工程機械操作室核輻射防護裝置設計

劉博，鄒樹梁

工程機械操作室核輻射防護裝置設計

劉博，鄒樹梁

（南華大學資源環境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001；南華大學核設施應急安全技術與裝備湖南省重點實驗室，湖南 衡陽 421001）

采用了MCNP粒子輸運程序建立模型，研究了一些影響工程機械操作室核輻射防護裝置屏蔽效果的因素。通過仿真模擬計算、分析了γ輻射源不同形狀、不同屏蔽材料、屏蔽材料不同排列順序、其他成分材料等對防護裝置屏蔽效果的影響。研究結果為設計出具備更加優良的核輻射屏蔽能力、綜合性能更加完善的工程機械操作室核輻射防護裝置提供了一定的技術指導和理論依據，有利于這些工程機械能夠更好地保障作業人員健康安全、更高效地完成工作任務。

退役處理；事故應急；核輻射；屏蔽

1 引言

能源是現代經濟社會發展的基礎[1]。核電作為一種清潔高效的能源，是中國增加能源供應、優化能源結構、應對氣候變化最重要的選擇之一。經過幾十年的發展，中國有越來越多的核設施、鈾礦山等進入退役期，而且伴隨著核設施運行、核科學技術實驗等涉核活動的不斷進行，放射性事故不容忽視。不論是核設施退役處理還是放射性事故應急處置，特別是在事故情況下，時間就是生命，稍有不慎將會造成大范圍的嚴重災難。在相關的現場處置過程中，核輻射直接威脅著作業人員的生命健康，一些普通作業技術和裝備無法可靠地工作，需要具有核輻射屏蔽功能的工程機械，以滿足在放射性環境下工作的嚴苛要求[2]。但額外的屏蔽裝置將增加設備整體質量，這不僅增大承重結構的靜載荷，還產生運行過程中的應力、應變、震動、共振等動力學影響[3]，如不予以重視，將可能損壞設備，進而影響作業人員和作業進程。故研究屏蔽材料、屏蔽裝置的核輻射防護性能及其影響因素，研發具備核輻射防護能力的大、中、小型裝備，提高操作室屏蔽能力，并使屏蔽裝置輕量化、小型化，對保障作業人員的生命健康和保證順利高效完成工作任務具有重要的意義和價值。

為了減少對原裝備本身的改動，盡可能使屏蔽裝置能直接套用于各型工程機械，優化防護裝置的屏蔽材料、結構等方面對更大范圍、更低難度的設備防輻射改裝、核輻射環境下作業機械化非常有意義。本文采用仿真模擬的方法，研究工程機械操作室核輻射防護裝置的屏蔽性能，對屏蔽裝置的材料、組合、材料放置順序等進行選型、計算、優化。使用MCNP程序建立模型進行仿真模擬，分析源項、屏蔽材料等因素對防護裝置屏蔽性能的影響，為后續深入研究提供思路、依據。

2 方法與模型

2.1 MCNP程序簡介

蒙特卡羅方法（Monte Carlo Method，簡稱MC），又稱隨機抽樣或統計試驗方法，是一種以概率和統計理論方法為基礎的計算方法。在粒子輸運、量子熱力學、空氣動力學計算等領域應用十分廣泛，并被用于材料制備工藝研究和可靠性分析。在核科學領域，蒙特卡羅方法被廣泛用于粒子輸運計算，國際上目前有多種成熟的蒙特卡羅粒子輸運計算程序，如MCNP、Geant4、EGS、FLUKA等，其中MCNP最廣為熟知和使用。MCNP，即MCNP粒子輸運程序（Monte Carlo N-Particle Transport Code），由美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory，簡稱LANL）開發，是可用于計算復雜三維幾何結構中粒子輸運的大型多功能程序，能夠解決中子、光子、電子以及中子/光子/電子耦合的輸運問題，計算臨界系統的特征值。

MCNP程序需要的輸入信息主要有INP文件、截面數據庫文件以及XSDIR文件，其中INP文件由用戶構建，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。曲面卡和柵元卡主要用來定義幾何模型，其中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、材料、計數及問題截斷條件等，同時這部分還可以使用一些降低方差的技巧[4]。

