中子活化反應(yīng)核技術(shù)項(xiàng)目輻射環(huán)境影響研究

關(guān)鍵詞：中子活化反應(yīng)；中子發(fā)生器；輻射環(huán)境影響；蒙特卡洛

前言

核測(cè)井中使用的中子源有同位素中子源和加速器中子源兩大類，前者發(fā)射的中子平均能量為4～5Mev，而后者發(fā)射能量為14MeV的中子，文章使用的中子發(fā)生器所采用的是加速器中子源。中子發(fā)生器是一種小型的加速器中子源，具有源強(qiáng)較高、質(zhì)量較輕、方便攜帶、釋放單能中子、停電后無(wú)輻射危害等優(yōu)點(diǎn)，特別是可以靠外部觸發(fā)信號(hào)以脈沖方式發(fā)射中子，當(dāng)信號(hào)停止之后，中子立刻停止釋放，輻射影響隨之消失。

文章研究的中子發(fā)生器測(cè)井試驗(yàn)項(xiàng)目在地下密閉的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，打靶過程中會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)額為1.2x108n/s的14MeV的中子，因此對(duì)周圍環(huán)境會(huì)產(chǎn)生輻射環(huán)境影響。快中子與周圍物質(zhì)產(chǎn)生中子活化反應(yīng)，中子活化反應(yīng)比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的計(jì)算公式不能計(jì)算出活化核產(chǎn)生的y射線劑量率以及產(chǎn)生感生放射性核素的比活度，分析其輻射環(huán)境影響時(shí)僅能定性分析，簡(jiǎn)單粗略估算。

文章通過使用基于蒙特卡洛方法的PHTIS軟件建模進(jìn)行模擬，計(jì)算中子發(fā)生器打靶試驗(yàn)期間中子對(duì)烘箱和屏蔽防護(hù)門產(chǎn)生感生放射性核素及其比活度，計(jì)算實(shí)驗(yàn)室周圍關(guān)注點(diǎn)中子周圍劑量當(dāng)量率和y輻射劑量率，并繪制實(shí)驗(yàn)室周圍關(guān)注點(diǎn)周圍劑量當(dāng)量率分布情況，以及計(jì)算職業(yè)人員及公眾年有效劑量，可為實(shí)際運(yùn)行的中子發(fā)生器測(cè)井試驗(yàn)項(xiàng)目采取輻射防護(hù)措施與人員劑量評(píng)價(jià)提供科學(xué)參考。

1工程分析及源項(xiàng)

1.1中子發(fā)生器工作原理

測(cè)井中子發(fā)生器由中子管和中子管外接電路組成，中子管是將離子源、加速系統(tǒng)、靶子以及氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)密封在一個(gè)陶瓷或玻璃管內(nèi)，形成一個(gè)小型的特種電真空器件，中子管可以在外接電路的控制下，由離子源產(chǎn)生氘離子，經(jīng)加速后轟擊氚靶，與靶中的氚產(chǎn)生核反應(yīng)，產(chǎn)生14MeV的怏中子。

1.2試驗(yàn)流程及工程分析

中子發(fā)生器測(cè)井試驗(yàn)項(xiàng)目具體試驗(yàn)流程如下：（1）將中子發(fā)生器置于烘箱內(nèi)接好電纜線，將烘箱推送至實(shí)驗(yàn)室關(guān)閉屏蔽門；（2）用供電箱體和筆記本電腦對(duì)中子發(fā)生器進(jìn)行供電和通訊控制，通過烘箱主機(jī)控制烘箱溫度，通過筆記本電腦控制中子發(fā)生器加壓打靶，中子發(fā)生器供電插頭與屏蔽門有效聯(lián)動(dòng)；（3）當(dāng)供電、控制、屏蔽都到位后，開始對(duì)中子發(fā)生器進(jìn)行通電操作，室溫打靶（1個(gè)小時(shí)）測(cè)試完成后，開始做高溫打靶測(cè)試（4小時(shí)）；（4）高溫打靶測(cè)試完成后，關(guān)閉烘箱和中子發(fā)生器；（5）當(dāng)中子打靶實(shí)驗(yàn)完畢后，至少等待30min方可取出中子發(fā)生器。

中子發(fā)生器測(cè)井試驗(yàn)項(xiàng)目的中子管產(chǎn)生的14MeV快中子產(chǎn)額最高為1.2×108n/s，每次出束打靶包含室溫打靶和高溫打靶且打靶時(shí)長(zhǎng)共4h，每年打靶30次，年工作時(shí)間為120h。

