艦船核輻射防護領域中的蒙特卡洛方法應用

蔣帥，陳曉，彭玉輝，王俊新

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

?

艦船核輻射防護領域中的蒙特卡洛方法應用

蔣帥，陳曉，彭玉輝，王俊新

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

假設核動力艦船發生放射性物質泄漏事件，建立水立方模型與含骨層的水立方模型，選取多種能量的光子源，通過蒙特卡洛粒子輸運程序MCNP5對模型關注柵元進行能量沉積模擬計算。結果表明，在制定核動力航母的輻射防護系統初步方案時，不僅要從宏觀層面考慮到船員的年平均有效吸收劑量，還有必要結合人體各個器官的耐受劑量特點，對各器官的年當量劑量做出嚴格的規定。

艦船；輻射防護；能量沉積；MCNP5

目前我國的核動力航母建造項目勢在必行，必須建立一套行之有效的航母輻射防護標準，包括關于艇員承受劑量限值的確定[1]。為此，考慮建立相應的模型，使用蒙特卡洛粒子輸運程序MCNP5進行特定情況下關注粒子的輸運的數值模擬計算，為船員最終劑量限值的確定提供參考。選擇不同能量的光子源，建立簡單的立方體水模型，以及含骨層的水立方模型，通過MCNP5對關注柵元進行光子能量沉積計算，用以進行直觀的初步分析。

1 方法與工具

1.1 粒子輸運程序MCNP簡介

國際上目前存在多種成熟的蒙特卡洛粒子輸運計算程序，例如MCNP5，Geant4，EGS，FLUKA等，目前MCNP最廣為熟知和使用，在諸多領域得到了廣泛的運用[2]。MCNP5程序是由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(los alamos national library,LANL)開發，可以對復雜的任何三維幾何模型進行粒子輸運模擬。MCNP5程序需要的輸入信息主要需要INP文件、截面數據庫文件以及XSDIR文件，其中INP文件由使用者自己構建，文件中需要包含所要研究問題的必須的全部輸入信息。INP文件采用卡片結構，主要由標題卡、柵元卡、曲面卡、數據卡等幾部分組成。柵元卡和曲面卡主要用來定義幾何模型，曲面卡定義組成柵元的曲面，柵元卡定義整個系統的各個基本封閉單元以及相應的物理信息，柵元之間不能重疊，并且研究空間必須由柵元填滿。數據卡部分主要用于描述問題類型、源描述、材料描述、計數描述及問題截斷條件等，同時這部分還可以使用豐富的降低方差技巧。

1.2 模型條件設置

人體含水70%，主要構成元素為氫、氧、碳、氮、鈣、磷等，其中骨的成分主要為鈣、氧、碳、磷、氮、鈉等。用一個10 cm×10 cm×10 cm的液態水立方體代表人體組織，以做人體器官接受一定能量射線輻照后的初步的劑量分布模擬計算，該模型均勻細分成1 000個邊長為1 cm的小立方體，在坐標系中，假設模型中心位于坐標系原點。

再用1個10 cm×2 cm×10 cm的骨層取代立方體Y=0～2 cm之間的水層，再進行模擬，模型見圖1。

假設核動力航母受到敵對勢力攻擊，反應堆發生放射性物質泄漏事故，且艙防護門受損，形成一個20 cm×20 cm的光子面源。在坐標系中，假設該面源垂直于Y軸并位于面Y=-10 cm上，面源中心在Y軸上，源粒子方向為各項同性。

為了便于研究以及直觀比較，光子面源先取140 kVp的光子能量譜對水立方和含骨層水立方模型進行能量沉積模擬計算。面源再分別取能量為10 MeV和0.5 MeV的單能光子源，對水立方體模型進行能量沉積模擬計算。

計算中模擬1×107個粒子，使得結果誤差控制在3%以下。

2 結果分析

2.1 水立方體與含骨層水立方體模型數據對比

在模擬計算中，首先光子面源選取140 kVp的光子能量譜。選擇X=0～1 cm之間的100個小水立方體柵元作為研究對象，選擇F6計數卡以計算每個柵元中心點處的能量沉積，把數據導入Origin軟件處理，可以得到X=0.5 cm處YZ面的能量沉積的分布，見圖2、圖3，其中能量沉積單位為MeV/g。

類似可以得到Y=0.5 cm處XZ面的能量沉積分布，見圖4、圖5。Z=0.5 cm處XY面的能量沉積分布大致與X=0.5 cm處YZ面的能量沉積分布類似，不再贅述。