2.2 模型建立

利用MCNP程序構建防護裝置模型，進行屏蔽裝置設計，并對屏蔽性能進行初步模擬評估。本文對幾種屏蔽材料的γ射線屏蔽效果做了分析。仿真模擬中使用的簡易模型如圖1所示，在γ射線入射方向垂直放置屏蔽材料，在屏蔽材料之后放置探測器。輻射源采用常見的鈷-60各向同性γ源。

圖1 仿真模擬中使用的簡易實驗模型

3 仿真實驗與分析

3.1 輻射源種類對屏蔽效果的影響

在實際情況下，若機械設備作業位置距離放射源較遠，放射源可近似為點源；而距離較近時，應近似為線源或者面源。分別模擬鎢板對點、線、面三種形狀放射源在一定距離的屏蔽效果，發現屏蔽效果相差不大。為簡化計算，仿真實驗中的放射源為點源。

放射源形狀對透射率的影響如圖2所示。

圖2 放射源形狀對透射率的影響

3.2 屏蔽材料對屏蔽效果的影響

輻射源采用的是鈷-60點源，這里選取厚度相同的鎢、不銹鋼、鉛，分別計算以它們作為屏蔽材料在離源相同距離時，輻照劑量率的大小，以此評估這三種材料的屏蔽性能。不同材料的屏蔽效果如圖3所示。當分別選用鎢、鉛、不銹鋼為屏蔽材料時，測得輻照劑量率分別為0.002 3 mSv/h，0.014 9 mSv/h，0.132 mSv/h，故鎢的屏蔽性能最好，其次為鉛，再次是不銹鋼。三種材料中鎢的密度最大，原子序數為74，值較高，其屏蔽γ射線的效果最好。鉛的原子序數82，在三種材料中值最高，是一種常用的γ射線屏蔽材料，具有極佳的屏蔽效果，但其結構強度差，用作屏蔽材料時須有支撐框架[5]，而且鉛是有毒重金屬，易對環境造成嚴重的污染。鎢的物理化學性質良好，γ射線的屏蔽能力優于鉛，無毒無害，對環境影響小，但價格遠高于鉛。不銹鋼機械性能好，硬度高，耐高溫，耐腐蝕，廣泛用于加工制造機械設備零部件，但是其屏蔽性能不及鉛、鎢。

圖3 不同材料的屏蔽效果

3.3 組合屏蔽的材料排列順序對屏蔽效果的影響

γ射線與物質的主要相互作用過程包括光電效應、康普頓效應和電子對效應，如果γ射線與物質發生光電效應或電子對效應，則射線被吸收，這些效應的發生與吸收物質的原子序數有關，因此γ射線與不同的物質發生這些效應的截面不同，故需要對屏蔽材料的前后順序進行排列布置。多層組合屏蔽裝置模型如圖4所示，各層屏蔽材料相互平行。

圖4 多層組合屏蔽裝置模型

選用鐵和鉛作為屏蔽材料，計算結果如圖5所示，從圖5中可以看出，如果各材料之間屏蔽性能差距明顯，采用高原子序數物質在前、低原子序數物質在后的非均勻組合方式的屏蔽效果較好。當射線能量持續增加時，高原子序數物質在前、低原子序數物質在后的順序與相反順序兩者之間屏蔽性能比值有減小的趨勢，但始終大于1，說明了高原子序數物質在前、低原子序數物質在后的排列順序屏蔽性能優于與之相反的排列順序。不同能量下兩種排列順序的對比如圖6所示。

換用鎢和鉛進一步研究屏蔽材料的排列順序對屏蔽性能的影響，結果如圖7所示。在高能量下（1.25 MeV），屏蔽材料的排列順序對核輻射屏蔽效果影響較小。而當能量為100 keV時，采用高原子序數物質鉛在前、低原子序數物質鎢在后的排列方式能有效提高裝置對射線的屏蔽效果。實際核事故環境中的γ射線能量分布范圍通常較廣，因而適宜采用這種高原子序數物質在前，低原子序數物質在后的材料排列方式，以兼顧更大能量范圍的γ射線輻射環境。