1.3污染源項(xiàng)確定

快中子除與原子核發(fā)生非彈性散射外，還能與某些元素的原子核發(fā)生（n，a），（n，p）及（n，y）核反應(yīng)。由這些核反應(yīng)產(chǎn)生的新原子核（活化核），有些是不穩(wěn)定的，以一定的半衰期衰變，并發(fā)射射線或y光子。中子發(fā)生器在打靶過程中會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生輻射環(huán)境影響，主要污染源項(xiàng)為中子發(fā)生器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的中子和活化核產(chǎn)生的y射線，在屏蔽體外可能對(duì)中子發(fā)生器操作人員及周圍公眾產(chǎn)生貫穿外照射；產(chǎn)生的中子與周圍物質(zhì)相互作用，相關(guān)部件被活化后產(chǎn)生感生放射性核素。

1.4實(shí)驗(yàn)室屏蔽相關(guān)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)部尺寸為360cmx70cmx85cm，屏蔽防護(hù)門兩側(cè)為3cm的鋼板、中間為50cm含硼聚乙烯，頂棚的屏蔽體為30cm厚的混凝土和15cm厚土層，其余面屏蔽體為30cm厚的混凝土和200cm厚土層。

2蒙卡模擬計(jì)算

2.1建模

PHITS是在JAEA、RIST、KEK和其他幾個(gè)機(jī)構(gòu)的合作下開發(fā)的通用蒙特卡羅粒子輸運(yùn)模擬代碼。它利用幾種可靠的核反應(yīng)模型和核數(shù)據(jù)庫(kù)，可以處理幾乎所有類型的粒子的傳輸。PHITS已被廣泛應(yīng)用在加速器技術(shù)、放射治療、空間輻射以及輻射防護(hù)等技術(shù)領(lǐng)域。

文章使用PHTIS軟件建立加速器中子源、實(shí)驗(yàn)室、烘箱、屏蔽防護(hù)門及屏蔽墻體的幾何模型，具體如圖1所示。烘箱內(nèi)襯外膽、防護(hù)門內(nèi)外側(cè)不銹鋼均為304不銹鋼，304不銹鋼的組成成分質(zhì)量比分別為C（0.04%）、Si（0.5%）、P（0.023%）、S（0.015%）、Cr（19%）、Mn（1%）、Fe（70.1731%）、Ni（9.25070）。防護(hù)門中間材料為含硼聚乙烯，組成成分質(zhì)量比比分別為B（15.64%）、H（11.44%）、C（72.92%）。

2.2模擬計(jì)算

模擬實(shí)驗(yàn)中，程序設(shè)置中子產(chǎn)額為1.2x108n/s，每次打靶4h，每年打靶30次，一年共打靶時(shí)長(zhǎng)為120h。

模擬計(jì)算打靶試驗(yàn)運(yùn)行1年后、打靶試驗(yàn)運(yùn)行10年后、打靶試驗(yàn)運(yùn)行40年后防護(hù)門和烘箱部件中子活化后產(chǎn)生的感生放射性核素及其比活度情況，具體如表1所示。模擬計(jì)算實(shí)驗(yàn)室周圍中子周圍劑量當(dāng)量率和^y輻射劑量率分布情況（單位：uSv/h），具體如圖2-圖3所示，模擬計(jì)算屏蔽墻體外關(guān)注點(diǎn)中子和y射線貫穿照射劑量率水平。

3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1監(jiān)測(cè)儀器

此次y射線輻射劑量率監(jiān)測(cè)選用便攜式X-y劑量率儀（FH40G-10主機(jī)+FH2672E-10探頭），中子周圍劑量當(dāng)量率監(jiān)測(cè)選用中子周圍劑量當(dāng)量?jī)x（FH40G-X主機(jī)+FHT762-10探頭）。監(jiān)測(cè)儀器均經(jīng)過檢定或校準(zhǔn)，檢定或校準(zhǔn)日期均在合格有效期內(nèi)，能夠保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

3.2監(jiān)測(cè)依據(jù)

依據(jù)《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18871-2002）和《輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ 61-2021）以及《輻射防護(hù)儀器中子周圍劑量當(dāng)量（率）儀》（GB/T 14318-2019）對(duì)實(shí)驗(yàn)室及周圍環(huán)境進(jìn)行y射線輻射劑量率和中子周圍劑量當(dāng)量率監(jiān)測(cè)。

3.3監(jiān)測(cè)結(jié)果

中子發(fā)生器試驗(yàn)打靶前進(jìn)行了室內(nèi)環(huán)境本底室外環(huán)境本底y射線輻射劑量率和中子周圍劑量當(dāng)量率監(jiān)測(cè)，

