻照室設(shè)計(jì)為單層結(jié)構(gòu),建造面積446.5 m2,主要包括:輻照大廳、貯源水井、貨物迷道、人員迷道等,配套功能區(qū)包括:控制室、水處理間、工具間、收發(fā)室等。

2 不同照射途經(jīng)輻射劑量率計(jì)算

對(duì)于γ輻照裝置屏蔽體外關(guān)注點(diǎn)的照射途經(jīng)包括:升源后直射輻射、迷道散射輻射(一次散射、多次散射)、天空反散射及降源后貯源水井表面直射輻射等,各照射途經(jīng)對(duì)周?chē)P(guān)注點(diǎn)的輻射劑量率計(jì)算方法不同,不同輻射途經(jīng)計(jì)算分析如下。

2.1 關(guān)注點(diǎn)設(shè)定

對(duì)于關(guān)注點(diǎn)依據(jù)最不利照射途經(jīng)進(jìn)行設(shè)定,即人員可到達(dá)的最短照射路徑,根據(jù)輻照室的設(shè)計(jì)方案,設(shè)定的計(jì)算關(guān)注點(diǎn)包括:A、B、C1、C2、D、E、F、G、H、I、J、P、Q、R,如圖1、圖2所示。

圖1 一層計(jì)算關(guān)注點(diǎn)

圖2 屋頂計(jì)算關(guān)注點(diǎn)示意圖

2.2 直射輻射劑量率計(jì)算

在放射源與計(jì)算點(diǎn)之間無(wú)屏蔽介質(zhì)的情況下,計(jì)算點(diǎn)的γ射線能通量密度的計(jì)算公式為:

(1)

式中,Φ為γ射線能通量密度,MeV/(cm2·s);S0為點(diǎn)源能量強(qiáng)度,S0=A0×2.5 MeV(γ射線總能量)=2.5 MeV×4×106Ci×3.7×1010衰變/s=3.7×1017MeV/s;R為點(diǎn)源與計(jì)算點(diǎn)之間的距離,cm。

(2)

(3)

B=A1e-a1μx+(1-A1)e-a2μx

(4)

式中,Dm為有屏蔽體情況下計(jì)算點(diǎn)的劑量率,μSv/h;D為無(wú)屏蔽體情況下計(jì)算點(diǎn)的劑量率,μSv/h;Hp為γ光子對(duì)應(yīng)能量為1.25 MeV時(shí)的通量密度與劑量率的轉(zhuǎn)換因子,取1.765×10-5(mSv/h)/(MeV/cm2s)[4];K為屏蔽體的有效減弱倍數(shù);μ為線性減弱系數(shù),混凝土取0.127 cm-1[5];x為屏蔽厚度,cm;B為累積因子;a1、a2、A1是γ射線能量的函數(shù),Eγ=1.25 MeV時(shí),對(duì)混凝土,取a1=-0.064 85,a2=-0.011 7,A1=23.361 5[5]。

屏蔽體外不同關(guān)注點(diǎn)的直射輻射劑量率計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1 輻照室四周關(guān)注點(diǎn)劑量率計(jì)算參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果表

2.3 迷道多次散射劑量率計(jì)算

γ射線在迷道中經(jīng)輻照室屏蔽墻、屋頂和地板的多次散射,到達(dá)輻照室出入口。迷道多次散射計(jì)算的路徑如圖3所示。

圖3 迷道散射路徑(多次散射至迷道口)示意圖

散射劑量率的計(jì)算公式為:

(5)

式中,Di為經(jīng)過(guò)i次散射后某測(cè)點(diǎn)位置處的反散射劑量率,Sv/h;S為散射面積,m2;ri為從散射點(diǎn)到計(jì)算點(diǎn)的距離,m;Di-1為入射到面積元S處的劑量率,Sv/h;αd為微分反照率。αd計(jì)算公式為:

(6)

式中,θ0為入射γ射線的入射角;θ為散射γ射線的反射角;k(θs)為公式換算中間量,見(jiàn)式(7);c、c′為與入射γ射線能量和散射介質(zhì)有關(guān)的系數(shù),由《γ輻照裝置的輻射防護(hù)與安全規(guī)范》表A.2取值。

(7)

(8)

(9)