比較圖2與圖3，光子的能量主要沉積在骨層上，含骨層水立方體模型能量沉積值約為純水立方體模型能量沉積值的10倍，除去骨層，靠近面源的前端部分柵元能量沉積稍高，其余各柵元的能量沉積較低且分布相對均勻。水立方體模型柵元的能量沉積則沿著遠離面源的方向逐漸降低。

比較圖4與圖5，XZ平面的劑量分布變化趨勢基本相同，中心區域柵元能量沉積高，邊緣柵元低，含骨層水立方體模型紅色區域能量沉積值約為純水立方體模型紅色區域能量沉積值的10倍。

光子與高原子序數的元素更容易發生康普頓效應，因此光電子可能會在骨面發生電離輻射，導致更多的能量沉積。人體器官組成元素各不相同，在制定核動力航母的輻射防護系統初步方案時，不僅要從宏觀層面考慮到船員的年平均有效吸收劑量，還有必要結合人體各個器官的耐受劑量特點，對各器官的年當量劑量做出嚴格的規定[3-4]。同時亦有必要對核動力航母規劃輻射防護分區，嚴格劃定非限制區、監督區以及控制區。

在后續的研究過程中，可以考慮引進人體模型配合基于GPU加速的蒙特卡洛程序ARCHER開展更多的精細化的模擬計算。

3.2 2種單能光子源模擬結果對比

選用10.0 MeV和0.5 MeV的單能光子面源對水立方體模型進行能量沉積模擬計算，計數卡分別選擇F6與*F8。在對結果進行處理時，由于F6卡對應結果單位是MeV/g，*F8卡對應結果單位是MeV，因此，在繪制圖表時，把F6卡對應結果統一做乘以1 000 g處理。數據對比見圖6、7。

對比圖6、7可以看出，選用高能光子面源時，以Y=0 cm為界，左端的數據相差甚大，右端的數據吻合的相對較好，當選用低能光子面源時，F6與*F8計數卡對應的數據擬合的都相對較好。

由此可見，當選用F6或者*F8計數卡進行能量沉積模擬計算時，要注意，F6卡考慮了柵元中的帶電粒子平衡(CPE)，但是*F8卡并沒有考慮CPE。當入射光子的能量越小，CPE就越容易在光子進入模型時達到。因此在模擬人體器官受輻照后的能量沉積時，要充分考慮到2種計數卡的優缺點。

4 結論

在制定核動力航母的輻射防護系統初步方案時，不僅要從宏觀層面考慮到船員的年平均有效吸收劑量，還有必要結合人體各個器官的耐受劑量特點，對各器官的年當量劑量做出嚴格的規定。同時亦有必要對核動力航母規劃輻射防護分區，嚴格劃定非限制區、監督區以及控制區。

后續工作中，考慮通過引入人體模型配合粒子輸運程序MCNP來開展各種情況下的精細化的模擬計算，為核動力航母的輻射防護系統初步方案提供有意義仿真參考信息，充分保障核動力艦船船員的生命安全。

[1] 杜紅霞，王俊新.基于可再生吸附的核生化過濾技術[J].船海工程，2016(4):4-7.

[2] X-5 Monte Carlo Team. MCNP-A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Volume I: User Guide[R]. New Mexico: Los Alamos National Library. 2003.

[3] 霍萬里,吳愛東,陳志,等.APBI治療過程中身體主要器官吸收劑量的蒙特卡洛模擬[J].中國醫學物理學雜志,2015,32(2):183-186.

[4] 王遙,霍萬里,熊壯,等.TACE手術中不同站姿下鉛眼鏡和鉛面罩對醫生眼晶狀體防護效果的蒙特卡洛模擬比較[J].中國醫學物理學雜志,2016,33(6):553-558.

Application of Monte Carlo Method in the Field of Radiation Protection of Ship

JIANG Shuai, CHEN Xiao, PENG Yu-hui, WANG Jun-xin

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Assuming a possible incident of radioactive material leakage occurred in the nuclear-powered ship, a water phantom and a water phantom containing a bone layer were established respectively. Using MCNP5, energy deposition in typical cells was calculated with some kinds of photon sources. The results showed that when making plans for radiation protection of the nuclear-powered ship, strict rules of annual equivalent dose for different organs combining their characteristic are necessitated.

ship; radiation protection; energy deposition; MCNP5

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.032

2017-01-18

蔣帥(1990—)，男，碩士，助理工程師

研究方向：輻射防護

u698

A

1671-7953(2017)03-0136-03

修回日期：2017-03-27