核動力艦船生物屏蔽技術

何景異，陳小鄒，孫鵬才，陳煜浩，(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

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核動力艦船生物屏蔽技術

何景異*，陳小鄒，孫鵬才，陳煜浩，*
(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

摘要:核動力艦船生物屏蔽不同陸上核動力裝置生物屏蔽，其重量、體積受到極大限制，屏蔽空間也極度不規則。如何設計出經濟上合理、技術上可行、體積小、重量輕、相對性能最佳的生物屏蔽，是一項復雜的系統工程。本文概述了核動力艦船生物屏蔽設技術的特點和要求；總結了核動力艦船生物屏蔽設計的一般方法、設計流程和生物屏蔽材料研制及應用情況；提出了將點核積分法同蒙特卡羅方法相結合的核動力艦船生物屏蔽設計方法，可為核動力艦船生物屏蔽設計提供參考。

關鍵詞：生物屏蔽；點核積分法；蒙特卡羅方法；生物屏蔽材料

0　引言

核動力艦船生物屏蔽是為防止核動力裝置運行時，從反應堆裝置表面、一回路冷卻劑及其回路設備輻射出的 γ 射線和中子對人員產生的危害而設置的，是艦船輻射安全的重要防護設施。因此，核動力艦船生物屏蔽是艦船設計、制造、運行首要考慮的問題之一。核動力艦船屏蔽不同于陸上核動力裝置，其重量、體積都受到極大的限制，輻射源復雜多變，系統、設備、管路眾多，屏蔽空間不規則，裝配空間有限，是一個十分復雜的輻射屏蔽幾何空間。就在確保人員的輻射安全下，如何設計出經濟上合理、技術上可行、體積小、重量輕、相對性能最佳的生物屏蔽，是一項復雜的系統工程，也是一門工程藝術，其牽涉到艦船總體設計、艦船結構設計、核動力裝置設計、輻射防護設計等多門學科。生物屏蔽計算方法的研究和生物屏蔽材料的開發應用是屏蔽技術發展的關鍵，其對核動力艦船生物屏蔽技術的發展又顯得尤為重要。以下將從核動力艦船生物屏蔽設計要求和特點、生物屏蔽計算方法和生物屏蔽材料幾方面闡述核動力艦船生物屏蔽設計技術。

1　核動力艦船生物屏蔽設計要求及特點

核動力艦船生物屏蔽設計必須同艦船總體、結構、核動力裝置等作為一個整體給予考慮，其為艦船總體、結構設計、核動力裝置設計等的輸入條件之一，同時艦船生物屏蔽設計必須結合艦船總體、結構、核動力裝置設計等設計特點。核動力艦船生物屏蔽作為核動力艦船核安全的重要組成部分，在設計上絕不能采取權宜之機，結構工藝更不能草率行事。

為保證人員輻射的安全，核動力艦船生物屏蔽必須滿足下述要求：

1）保證人員年接受外照射的劑量滿足艦船輻射屏蔽規范設計準則規定的限值；

2）保證在反應堆艙相鄰艙室執行任務的人員照射的劑量不超過容許劑量水平；

3）允許在限定時間內通過堆艙通道；

4）艦船離靠碼頭時，允許人員在甲板上進行必要的操作；

5）保證取樣人員的安全。

生物屏蔽設計同一次屏蔽設計是緊密相連的，一次屏蔽設計結果將直接作為生物屏蔽設計的輸入條件之一。因此需綜合考慮一次屏蔽和生物屏蔽的屏蔽效果、總重量、可行性和經濟性，合理分配兩者在屏蔽中起的作用。盡可能使一次屏蔽表面劑量同管路、設備冷卻劑劑量處于同一數量級，以減輕生物屏蔽重量。在明確上述要求和關系后，核動力艦船生物屏蔽設計一般遵循以下的流程：

