放射性物質的常見屏蔽形式

邵睿+李云華+姚琳

摘要：在合理利用核能的同時，更應該關注放射性物質發出的α射線，β射線，γ射線和中子射線所產生的輻射效應。為了減弱輻射危害，除了遠離輻射源，減少受輻射時間外，選擇恰當的屏蔽形式尤為重要。本文調研了常見屏蔽材料和結構，探究了其應用場景，并對比分析了各種屏蔽形式優缺點。

Abstract： In the rational use of nuclear energy， at the same time people should pay attention to the radiation effects generated by α-ray， β-ray， γ-ray and neutron radiation of radioactive material. In order to reduce the radiation hazards， in addition to away from the radiation source and reducing the radiation time， the choice of appropriate shielding form is particularly important. This paper investigates the common shielding materials and structures， explores their application scenarios， and compares the advantages and disadvantages of various shielding forms.

關鍵詞：放射性物質；輻射防護；屏蔽；材料；乏燃料

Key words： radioactive material；radiation protection；shielding；material；spent fuel

中圖分類號：X591 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）15-0160-04

0 引言

原子能科學成果與技術應用在人類發展史具有劃時代的意義[1-3]，在醫療應用、國家安全、工業探傷等領域得以廣泛應用，并展現出來廣闊的美好前景。技術的兩面性在生活中無處不在，原子能也不例外。人類在享有原子能技術帶來的美好成果的同時，輻射作用也會帶來某些直接或者間接的危害[4，5]。

原子核從一種結構轉變為另一種結構，或者一種能量狀態轉變為另一種能量狀態過程中，釋放出來微觀粒子流[6-8]。這種能自然的向外輻射能量，發出射線的物質，稱為放射性物質，一般都是相對原子質量較高的金屬，如钚，鈾等。放射性物質發出的射線可分為α射線、β射線、γ射線和中子射線[9]。射線對人類正常的生產生活影響很大，應努力避免和減少其危害。輻射防護作為原子能科學與技術領域的重要組成部分，在合理利用原子能的同時，為保護環境和人類健康提供了科學依據。輻照防護的三原則有[10，11]：

①時間防護：累計劑量的大小與受照時間成正比。受輻射時間越短，危害越小。

②距離防護：由輻射引起的劑量率水平與該處到放射源距離的平方近似成反比。距離越遠，該處的劑量率越低，危害越小。

③屏蔽防護：在人與放射源之間增加一道或幾道防護屏障。屏蔽設計應根據輻射水平的高低、輻射分區的要求、操作的性質以及對空間大小的要求等，選擇適宜的屏蔽材料和屏蔽體設置的形式，通過計算分析并考慮合理的裕量來確定屏蔽體的厚度。

常用的屏蔽材料有金屬、混凝土等，如表1所示。

1 常見屏蔽方案

美國核管理委員會（NRC）對屏蔽的定義為：屏蔽是任何能吸收輻射的材料或屏障，有助于保護人員或材料不受電離輻射的影響。選擇合適的屏蔽材料，確定屏蔽的結構形式和參數，有助于妥善處理放射性問題。

1.1 水

在核電站乏燃料的后處理中，從反應堆卸出的乏燃料組件，具有較強的放射性，必須貯存一段時間后才能運輸。依據GB 11806-2004的規定[15]，正常運輸條件下，在運輸容器外距表面2m處任意一點的劑量率值不得超過0.1mSv/h。為使其放射性和衰變熱降低，必須在反應堆的貯存水池中存放并冷卻一段時間。同時，一定厚度的水可以保障人員在水池上方的觀測安全和環境安全。如圖美國核能協會給出了水池的三個關鍵液位[16]。

使用水作為屏蔽材料，缺點也比較明顯，乏燃料水池冷卻系統需要持續工作[17，18]，廢液屬于二次污染物，運行和維護成本較高。水池貯存周期一般為5～10年，隨著我國核電站運行時間的增加，水池的貯存能力趨于飽和，有待于采用其他方式進行最終處置或處理。

1.2 鋼-鉛

大多數的輻射屏蔽采用金屬鉛，輔以鋼結構支撐。鉛的優點為成本低、容易成型、屏蔽性能好。鉛屬于重金屬，缺點是對人體有害，操作時需要注意防護，處置方式也會受限制。

中國核電工程有限公司設計的GY-40型運輸容器[19]，是運輸工業用鈷60放射源而設計的鉛屏不銹鋼容器，主要屏蔽材料為鉛，外層采用不銹鋼支撐，主體外形示意見圖2。輻射屏蔽采用不銹鋼-鉛-不銹鋼結構，通過嚴格的試驗驗證，容器的各項功能均滿足國家法規標準的要求。這樣的屏蔽結構能保證在放射源運輸途中，人員和環境的安全。