式中,r0為經(jīng)典電子半徑,取2.818×10-13cm;p為公式換算中間量;θs為散射方向與入射方向的夾角,θs=180°-(θ0+θ);E0為入射γ射線能量,MeV;E為一次散射后γ射線能量,MeV。γ射線反射簡(jiǎn)化示意如圖4所示。

1996年，新聞出版署出臺(tái)《關(guān)于培育和規(guī)范圖書(shū)市場(chǎng)的若干意見(jiàn)》，明確提出建立全國(guó)統(tǒng)一、開(kāi)放、競(jìng)爭(zhēng)、有序的圖書(shū)市場(chǎng)的發(fā)展目標(biāo)。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)發(fā)行體制改革進(jìn)一步深入，發(fā)行渠道進(jìn)一步多元。2003年，《出版物市場(chǎng)管理規(guī)定》的出臺(tái)使得民營(yíng)批發(fā)企業(yè)得以合法從事出版物總發(fā)行業(yè)務(wù)，第一家獲得“出版物國(guó)內(nèi)總發(fā)行權(quán)”的民營(yíng)書(shū)業(yè)宣告成立。與此同時(shí)，國(guó)有新華書(shū)店系統(tǒng)也開(kāi)展股份制、集團(tuán)化改造，金字招牌煥發(fā)了生機(jī)。尤其是隨著互聯(lián)網(wǎng)興起，以電子商務(wù)為代表的新的發(fā)行業(yè)態(tài)出現(xiàn)，到今天逐步形成了新華書(shū)店、民營(yíng)書(shū)店、網(wǎng)上書(shū)店三分天下的圖書(shū)零售市場(chǎng)格局，其中網(wǎng)絡(luò)渠道的銷(xiāo)售額在2016年首次超過(guò)實(shí)體渠道。

圖4 計(jì)算反散射示意圖

迷道多次散射計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 到達(dá)第一次散射點(diǎn)的輻射劑量率

表3 迷道散射計(jì)算所用參數(shù)及結(jié)果

根據(jù)表3,為使迷道入口輻射劑量率控制在2.5 μSv/h限值以下,其散射次數(shù)須大于5次。

2.4 迷道一次散射透射劑量率

γ射線在輻照室內(nèi)第一次散射后能量及劑量仍然較大,可以以最短的路徑穿過(guò)屏蔽墻體到達(dá)G點(diǎn)和Q點(diǎn),其路徑如圖5所示。

圖5 一次散射穿墻透射的路徑示意圖

迷道一次散射透射劑量率的計(jì)算結(jié)果列于表4、表5。

表4 到達(dá)第一次散射點(diǎn)的輻射劑量率

表5 散射一次穿過(guò)墻體透射劑量率

2.5 天空反散射劑量率計(jì)算

γ光子會(huì)在屏蔽室上方散射產(chǎn)生比直射屏蔽體更大的輻射圓柱體,這種散射是從建筑物的天花板或者上方空氣鏡面反射產(chǎn)生,散射后γ光子會(huì)在地面形成二次輻射場(chǎng),即成為“天空反散射”[6]。天空反散射如圖6所示。

圖6 天空反散射示意圖

天空反散射劑量率由式(10)計(jì)算:

(10)

式中,DZ為圖中Z點(diǎn)的劑量率,μSv/h;A為輻射源的放射性活度,取1.48×1011MBq;Ω為放射源對(duì)輻照室屋頂所張得立體角,Sr;k為屏蔽層對(duì)γ射線的有效減弱倍數(shù),根據(jù)表1取1.18×109;H為放射源到屋頂上方2 m處的距離,取7.1 m;X為放射源到Z點(diǎn)的距離,m。

放射源對(duì)輻照室屋頂所張得立體角Ω如圖7所示。

圖7 放射源對(duì)屋頂屏蔽墻所張立體角示意圖

對(duì)于圖7(a),a、b分別為O點(diǎn)至A點(diǎn)、B點(diǎn)的距離;c、d分別為放射源Y點(diǎn)至O點(diǎn)、E點(diǎn)的距離。平面OAEB對(duì)Y點(diǎn)所張的立體角Ω為:

(11)