1）根據艦船總體布置、艦船結構和系統管路設備的要求，確定核動力艦船生物屏蔽的布置位置；

2）根據不同的位置、停留時間及相關規定確定生物屏蔽有關部位的劑量要求；

3）充分地利用反應堆艙內設備的合理布置，有效的發揮其設備的陰影屏蔽作用，使堆艙內的輻射源獲得相互減弱，以達到減輕生物屏蔽的重量；

4）選擇合理的屏蔽計算方法；

5）根據艦船重量、體積、劑量及總體布置等要求，在經濟上可行、盡可能降低輻射劑量水平的前提下選擇合理、高效能的屏蔽材料；

6）計算生物屏蔽厚度；

7）針對通艙管路、空腔、孔縫和不規則部位采取局部加強措施；

8）核算生物屏蔽重量，經濟性，優化屏蔽結構。

以上設計工作是逐步深化、反復迭代的的過程，需不斷的改進設計。特別是如何利用艙內設備的合理布置，充分發揮設備的陰影屏蔽作用，這將起到事半功倍的效果，但需同艦船總體設計和核動力裝置設計不斷溝通、協調，綜合考慮。由于所選取計算方法本身存在不足和輸入參數的理想化、經驗化，必須在設計時加入一定的安全系數。生物屏蔽設計計算完后，由于艙內空間狹小，還需充分考慮建造、裝配的可行性。施工過程嚴格控制裝配過程中孔縫的出現，防止輻射泄漏。通艙管路、空腔、孔縫和不規則部位給生物屏蔽計算帶來了很大的困難，直接破壞理想計算狀態下生物屏蔽結構的完整性，給生物屏蔽設計計算帶來不確定性的因素。特別是孔縫的影響，目前沒有完整的科學計算手段，一方面是設有一定的安全系數，另一方面還需工程經驗，進行局部修正。設計上應盡量避免和減少孔縫的產生。

2　核動力艦船生物屏蔽計算方法

選取合適的屏蔽計算方法是保證核動力艦船輻安全的關鍵。以何種較為簡單、準確而又普遍適用的方法來處理輻射源復雜多變，系統、設備、管路眾多，屏蔽空間不規則的復雜幾何空間的輻射屏蔽問題，一直是人們研究的重點。隨著國際原子能委員會對輻射安全的要求越來越嚴和監測手段的提高，各國家對核安全越來越重視。其對輻射安全的研究也越來越深入，核輻射安全的理論和有關的計算軟件也得到迅速的發展。就核動力生物屏蔽技術而言，先后提出了兩種不同但各有所長的方法，即點核積分方法和蒙特卡羅方法。

2.1點核積分方法[1,2]

點核積分法是美國開發的專門用于反應堆主回路設備間 γ 射線輻射屏蔽設計。其主要是采用等值點源法、外壁面等劑量率法、陰影屏蔽綜合技術法、多層屏蔽能譜減弱法等。同時充分考慮輻射源的自吸收作用、輻射源的角度效應、斜穿屏蔽層的積累影響、散射作用等各種輻射減弱因素。其主要計算公式如下：

其中：

Dk第 k 個劑量點的劑量率；

dik第 i 個等效點源到第 k 個劑量點的距離；

BN歸一皮波斯積累因子；

Cbk垂直穿透二次屏蔽第 k 個單元的減弱因子；

(OA)m第 m 個陰影屏蔽體的減弱系數；

n等效點源的總個數；

m陰影屏蔽體的總個數；

Csi第 i 個等效點源的源強；

等值點源法：將反應堆側面和頂部面源以及一回路管道和設備冷卻劑體源離散成相當等值點源。反應堆側面和頂部面源離散點的強度等于該面元幾何中心點的源強同該離散面源面積的乘積；一回路管道和設備冷卻劑離散體源強度等于離散體源中心點的源強同離散單元體積、密度的乘積。

外壁面等值劑量率法：根據外壁面等值點劑量大小確定其屏蔽厚度，不同劑量大小采取不同的屏蔽厚度。

陰影屏蔽綜合技術法：計算各離散點源對劑量點的貢獻時，需考慮該離散點源同劑量點之間是否有設備的屏蔽作用，即陰影屏蔽體。在輻射屏蔽設計中用“打中”或“打不中”技術判斷。為簡化計算，所用的設備簡化為圓柱體，如果源點和劑量點的連線穿過圓柱體，則為“打中”。打中其陰影屏蔽因子為某一固定值或者為“絕對黑體”，即該源點對劑量點的貢獻為零，這需事先根據設備的大小，預先設定各設備的陰影屏蔽因子。

