核電廠γ放射性廢物吊裝期間天空反散射劑量率評估

蔣振宇，唐邵華，熊 軍，吳躍雷

(1.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518124；2.環境保護部 核與輻射安全中心，北京 100088)

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核電廠γ放射性廢物吊裝期間天空反散射劑量率評估

蔣振宇1，唐邵華1，熊 軍1，吳躍雷2

(1.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518124；2.環境保護部 核與輻射安全中心，北京 100088)

采用MCNP對γ放射性點源的天空反散射影響進行了模擬計算，針對天空反散射的主要制約因素進行了分析，其分析結論為核電廠相應的輻射防護設計提供了參考依據。定量模擬計算了核電廠γ放射性廢物包吊裝期間的天空反散射劑量率水平，提出了一種基于放射性點源結果進行放射性體源天空反散射劑量率的快速評估方法，該方法的實施滿足了工程實踐的快速響應要求。

天空反散射；放射性體源；影響因素

γ射線天空反散射(本文僅針對γ源開展分析，簡稱天空反散射)用于表述近地面γ源向天空方向發出的γ射線與空氣原子的核外電子發生一次或多次康普頓散射后又折回地面的現象。當廠房內存在輻射水平較高的放射源，廠房設計建造僅重視側面的輻射屏蔽而不關注屋頂的輻射屏蔽時，廠房外極易受天空反散射的影響。

核電廠反應堆廠房內放射性水平較高，但基于安全殼穹頂良好的屏蔽效果，天空反散射對廠房外的影響可忽略不計；而常規島廠房通常無明顯放射性，因此廠房外也不存在天空反散射問題。但核電廠的一些配套廠房，既無輻射屏蔽效果較好的屋頂，又存在強放射源操作，因此這類廠房外的天空反散射影響較為嚴重。文獻[1]中明確指出，核設施處于運行工況及事故工況中，應保護公眾免受直射或散射(包括天空反散射)而采取相應的屏蔽措施，因此有必要針對核電廠的天空反散射現象開展研究。本文采用MCNP模擬計算放射性點源的天空反散射劑量率情況，并對天空反散射的主要制約因素進行分析，進一步針對某核電廠放射性廢物暫存廠房廢物包裸露吊裝的情況進行建模計算，并提出一種基于放射性點源結果進行放射性體源天空反散射劑量率的快速評估方法。

1 理論計算方法

關于天空反散射的相關研究自20世紀50年代開始一直延續至今，較為成熟的方法是基于線束響應函數(LBRF)發展起來的線束積分法[2-5]，但該方法僅適用于放射性點源的影響評估，針對具有一定體積的放射性體源，如核電廠放射性廢物包，則無法直接應用。

《γ輻照裝置的輻射防護與安全規范》[6](GB 10252—2009)給出的天空反散射劑量率評估公式(簡稱GB經驗公式)為：

(1)

式中：D為監測點的劑量率，μSv/h；A為放射源的放射性活度，MBq；Ω為60Co源對廠房屋頂所張立體角，sr；H′為60Co源至屋頂上方2 m處的距離，m；X為60Co源至受照點的水平距離，m；k為屏蔽體的有效減弱倍數。式(1)最早來源于文獻[7]，其同樣僅適用于放射性點源的計算。

MCNP可用于放射性體源的天空反散射劑量率計算[8]，但由于其涉及的物理模型屬于大尺寸、深穿透類型，因此需采取一定的建模技巧[4](源的定向抽樣、空間模型的針對性構建、粒子輸運路徑的權重優化、監測點的靈活假設)才可獲得收斂結果。為驗證MCNP可適用于天空反散射的模擬計算，針對ANSI/ANS-6.6.1天空反散射基準算例進行了模擬計算[9]，其計算結果與算例提供的結果基本吻合。

2 點源天空反散射的影響

參考某核電廠輻照室廠房尺寸，構建圓筒型、屋頂敞開式廠房模型。1) 廠房內徑3 m，墻體高度4 m；2)60Co點源(放射源能譜一般為混合譜，輻射屏蔽設計上通常保守的考慮為單一的60Co能譜)；3) 放射源置于廠房中心，標高1 m；4) 廠房外監測范圍10～500 m，監測點水平標高1.5 m；5) 空氣密度1.22×10-3g/cm3；6) 廠房墻體為密度2.35 g/cm3的混凝土。