作為鉛屏容器，灌鉛質量直接關系到乏燃料的屏蔽能力[20，21]，因而制造過程中的灌鉛工藝是關鍵。

1.3 球墨鑄鐵

20世紀八十年代，原西德Siempelkanmp鑄造公司研發了一種100t重的球墨鑄鐵容器，并根據核燃料容器可能遇到的事故工況，進行了9m跌落，800℃火燒以及大型飛射物撞擊等試驗，在充分考慮密封和屏蔽性能的條件下，該球墨鑄鐵容器滿足了安全貯存核反應堆乏燃料的嚴格要求，開創了球墨鑄鐵容器的先河[22]。

西德核服務公司（GNS）開發了一套MOSAIK鑄鐵容器，根據內容物的比活度，有適當厚度的鉛內襯，制造成本比鋼-鉛容器降低很多[23]。

球墨鑄鐵具有良好的力學性能和鑄造性能，在制成容器時不同于不銹鋼需要焊接。球鐵容器通過鑄造直接成型，可保證容器本體的完整和可靠密封，以及良好屏蔽作用，鑄鐵的缺點是制造工藝復雜，需要考慮厚壁澆鑄可能出現的缺陷，并采用恰當的冷卻系統，保證良好的金相組織。

1.4 貧鈾

貧鈾中的U235含量低于天然鈾，是一種密度大，中子俘獲截面大[24，25]，屏蔽作用強的物質。同時具有輻照穩定性良好，熔點高，導熱性好，機加工性能好等優點，貧鈾對γ及X射線的吸收能力很強，是一種性能優異的屏蔽材料。采用貧鈾作為屏蔽材料的缺點是，貧鈾本身具有一定的放射性，需要為其再次設置屏蔽材料，國內能加工貧鈾的廠家也較少。相對于鉛，貧鈾的價格較高[26]，比較適合局部需要屏蔽作用較強的屏蔽容器。

用于轉運秦山三期重水反應堆生產的鈷調節棒轉運容器，采用了貧鈾作為屏蔽材料。容器從內到外的主要屏蔽結構包括：內筒體，貧鈾屏蔽層、鉛屏蔽層以及外筒體。容器底部設有屏蔽門，材料也是貧鈾。該型容器主要是考慮了空間大小限制，在較小的空間形成較好的屏蔽作用，具體結構如圖4所示。

1.5 混凝土

雖然金屬材料的屏蔽能力較好，但對于核電廠等大型屏蔽體，需要考慮工程造價和實用性。最常用的輻射屏蔽材料是混凝土，主要包括重混凝土、蛇紋石混凝土等[27，28]。

重混凝土的骨料一般選取赤鐵礦或重晶石，蛇紋石混凝土容重大，化學結合水含量高，應用于高溫條件下的生物屏蔽。在配合比設計中，需要考慮容重和化學結合水率以及現場施工要求[29]。

混凝土以其成本較低，制作方便，耐腐蝕等優點，在條件適合的情況下，可開發混凝土貯存容器。典型代表有美國Holtec公司研制的HI-STORM容器和法國AREVA TN公司的NUHOMS混凝土貯存模塊。混凝土容器一般位于地面之上[30]，如圖5所示。混凝土容器可以垂直或水平方向貯存。

混凝土是良好的結構材料和輻射屏蔽材料，但導熱性能不佳。為了及時排出熱量排出的要求，設計上大多采用通氣式結構。通過專用管道可以排出混凝土容器中的熱量。

1.6 復合材料

兩種或兩種以上的不同材料，通過物理化學方法形成復合材料，其整體性能優于單一基體，目前已有復合材料應用于中子屏蔽的研究成果。

韓仲武等人[31，32]研究了鎢鎳組合及合金，建立了三種材料組合模型——鎳前鎢后、鎢前鎳后及鎢鎳合金，使用MCNP程序模擬透射率和透射能譜，獲得了三種模型的屏蔽性能，對屏蔽材料選擇和結構設計有一定的指導意義。

李曉玲等[33]研究了一種鉛硼聚乙烯新型復合屏蔽材料，對其成分配比進行優化設計，最終完成了樣品試制并通過相關考核。

柴浩等人[34]設置基體為SEBS熱塑性彈性體，功能填料為碳化硼，研發了新型柔性復合材料——B4C/SEBS，經過受力分析和傳熱計算及中子屏蔽試驗，發現該復合材料具有良好的柔韌性能和中子屏蔽性能。

2 小結

本文介紹了常見的放射性物質屏蔽用結構形式和材料。混凝土主要用于核電廠的大型屏蔽體，以及乏燃料貯存領域。乏燃料水池主要用于在堆短期貯存，為后處理創造條件。鉛、貧鈾，球墨鑄鐵等金屬大多用于放射源和乏燃料的運輸和貯存。復合材料現也逐步進入放射性物質的屏蔽領域，特別是中子屏蔽。選擇并確定屏蔽材料和布置，同時要充分結合使用空間位置關系、工藝要求和技術經濟等條件。

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