多層屏蔽能譜減弱法：γ 射線垂直穿透反應堆堆艙屏蔽體的積累因子采用能譜方法計算，其數值與材料本身、屏蔽材料的組合和厚度有關，與入射 γ 射線的初始能量及其在屏蔽材料中的散射能譜有關，相關的γ 射線在屏蔽材料中的散射能譜和有關參數，均需人工事前從散射能譜中查取。

自吸收作用：輻射源輻射出的 γ 射線首先收到自身介質的減弱，自吸收因子與輻射源的能量、射線穿行的介質和距離相關。

輻射源的角度效應：等效的點源不能視為各向同向性點源，需根據等效點源的類型、位置作修正，這一般依據工程經驗修正。

斜穿效應：用歸一皮波斯積累因子和 γ 射線垂直穿透反應堆堆艙屏蔽體積累因子的乘積來綜合考慮 γ射線對反應堆堆艙屏蔽體的斜穿效應。歸一波斯積累因子的乘積之值可從“歸一波斯因子—cosθ 曲線圖”中查得，其中 θ 為反應堆堆艙屏蔽體法線與點源和劑量點連線之間所形成的銳角。

從上述可看出點核積分法理論基礎比較直觀，等效處理較多，經驗性強，但其公式和參數多來源于實驗數據和工程實踐，因此在工程中有著廣泛的應用，其宏觀性好，計算效率高。特別適用于復雜幾何空間輻射屏蔽的計算。

2.2蒙特卡羅方法

蒙特卡羅（Monte Carlo）方法，又稱隨機抽樣或統計實驗方法，是一種數值分析方法。由于傳統的經驗方法不能逼近真實的物理過程，很難得到滿意的結果，而 Monte Carlo 方法通過描述概率過程實現已知概率分布抽樣、建立各種估計量。從而能夠真實地模擬了實際物理過程，故其解決問題與實際非常符合，這是目前國際原子能委員會確認的最好輻射安全計算方法。由美國的洛斯·阿拉莫斯國家實驗室和橡樹林國家實驗室運用蒙特卡洛方法開發的 MCNP 軟件，是一套通用的、三維空間中連續能量中子、光子和帶電粒子聯合輸運過程模擬程序，在軍事和工業領域有著廣泛應用。MCNP 比較適宜計算和處理復雜幾何空間的粒子輸運問題和粒子泄漏問題。但對核動力艦船反應堆艙尺寸比較大、設備外形復雜、屏蔽體厚度也比較大，輸入復雜，誤差的概率性和收斂方面不足,機時量將過大，難以到達預計的計算精度，因而在實際計算中受到一定的限制。

綜合起來看，點核積分法和蒙特卡洛方法各有優缺點。就核動力艦船生物屏蔽計算而言，點核積分法側重于從宏觀計算屏蔽效果，蒙特卡羅方法側重于從微觀計算屏蔽效果。蒙特卡羅方法在生物屏蔽材料研制、規則幾何模型屏蔽性能計算等方面具有點核積分法無法比擬的優勢，特別是在新型復合屏蔽的研制方面。將蒙特卡羅方法用于計算點核積分方法中材料性能、設備屏蔽性能等參數，兩種方法結合計算，用蒙特卡羅方法彌補點核積分方法的經驗性，這將極大的提高計算結果的精度和準確性。結合堆艙的輻射水平，有針對性采用蒙特卡羅方法進行局部屏蔽和孔縫泄漏計算，改進局部屏蔽，加強孔縫的控制，完善點核積分法的計算結果。

3　核動力艦船生物屏蔽材料[3]