采用MCNP建模計算法、GB經驗公式法及線束積分法(相應計算軟件為Skydose[10])分別進行天空反散射劑量率計算，計算結果如圖1所示。圖1中MCNP-s與MCNP-f分別表示不考慮與考慮源廠房墻體及地面散射效應的計算結果。

圖1 不同方法下放射性點源天空反散射劑量率的比較Fig.1 Comparison of skyshine dose rate due to γ-ray point-source with different methods

由圖1可得到以下結論。

1) 線束積分法計算得到的D與MCNP模擬計算的D吻合較好，而GB經驗公式計算結果與前兩者相比偏差較大，尤其當X處于100～200 m范圍時，D相差約1個量級。產生該差異的主要原因在于GB經驗公式中將D與X的關系簡單表述為：

(2)

但實際上天空反散射由于受廠房內部結構限制，射線能譜及出射方向均受平衡性調整，因此實際的D變化表現得較GB經驗公式的平滑。

2) MCNP-s與MCNP-f的計算結果表明，廠房墻體及地面的散射對D存在一定影響，其影響比值在50%～15%之間。

3) 將同源強60Co點源的4π方向自由出射的劑量率與上述天空反散射影響劑量率在上述X范圍內作比值，結果處于100～500之間。保守的取比值100作以下估算：假定廠房側墻為密度2.35 g/cm3的混凝土，當側墻的屏蔽厚度約為35 cm 時(2.35 g/cm3的混凝土對60Co點源的半衰減厚度為5.2 cm，即劑量率降低100倍需5.2×log2100 cm厚度的混凝土)，屋頂無屏蔽情況下的天空反散射劑量率水平與穿透墻體的輻射劑量率水平相當，即當側墻所需的屏蔽厚度達35 cm以上時，屋頂應考慮輻射屏蔽措施。

4) 圖1中顯示，D隨X的增大而單調減小。實際上當廠房側墻達到一定高度以上時，D隨X的增大先增大后減小。

5) 由于涉及天空反散射影響的廠房其本身貫穿輻射也較強，因此在廠房外近距離處應設定禁區[4,7]，以避免廠房外人員意外受照，即近廠房區域重視貫穿輻射，較遠區域重視天空反散射。

3 天空反散射影響因素

參考式(1)從以下幾方面進行天空反散射影響因素分析：1) 空間角Ω；2) 放射源標高；3) 廠房側墻高度；4) 源與受照點水平距離X。

3.1 空間角Ω

空間角Ω定義為輻照源對廠房屋頂所張的立體角，Ω的理論取值范圍為(0，2π][6]。圖2為不同Ω下D的比較。由圖2可知，D與Ω的正比相關性較好。

3.2 源標高

圖3為放射性點源處于廠房內不同高度時D的比較。可見隨源位置的升高，D亦緩慢增加。

3.3 廠房側墻高度

圖4為廠房側墻高度不同時D的比較。可看出，D隨廠房側墻高度的增加而減小，但在同一側墻高度下，隨X增大，D又存在先增大后減小的出峰現象，且隨著側墻高度的增加，出峰表現較明顯。天空反散射受散射路徑長度及康普頓散射角度因素共同影響，長度越長、角度越大D越小，由圖4可看出，廠房外近距離處康普頓散射角及遠距離處散射路徑長度為制約D變化的主要因素。

圖2 不同空間角下放射性點源天空反散射劑量率的比較Fig.2 Comparison of skyshine dose rate due to γ-ray point-source with different outgoing angles

圖3 不同標高下放射性點源天空反散射劑量率的比較Fig.3 Comparison of skyshine dose rate due to γ-ray point-source with different elevations

3.4 源與受照點水平距離X

當天空反散射影響不能被忽略時，應在足夠保守的空間范圍內進行天空反散射影響評估。

3.5 其他

上述模型中均假定了放射源處于廠房中心，進一步模擬計算表明，當放射源較為接近廠房某一面側墻時，該側墻外天空反散射劑量率較放射源處于中心處時的低。因此，當廠房內實施放射性廢物吊裝操作時，可根據廠外環境布置情況，選擇有利吊裝路線，降低對生物活動區的輻射照射影響。

圖4 不同廠房側墻高度下放射性點源天空反散射劑量率的比較Fig.4 Comparison of skyshine dose rate due to γ-ray point-source with different side wall heights

