高放廢液玻璃固化廠中屏蔽窗輻射屏蔽的工程計(jì)算

2014-04-10 01:45:04宋露瑩鄒樹梁陳曉麗

科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年12期

宋露瑩　鄒樹梁　陳曉麗

摘要：屏蔽窗是高放廢液玻璃固化廠房中的重要設(shè)備，它被安裝在熱室和操作廊之間的熱室墻體中。作為廠房運(yùn)行人員通過遠(yuǎn)距離操作系統(tǒng)操作熱室設(shè)備時(shí)視覺的主要路徑，屏蔽窗應(yīng)具備密封、屏蔽和防護(hù)的功能。根據(jù)輻射防護(hù)管理規(guī)定，廠房運(yùn)行人員所受劑量必須控制在安全范圍內(nèi)，因此必須考慮對屏蔽窗的輻射屏蔽進(jìn)行工程計(jì)算。文章采用MicroShield程序，計(jì)算得出了屏蔽窗的最小厚度，使其滿足運(yùn)行人員在操作廊上所受的劑量的控制范圍，從而保障運(yùn)行人員的輻射安全。

關(guān)鍵詞：玻璃固化廠；屏蔽窗；輻射；計(jì)算

1 引言

在高放廢液玻璃固化廠房中，屏蔽窗主要安裝在熔爐熱室、產(chǎn)品容器轉(zhuǎn)運(yùn)熱室、產(chǎn)品容器處理熱室以及干法尾氣處理等熱室與操作廊之間的墻體中，是高放廢液玻璃固化廠房中重要的機(jī)械設(shè)備，起到了屏蔽和防護(hù)的作用。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，屏蔽設(shè)計(jì)人員單憑經(jīng)驗(yàn)是很難找到滿足輻射安全的屏蔽設(shè)計(jì)方案，因此需要進(jìn)行大量的屏蔽設(shè)計(jì)方案的搜索與計(jì)算[1]。

在放射性廢物中，高放廢物包含了絕大多數(shù)的放射性核素，具有相當(dāng)高的放射性、毒性和衰變熱[2]，即使經(jīng)過玻璃固化處理后，依舊會放出α、β、γ和中子等射線，以此造成對操作人員的放射性危害。由于廠房內(nèi)的中子通量遠(yuǎn)小于γ通量，而且經(jīng)過廠房厚重的混凝土結(jié)構(gòu)以及屏蔽窗后，中子劑量率不予考慮。因此在文章模型中只考慮γ輻射。文章以產(chǎn)品容器轉(zhuǎn)運(yùn)熱室中的屏蔽窗為例，通過MicroShield程序模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)出能夠保障運(yùn)行人員職業(yè)照射安全所需的最小厚度[3]。

2 物理模型

2.1 屏蔽窗模型

屏蔽窗主體結(jié)構(gòu)包括屏蔽窗玻璃體、屏蔽窗框和包絡(luò)屏蔽窗的屏蔽板。屏蔽窗玻璃體的主要構(gòu)成組份為10B、11B、O、Na、Si、K和Fe，調(diào)整這些組份在屏蔽窗玻璃體中所占的比例，使屏蔽窗具有不同的密度。屏蔽窗玻璃體一般由三部分屏蔽玻璃構(gòu)成，從熱室內(nèi)部到操作廊前區(qū)的玻璃分別為防護(hù)玻璃、屏蔽玻璃以及密封玻璃，由上述部分組合在一起最終起到屏蔽窗的密封、可視和輻射屏蔽作用。作為玻璃固化廠房中產(chǎn)品容器轉(zhuǎn)運(yùn)熱室中的屏蔽窗玻璃體的密度為2.6g/cm3。