生物屏蔽材料的選擇是核動力艦船生物屏蔽設計的一個重要部分。把材料選擇和與其相關的性能最佳化，兩者結合考慮就能顯著降低屏蔽造價和減輕其重量。在選擇材料時，主要考慮中子和 γ 射線的屏蔽性能。一般來說，對 γ 射線具有良好減弱性能的材料也會因發生中子非彈性散射和輻射俘獲而產生二次 γ 射線。因此，次級輻射的產生也是應該考慮的因素。不同目的決定了需要選擇不同的材料，就陸上固定式的核動力堆系統而言，價格是首要的考慮因素。因此在選擇屏蔽材料時，選用混凝土成了基本方針。對核動力艦船，總重量和體積成了首要考慮的因素，其生物屏蔽材料具有以下特點：

1）密度盡可能大；

2）氫含量盡可能的高；

3）在中子吸收或慢化的過程中所放出的俘獲 γ 輻射的能量盡可能的低；

4）具有一定的機械強度和可加工工藝性能；

5）熱穩定性、耐熔性和耐腐蝕性要好；

6）材料常溫或受熱的情況下無揮發性毒氣釋放；

7）價格盡可能的低。

目前還沒有任何一種材料滿足上述要求，所以在建造時必須選擇不同材料構成多層屏蔽。目前核動力艦船生物屏蔽材料主要有水、聚乙烯、鉛、鑄鐵、混凝土等。在先進生物屏蔽材料領域，國外已開展了大量的研究工作，主要以蒙特卡羅方法為基礎，試驗相結合的辦法，取得了一定的成果。法國研制出一種加入硼等物質的櫸木材料，已用于核潛艇和戴高樂航空母艦上，取得了良好的效果。美國航空航天總署一直在研制防護高能宇宙 γ 射線的復合屏蔽材料，其設計的貧鈾混和材料對于 γ 射線有很好的屏蔽效果，但由于核潛艇堆艙內有很強的中子輻射，會引起貧鈾的活化，所以不能采用該材料的設計思路。日本也在上世紀 90 年代研制出一些天然橡膠加入氧化釓等物質的復合屏蔽材料。

4　結語

本文總結了核動力艦船生物屏蔽設計的要求與特點，以及生物屏蔽材料要求與研制進展；針對點核積分方法和蒙特卡羅方法進行了對比，兩種方法各有所長，點核積分法側重于宏觀層面的屏蔽計算，適合大型復雜幾何空間的計算，蒙特卡羅方法側重于微觀屏蔽計算，適合規整空間或局部屏蔽空間的計算。

針對核動力艦船復雜的輻射屏蔽幾何空間，在進行生物屏蔽設計時，可采用點核積分法進行整體宏觀計算，初步確定屏蔽厚度及屏蔽效果，采用蒙特卡羅方法進行屏蔽層結構設計以及孔道屏蔽計算，校核、修正點核積分法的計算結果，優化點核積分法設計結果。

參考文獻：

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Research on Biological Shielding of Nuclear Power Naval Ship

HE Jing-yi, CHEN Xiao-zou, CHEN Huan, Sun Peng-cai, CHEN Yu-hao
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, Hubei Province, China)

Abstract:The biological shielding of nuclear power naval ship is different from the biological shielding of nuclear power reactor on land.The weight and volume of the biological shielding is greatly restricted. The shielding space is extemely irregular. How to design economically reasonable, technically feasible,small volume, light weight, relative performance best biological shielding is a complex system engineering. This paper gives characteristics and requirements about biological shielding design of nuclera power naval ship; Summarizes the general method of biological shielding, process of biological shielding design, study and application of biological shielding mateiral; proposes integrated Monte-Carlo method and Poine-kernel integral method for the biological shielding of nuclera power naval ship. This paper can give some reference to the biological shielding of nuclear power naval ship design.

Key words:Poine-kernel integral method；Monte-Carlo method；Biological shielding mateiral

作者簡介:何景異(1982–)，男，工程師，研究方向為船舶總體設計。

收稿日期:2015–07–01； 修回日期: 2015–08–12

文章編號：1672–7619(2016)03–0120–04

doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.025

中圖分類號：TL328

文獻標識碼：A