圖5 各順序與Fe-Fe-Pb-Pb的對比

圖6 不同能量下兩種排列順序的對比

3.4 材料成分對屏蔽效果的影響

屏蔽裝置設計是一個帶有約束條件的多目標優化過程。一方面，屏蔽效果與射線類型和能譜分布密切相關，另一方面，在實際工程中還受到質量、體積、價格、結構性能等因素的限制[6]。在常見材料中，鉛是傳統的核輻射屏蔽材料，屏蔽效果好，但機械強度差，是一種對人體有害的重金屬，可在人體內積累。出于環境保護、人員健康、防止污染的考慮，研究少鉛、無鉛的核輻射屏蔽材料，尋找更加健康環保的屏蔽材料具有重要意義。而且，加裝核輻射屏蔽裝置將增加設備的整體重量，改變原本的受力狀態，因而對屏蔽材料帶來更復雜的要求。

鎳原子序數大，密度大，具有良好的力學、物理和化學性能，添加合適的元素可提高其抗氧化性、耐腐蝕性、高溫強度并改善某些物理性能，鎳具有無毒、環保、易加工等特點，對γ射線質量吸收系數大，在一定程度上可作為屏蔽材料。仿真模擬時采用的Inconel600質量濃度為8.4 g/cm3，含鎳72%、鉻17%、鐵10%和其他微量元素，Monel400質量濃度為8.83 g/cm3，主要含鎳65%、銅30%和鐵2%。

鉛與兩種鎳合金對不同能量γ射線的質量吸收系數曲線如圖8所示。從圖8中可以看出：①隨著γ射線能量的增加，鉛的質量吸收系數起初下降明顯，后來趨于平緩；②兩種鎳合金質量吸收系數相差很小，隨γ射線能量的增加，變化比較平緩；③γ射線能量較高（大于1.2 MeV）時，鎳合金和鉛的質量吸收系數相差不大。因此可考慮使用鎳合金代替鉛作為屏蔽材料，特別是在有高能γ射線的輻射環境下。另外，Inconel 600鎳合金含有對人體有害的金屬鉻，而Monel400鎳合金較健康環保，因此在屏蔽高能γ射線時可采用Monel400鎳合金作為屏蔽材料。

圖8 三種材料對不同能量γ射線的屏蔽性能對比

在情況更為復雜的混合輻射場中還存在中子輻射，而硼元素具備吸收熱中子并抑制（n，γ）輻射的能力，在鋼中適當加入硼有利于改善材料的機械性能，因此硼鋼也可用于制作屏蔽裝置以提高設備屏蔽混合輻射的性能和機械性能，實現結構和功能一體化[7]。

4 總結與分析

本文運用MCNP程序討論了幾種核輻射屏蔽材料用于工程機械操作室核輻射防護的屏蔽效果。通過對仿真模擬結果的分析討論得出如下結論：①相同厚度的鎢屏蔽體的屏蔽性能在鎢、鉛、不銹鋼等常見材料中最好，鉛次之，不銹鋼最差；②對于不同類形核輻射源，將其簡化成點源有助于分析、計算的簡化；③當運用多層屏蔽設計理念時，在各種材料不同的前后排列順序下，屏蔽裝置整體的屏蔽效果差異明顯；④基于健康環保的角度和力學性能、理化性能，可以考慮使用鎳合金代替鉛作為屏蔽材料；⑤可以采用含硼不銹鋼加工制造工程機械以輔助提高設備包括屏蔽性能、機械性能在內的綜合性能。

在實際涉核作業過程中，工程機械很可能工作在輻射場、工況等外界因素均較為復雜的環境，這些都對工程機械有更高更嚴苛的要求，而且加工制造過程和水平也屬于制約因素，比如要求屏蔽材料具有穩定的力學性能、受到體積和質量限制等，這就要求兼顧材料的屏蔽性能、力學性能、耐輻照性能等。本次研究為設計出更加安全、完善的具備核輻射屏蔽能力的工程機械提供了一定的技術指導和理論依據，有利于工程機械能更加高效地屏蔽核輻射，保護操作人員的健康安全，從而更加高效、圓滿地完成工作任務。

［1］江澤民.對中國能源問題的思考［J］.中國石油和化工經濟分析，2008（6）：4-16.

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TL7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.010

2095－6835（2021）08－0032－04

劉博（1993—），男，碩士研究生，研究方向為核安全與核應急。

〔編輯：丁琳〕