γ輻照裝置屏蔽方案評價

陶由之,趙紅

(四川省核工業輻射測試防護院, 成都, 610051)

0 引言

γ輻照加工中使用的放射源屬Ⅰ類放射源[1],γ輻照裝置須設計足夠的實體屏蔽?？紤]到經濟性及適用性,γ輻照裝置實體屏蔽首選材料為混凝土。實踐中需對其屏蔽結構進行校核,確保其外輻射劑量率滿足相關標準限值要求。

本文采用《γ輻照裝置的輻射防護與安全規范》[2]中的計算方法對某單位SQ(H)型移動式懸掛γ輻照裝置典型輻射屏蔽結構進行量化分析,驗證其屏蔽可靠性;通過對比各種輻射照射途經的劑量率貢獻,優化計算程序,為同類型γ輻照裝置的屏蔽設計和輻射環境影響評價提供參考。

1 γ輻照裝置概況

某單位設計的SQ(H)移動式懸掛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],設計額定裝源量為400萬Ci(1.48×1017Bq),共裝載1 200枚60Co放射源。γ輻照裝置輻照室設計為單層結構,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,配套功能區包括:控制室、水處理間、工具間、收發室等。

2 不同照射途經輻射劑量率計算

對于γ輻照裝置屏蔽體外關注點的照射途經包括: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,各照射途經對周圍關注點的輻射劑量率計算方法不同,不同輻射途經計算分析如下。

2.1 關注點設定

對于關注點依據最不利照射途經進行設定,即人員可到達的最短照射路徑,根據輻照室的設計方案,設定的計算關注點包括:A、B、C1、C2、D、E、F、G、H、I、J、P、Q、R,如圖1、圖2所示。

圖1 一層計算關注點

圖2 屋頂計算關注點示意圖

2.2 直射輻射劑量率計算

在放射源與計算點之間無屏蔽介質的情況下,計算點的γ射線能通量密度的計算公式為:

(1)

式中,Φ為γ射線能通量密度,MeV/(cm2·s);S0為點源能量強度,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為點源與計算點之間的距離,cm。

(2)

(3)

B=A1e-a1μx+(1-A1)e-a2μx

(4)

式中,Dm為有屏蔽體情況下計算點的劑量率,μSv/h;D為無屏蔽體情況下計算點的劑量率,μSv/h;Hp為γ光子對應能量為1.25 MeV時的通量密度與劑量率的轉換因子,取1.765×10-5(mSv/h)/(MeV/cm2s)[4];K為屏蔽體的有效減弱倍數;μ為線性減弱系數,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,Eγ=1.25 MeV時,對混凝土,取a1=-0.064 85,a2=-0.011 7,A1=23.361 5[5]。

屏蔽體外不同關注點的直射輻射劑量率計算結果列于表1。

表1 輻照室四周關注點劑量率計算參數取值及計算結果表

2.3 迷道多次散射劑量率計算

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

圖3 迷道散射路徑(多次散射至迷道口)示意圖

散射劑量率的計算公式為:

(5)

式中,Di為經過i次散射后某測點位置處的反散射劑量率,Sv/h;S為散射面積,m2;ri為從散射點到計算點的距離,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,見式(7);c、c′為與入射γ射線能量和散射介質有關的系數,由《γ輻照裝置的輻射防護與安全規范》表A.2取值。

(7)

(8)

(9)

式中,r0為經典電子半徑,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射線反射簡化示意如圖4所示。

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圖4 計算反散射示意圖

迷道多次散射計算結果見表2和表3。

表2 到達第一次散射點的輻射劑量率

表3 迷道散射計算所用參數及結果

根據表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屏蔽墻體到達G點和Q點,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算結果列于表4、表5。

表4 到達第一次散射點的輻射劑量率

表5 散射一次穿過墻體透射劑量率

2.5 天空反散射劑量率計算

γ光子會在屏蔽室上方散射產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生,散射后γ光子會在地面形成二次輻射場,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)計算:

(10)

式中,DZ為圖中Z點的劑量率,μSv/h;A為輻射源的放射性活度,取1.48×1011MBq;Ω為放射源對輻照室屋頂所張得立體角,Sr;k為屏蔽層對γ射線的有效減弱倍數,根據表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點的距離,m。

放射源對輻照室屋頂所張得立體角Ω如圖7所示。

圖7 放射源對屋頂屏蔽墻所張立體角示意圖

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

(11)

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

Ω=ΩE+ΩF+ΩG+ΩH

(12)

天空反散射劑量率計算參數見表6,計算結果列于表7。

表6 放射源對屋頂屏蔽墻所張立體角計算表

表7 天空反散射劑量率計算結果表

2.6 貯源狀態水井表面劑量率計算

貯源井設計深度為7.5 m,貯源井內設置有水位報警系統,當水位線低于7.0 m將進行報警,并進行自動補水,本次評價保守考慮7.0 m極限水位時貯源井表面(R點)輻射劑量率水平,源架在貯存位置時的幾何關系如圖8所示。

圖8 源架貯源井中的幾何示意圖

采用式(1)～式(4)進行計算,計算參數和結果見表8。

表8 貯源狀態水井表面劑量取值及結果

1) 根據《輻射防護導論》附表1查得,水的線性減弱系數取0.063 cm-1,對于水,根據《輻射防護導論》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

根據前述分析,源架升起后屏蔽體外各關注點輻射劑量率匯總情況見表9。

表9 輻射劑量率匯總表

3 討論

(1) SQ(H)移動式懸掛γ輻照裝置典型屏蔽結構外輻射劑量率滿足《γ輻照裝置設計建造和使用規范》[3]規定的在距屏蔽體表面30 cm處,由放射源輻射產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處平均劑量率不應大于2.5 μSv/h限值要求;貯源井在極限水位時,井口表面30 cm處平均劑量率不大于2.5 μSv/h限值要求。

(2) 在進行輻照室迷道設計時,第一次散射后因其劑量率及能量可能較高,應在對應的一次散射照射野墻體進行局部加厚處理,同時為使迷道入口達到輻射屏蔽要求,迷道設計應充分考慮彎折次數,γ射線在迷道中的設計散射次數至少應在5次以上。

(3) 通過各輻射照射途經分析,屏蔽體外主要輻射劑量率貢獻來源于天空反散射,部分區域遠大于直射輻射劑量率貢獻,因此在輻射環境影響評價中對于周圍職業人員及公眾的受照劑量計算不可忽略天空反散射的貢獻計算,若設計過程中存在天空反射輻射劑量率偏大的情況,可通過加厚輻照大廳頂部屏蔽體的措施進行處理;迷道入口(人員、貨物)輻射劑量率貢獻主要來源多次散射輻射,在輻射屏蔽計算過程中為簡化計算程序,可忽略穿過墻體的直射輻射劑量率貢獻。

(4) 該典型γ輻照裝置屏蔽體外最大輻射劑量率關注點位于輻照大廳屋頂,在實際運行過程中,考慮γ輻照裝置工作負荷較大,在輻照大廳樓頂不建議布置長時間人員居留場所(如:辦公室、控制室等)。

(5) 本文以實際案例對典型γ輻照裝置屏蔽結構進行了詳細的計算,可為同類大型γ輻照裝置輻射環境影響評價提供參考及比對。