當天空反散射影響較為突出時，通常可考慮以下改進措施：1) 屋頂實施屏蔽改進，如澆筑混凝土屋頂，屏蔽厚度可近似采用點核積分法估算[10]；2) 采取帶屏蔽容器的方式吊裝放射性廢物包，該種情況應注意吊裝工藝接口的協調；3) 當高放射性廢物吊裝頻次較低時，可采取廠房外一定區域的臨時管制。

4 放射性體源影響分析

圖5 不同體積源天空反散射劑量率的比較Fig.5 Comparison of skyshine dose rate due to γ-ray source with different volumes

圖5為某核電廠放射性廢物暫存廠房尺寸下，假定放射源為不同體積時的天空反散射劑量率的計算結果。圖5中，體積1為0.38 m3，用以表示400 L金屬廢物桶；體積2為1.18 m3，用以表示該體積范圍的水泥桶；體積3與體積4分別為6.28 m3與21.10 m3，用以對比分析。由于廢物桶的平均密度接近混凝土密度，因此模型中取廢物桶模型密度為2.35 g/cm3。

由圖5可看出，對于不同體積的放射性體源，其天空反散射劑量率變化趨勢與放射性點源的變化趨勢較為相似。為進一步確定體積因素導致的天空反散射劑量率的波動情況，定義上述點源與不同體積源的天空反散射劑量率分別為Dp(X)、Dn(X)(n=1，2，3，4)，并假定點源與各體源的天空反散射劑量率比值為Cn(X)(n=1，2，3，4)，即：

(3)

放射性點源與體源的天空反散射劑量率比值的變化曲線如圖6所示。由圖6可看出，放射性體源天空反散射劑量率的變化趨勢并不完全等同于放射性點源，Cn(X)隨X的增大而增大，且當放射源體積增大時，Cn(X)波動幅度增大，原因主要為以下兩方面：1) 放射源體積增加，天空反散射各影響因素的數值變化，導致Cn(X)無序度增加；2) 放射性廢物自屏蔽效應因體積增加而增加，導致Cn(X)無序度增加。但放射源體積在5 m3以內、廠外距離不超過300 m時，放射性體源與點源的天空反散射劑量率比值可視為定值，其波動比低于20%。由于屏蔽設計考慮2倍安全系數，因此該波動導致的誤差在工程實踐中可被接受。由此，上述范圍內放射性體源的天空反散射劑量率可近似等同于放射性點源的計算結果乘以相應X處的Cn。

圖6 放射性點源與體源的天空反散射劑量率的比值Fig.6 Ratio of skyshine dose rate due to γ-ray between point-source and body-source

5 結論

本文采用MCNP模擬計算了放射性點源天空反散射劑量率水平，對天空反散射的主要影響因素進行了分析，模擬計算了核電廠不同理論體積放射性廢物在廠房內吊裝期間的天空反散射劑量率水平，提出了一種基于放射性點源結果進行放射性體源天空反散射劑量率的快速評估方法。該方法適用的放射源體積范圍覆蓋了核電廠放射性廢物的通常尺寸，該方法的實施，可滿足工程實踐的快速響應要求。

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Evaluation of γ-ray Skyshine Dose Rate due to Radioactive Waste Lifting at Nuclear Power Plant

JIANG Zhen-yu1, TANG Shao-hua1, XIONG Jun1, WU Yue-lei2

(1.ChinaNuclearPowerDesignCo.,Ltd.(Shenzhen),Shenzhen518124,China； 2.NuclearandRadiationSafetyCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100088,China)

The γ-ray skyshine due to radioactive point-source was simulated with MCNP in this paper. Moreover, the main factors which affect γ-ray skyshine were studied, and the conclusions provide references for corresponding radiation protection of nuclear power plant. The γ-ray skyshine dose rate due to radioactive waste lifting at nuclear power plant was evaluated specifically, and a rapid evaluation method of γ-ray skyshine dose rate due to radioactive body-source was founded by use of the results of radioactive point-source. The implementation of this method meets the engineering rapid response requirement effectively.

skyshine; radioactive body-source; influence factor

2014-07-21;

2014-10-13

蔣振宇(1983—)，男，江蘇常州人，工程師，碩士，從事輻射防護設計研究

TL77

A

1000-6931(2015)06-1132-05

10.7538/yzk.2015.49.06.1132