中子發(fā)生器試驗(yàn)打靶過程中屏蔽體外關(guān)注點(diǎn)y射線輻射劑量率和中子周圍劑量當(dāng)量率監(jiān)測(cè)結(jié)果，具體見表3。

4輻射環(huán)境影響分析

4.1放射性固體廢物對(duì)環(huán)境影響分析

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）和《放射性廢物分類》中的相關(guān)規(guī)定，中子活化反應(yīng)涉及的放射性核素的豁免活度濃度與豁免活度，具體見表2。

根據(jù)表3與表4模擬計(jì)算結(jié)果，并對(duì)照表7放射性核素的豁免活度濃度與豁免活度可知，烘箱和防護(hù)門被中子活化后產(chǎn)生的放射性核素比活度均遠(yuǎn)低于其對(duì)應(yīng)的豁免活度濃度，且每種放射性核素的活度濃度與其對(duì)應(yīng)活度濃度上限值的比值之和小于1；烘箱的重量為20kg，防護(hù)門的重量為50kg，烘箱和防護(hù)門被中子活化產(chǎn)生的放射性核素活度小于其對(duì)應(yīng)的豁免活度，因此中子活化后的屏蔽門、烘箱為豁免廢物或解控廢物。

4.2人員年有效劑量分析

此次采用的劑量估算公式如下：

4.2.1估算結(jié)果

蒙卡模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方式估算中子發(fā)生器試驗(yàn)過程中職業(yè)人員及公眾年有效劑量結(jié)果見表3。

4.2.2結(jié)果分析

根據(jù)表3可知，蒙卡模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)兩種方式估算的職業(yè)工作人員（操作人員）最大年有效劑量和公眾最大年有效劑量均滿足“工作人員的年有效劑量管理目標(biāo)值不超過5mSv，公眾年有效劑量管理值不超過0.1mSv”的標(biāo)準(zhǔn)要求，且兩種方式估算最大年有效劑量結(jié)果均在同一水平。

4.3小結(jié)

為研究中子發(fā)生器測(cè)井試驗(yàn)項(xiàng)目的輻射環(huán)境影響，以及為實(shí)際運(yùn)行的中子發(fā)生器測(cè)井試驗(yàn)項(xiàng)目采取輻射防護(hù)措施與人員劑量評(píng)價(jià)提供科學(xué)參考。文章使用基于蒙特卡洛方法的PHTIS軟件模擬了中子發(fā)生器測(cè)井試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行工況。

（1）根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果可知屏蔽門、烘箱被中子活化后產(chǎn)生的放射性核素活度均遠(yuǎn)低于豁免活度，可作為豁免廢物或解控廢物。

（2）中子發(fā)生器測(cè)井試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室采取設(shè)計(jì)的輻射防護(hù)屏蔽后，蒙卡模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)估算所致職業(yè)人員的最大年附加有效劑量分別為6.0×10-5mSv/a和8.4×10-4mSv/a，所致公眾最大年有效劑量分別為3.8×10-4mSv/a和3.7×10-4mSv/a，均符合《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（GB18871-2002）中規(guī)定的劑量限值和劑量管理限值要求。通過蒙卡模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)兩種方式估算所致人員年有效劑量結(jié)果對(duì)比可知，利用蒙卡模擬方式估算年有效劑量是可行的。

（3）由中子周圍劑量當(dāng)量率和^y輻射劑量率分布圖可知，中子源正對(duì)地下實(shí)驗(yàn)室頂部區(qū)域劑量率較高，因此可適當(dāng)增加該區(qū)域屏蔽厚度降低劑量率；安裝固定式中子和伽馬探測(cè)器時(shí)可選擇頂部劑量率較高區(qū)域，以便劑量超出設(shè)備的報(bào)警閾值時(shí)，及時(shí)自動(dòng)切斷電源使中子發(fā)生器停機(jī)。

5結(jié)論

涉及中子活化反應(yīng)的核技術(shù)利用項(xiàng)目，對(duì)輻射環(huán)境影響分析及評(píng)價(jià)時(shí)使用蒙特卡洛方法模擬計(jì)算，能夠較準(zhǔn)確有效的計(jì)算包含中子和活化核產(chǎn)生的Y射線產(chǎn)生的貫穿外照射劑量率，進(jìn)而估算出外照射所致職業(yè)人員及公眾年有效劑量；能夠直觀給出輻射防護(hù)屏蔽措施需要關(guān)注的點(diǎn)位；能夠計(jì)算出不同運(yùn)行工況下產(chǎn)生的感生放射性核素的比活度，進(jìn)而判斷活化后的部件是否需要當(dāng)作放射性廢物處置。為環(huán)境影響評(píng)價(jià)階段提出科學(xué)有效的輻射安全防護(hù)和管理措施。