另外屏蔽窗框由鑄鐵構(gòu)成，而包絡(luò)屏蔽窗的屏蔽板由不銹鋼構(gòu)成。

2.2 輻射源模型的建立

2.2.1 輻射源

在產(chǎn)品容器轉(zhuǎn)運(yùn)熱室中，唯一的輻射源為裝有玻璃產(chǎn)品的產(chǎn)品容器。根據(jù)本廠房的工藝要求，在產(chǎn)品容器轉(zhuǎn)運(yùn)熱室內(nèi)的主要任務(wù)為將產(chǎn)品容器轉(zhuǎn)運(yùn)至產(chǎn)品容器裝載機(jī)，最終由產(chǎn)品容器裝載機(jī)將產(chǎn)品容器送入暫存庫存放。

該輻射源主要為137Cs的γ輻射（0.662MeV， 0.184MeV），其它放射性核素的γ輻射可忽略不計(jì)。同時(shí)由本廠房的物料平衡及放射性平衡，計(jì)算出存在于本熱室內(nèi)的輻射源的活度濃度約為1.7E+12Bq/kg。

2.2.2 輻射源模型

產(chǎn)品容器轉(zhuǎn)運(yùn)熱室的放射源位置不固定，為移動源，因此將移動源的位置設(shè)為距離屏蔽窗最近的工況（緊靠屏蔽窗前的主從機(jī)械手）來進(jìn)行屏蔽計(jì)算所需屏蔽窗的最小厚度。其中，移動源的尺寸為高1100mm、Φ420mm的圓柱體。

模型Ⅰ為：設(shè)定熱室內(nèi)產(chǎn)品容器在A點(diǎn)，（在屏蔽窗的軸線上），距離屏蔽窗為100mm。劑量率測量點(diǎn)設(shè)定為距操作廊屏蔽窗30mm的C點(diǎn)。

模型Ⅱ?yàn)椋涸O(shè)定產(chǎn)品容器在B點(diǎn)，離屏蔽窗的垂直和水平距離為各100mm，劑量率測量點(diǎn)設(shè)定為距操作廊屏蔽窗30mm的C點(diǎn)。

屏蔽窗模型為塊狀立方體，安裝在混凝土墻體內(nèi)。其屏蔽計(jì)算模型如圖1所示：

3 輻射屏蔽的工程計(jì)算

3.1 輻射防護(hù)劑量率分區(qū)要求

根據(jù)GB18871-2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》及相關(guān)法律法規(guī)，設(shè)計(jì)規(guī)范：對于職業(yè)照射，連續(xù)五年的平均有效劑量不得超過20mSv。本工程考慮年有效工作時(shí)間250天，每天工作時(shí)間8小時(shí)。關(guān)于輻射防護(hù)劑量率分區(qū)要求及基于屏蔽設(shè)計(jì)計(jì)算過程中安全系數(shù)不低于2的考慮，詳見表1輻射防護(hù)劑量率分區(qū)要求：

表1 輻射防護(hù)劑量率分區(qū)要求

3.2 計(jì)算方法

利用基于點(diǎn)源方法的MicroShield程序?qū)ζ帘未暗暮穸冗M(jìn)行了透射率計(jì)算[5]，在程序計(jì)算過程中"build-up"因子用于對伽瑪射線的通量進(jìn)行修正。該程序能夠自動修正一般情況將線源、面源及體源簡化為點(diǎn)源計(jì)算時(shí)導(dǎo)致結(jié)果偏差的問題，因此文章在計(jì)算過程中采用將柱體放射源簡化為點(diǎn)源的模型。

MicroShield程序由美國Grove Software公司開發(fā)，可用于包括了點(diǎn)源、線源、面源、體源等16種幾何源模型的光子/γ射線的屏蔽劑量計(jì)算如屏蔽設(shè)計(jì)、輻射源強(qiáng)計(jì)算以及外照射最小化計(jì)算等。其適用的放射源能量范圍為15KeV to 10 MeV，特點(diǎn)包括可以計(jì)算放射性核素的衰變熱、具有多個(gè)案例可以同時(shí)計(jì)算的能力等。