放射源對(duì)屏蔽墻所張立立體角經(jīng)常為圖7(b)所示的情況,這可把平面EFGH對(duì)Y點(diǎn)所張立體角視為SE、SF、SG、SH對(duì)Y點(diǎn)所張立體角ΩE、ΩF、ΩG、ΩH之和:

Ω=ΩE+ΩF+ΩG+ΩH

(12)

天空反散射劑量率計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表6,計(jì)算結(jié)果列于表7。

表6 放射源對(duì)屋頂屏蔽墻所張立體角計(jì)算表

表7 天空反散射劑量率計(jì)算結(jié)果表

2.6 貯源狀態(tài)水井表面劑量率計(jì)算

貯源井設(shè)計(jì)深度為7.5 m,貯源井內(nèi)設(shè)置有水位報(bào)警系統(tǒng),當(dāng)水位線低于7.0 m將進(jìn)行報(bào)警,并進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)水,本次評(píng)價(jià)保守考慮7.0 m極限水位時(shí)貯源井表面(R點(diǎn))輻射劑量率水平,源架在貯存位置時(shí)的幾何關(guān)系如圖8所示。

圖8 源架貯源井中的幾何示意圖

采用式(1)～式(4)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算參數(shù)和結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 貯源狀態(tài)水井表面劑量取值及結(jié)果

1) 根據(jù)《輻射防護(hù)導(dǎo)論》附表1查得,水的線性減弱系數(shù)取0.063 cm-1,對(duì)于水,根據(jù)《輻射防護(hù)導(dǎo)論》表3.4,取a1=-0.081 08,a2=-0.014 09,A1=17.853 8。

2.7 輻射劑量率匯總

根據(jù)前述分析,源架升起后屏蔽體外各關(guān)注點(diǎn)輻射劑量率匯總情況見(jiàn)表9。

表9 輻射劑量率匯總表

3 討論

(1) SQ(H)移動(dòng)式懸掛γ輻照裝置典型屏蔽結(jié)構(gòu)外輻射劑量率滿足《γ輻照裝置設(shè)計(jì)建造和使用規(guī)范》[3]規(guī)定的在距屏蔽體表面30 cm處,由放射源輻射產(chǎn)生的平均劑量率不大于2.5 μSv/h限值要求;在迷道口外30 cm處平均劑量率不應(yīng)大于2.5 μSv/h限值要求;貯源井在極限水位時(shí),井口表面30 cm處平均劑量率不大于2.5 μSv/h限值要求。

(2) 在進(jìn)行輻照室迷道設(shè)計(jì)時(shí),第一次散射后因其劑量率及能量可能較高,應(yīng)在對(duì)應(yīng)的一次散射照射野墻體進(jìn)行局部加厚處理,同時(shí)為使迷道入口達(dá)到輻射屏蔽要求,迷道設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮彎折次數(shù),γ射線在迷道中的設(shè)計(jì)散射次數(shù)至少應(yīng)在5次以上。

(3) 通過(guò)各輻射照射途經(jīng)分析,屏蔽體外主要輻射劑量率貢獻(xiàn)來(lái)源于天空反散射,部分區(qū)域遠(yuǎn)大于直射輻射劑量率貢獻(xiàn),因此在輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)中對(duì)于周?chē)殬I(yè)人員及公眾的受照劑量計(jì)算不可忽略天空反散射的貢獻(xiàn)計(jì)算,若設(shè)計(jì)過(guò)程中存在天空反射輻射劑量率偏大的情況,可通過(guò)加厚輻照大廳頂部屏蔽體的措施進(jìn)行處理;迷道入口(人員、貨物)輻射劑量率貢獻(xiàn)主要來(lái)源多次散射輻射,在輻射屏蔽計(jì)算過(guò)程中為簡(jiǎn)化計(jì)算程序,可忽略穿過(guò)墻體的直射輻射劑量率貢獻(xiàn)。

(4) 該典型γ輻照裝置屏蔽體外最大輻射劑量率關(guān)注點(diǎn)位于輻照大廳屋頂,在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,考慮γ輻照裝置工作負(fù)荷較大,在輻照大廳樓頂不建議布置長(zhǎng)時(shí)間人員居留場(chǎng)所(如:辦公室、控制室等)。

(5) 本文以實(shí)際案例對(duì)典型γ輻照裝置屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算,可為同類(lèi)大型γ輻照裝置輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供參考及比對(duì)。