3.3 計(jì)算結(jié)果及屏蔽窗厚度的確定

利用MicroShield程序?qū)δＰ廷竦钠帘未暗暮穸冗M(jìn)行計(jì)算。模擬結(jié)果如圖2所示，當(dāng)屏蔽窗的厚度為100cm時(shí)，C點(diǎn)的劑量率為0.003mSv/h；當(dāng)屏蔽窗的厚度為120cm時(shí)，C點(diǎn)的劑量率為0.002mSv/h；當(dāng)屏蔽窗的厚度為130cm時(shí)，C點(diǎn)的劑量率為0.001mSv/h。由于操作廊在輻射防護(hù)分區(qū)中屬于綠區(qū)，需控制該操作廊（綠區(qū)）的劑量率不超過0.002mSv/h，因此需選擇屏蔽窗的最小厚度為120cm。

利用MicroShield程序?qū)δＰ廷虿煌帘未昂穸菴點(diǎn)的劑量率進(jìn)行了計(jì)算。模擬結(jié)果如圖3所示，當(dāng)屏蔽窗的厚度為50cm時(shí)，C點(diǎn)的劑量率為0.01mSv/h；當(dāng)屏蔽窗的厚度為80cm時(shí)，C點(diǎn)的劑量率為0.0025mSv/h；當(dāng)屏蔽窗的厚度為100cm時(shí)，C點(diǎn)的劑量率為0.001mSv/h。由于操作廊在輻射防護(hù)分區(qū)中屬于綠區(qū)，需控制該操作廊的劑量率不超過0.002 mSv/h，因此在此工況下選擇屏蔽窗的厚度為80cm即可。endprint

圖3 模型Ⅱ屏蔽計(jì)算結(jié)果圖

4 結(jié)束語

由模型Ⅰ和模型Ⅱ的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)產(chǎn)品容器位于距離屏蔽玻璃100cm處軸線位置上時(shí)，處在操作廊屏蔽窗前工作的運(yùn)行人員所受γ射線輻照的劑量率最大。因此屏蔽窗的最小厚度應(yīng)選用對模型Ⅰ計(jì)算得出的產(chǎn)品容器轉(zhuǎn)運(yùn)熱室屏蔽窗的厚度：120cm，此屏蔽窗厚度可以確保運(yùn)行人員所受γ射線照射處于安全范圍內(nèi)。

文章通過MicroShield程序，確定了該熱室屏蔽窗所需的最小設(shè)計(jì)厚度。這個(gè)設(shè)計(jì)滿足輻射防護(hù)管理規(guī)定，保障了屏蔽窗前工作的運(yùn)行人員的輻射安全。

參考文獻(xiàn)

[1]賈小波，石秀安.屏蔽設(shè)計(jì)組合優(yōu)化研究[J].核科學(xué)與工程，2010，

30（4）：338-349.

[2]馬鴻賓，胡蓉，張威，李廷君，等.我國高放玻璃固化體地質(zhì)處置的工程屏障方案研究[C].第三屆廢物地下處置學(xué)術(shù)研討會論文集，367-365.

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GBl8871-2002.電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]Tsoulfanidis，Nicholas. Measurement and Detection of Radiation： Second Edition. Taylor and Francis，1995.

[5]M.K，Maruncel，R.F.Weiner，D.M.Osborn. MicroShield Analysis to Calculate External Radiation Dose Rates for Several Spent Fuel Cask[c].WM'07 Conference，2007.

[6]王孝強(qiáng)，庹先國，周慧，等.高硫高鈉高放廢液玻璃固化配方研究[J].核化學(xué)與放射化學(xué)，2013，35（3）：180-192.

作者簡介：宋露瑩（1989-），女，北京人，南華大學(xué)環(huán)境保護(hù)與安全工程學(xué)院碩士研究生，安全科學(xué)與工程專業(yè)。

鄒樹梁（1956-），男，江西省安?？h人，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事核設(shè)施應(yīng)急安全技術(shù)與裝備方面的相關(guān)研究。

陳曉麗（1982-），女，河北保定人，中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司工程部助理，主要從事高放廢液玻璃固化工程的建設(shè)。endprint