湖南某核技術利用項目輻射防護設計與輻射環境監測驗證

曹嘉懿，王文聞

(湖南省核工業超硬材料研究所(湖南省核工業地質局放射性核素檢測中心)，湖南 長沙，410007)

0 引言

核技術的研究和利用，在人類獲得利益的同時，盡可能減少輻射的可能危害是項目設計階段要充分考慮的事宜。為了保護從事輻射工作的人員(包括其后代)以及廣大公眾的安全，同時使環境免受輻射的污染，必須在項目實施前，開展輻射防護設計，以防止有害的確定性效應的發生并限制隨機性效應發生的幾率。根據《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》(GB 18871—2002)[1]的要求，在充分考慮輻射防護最優化的條件下，對湖南省某核技術利用項目進行了輻射防護屏蔽設計，并在該設計的基礎上進行了輻射環境監測驗證。

1 項目概況

該項目以開展電離輻射計量事業為主，在負一層建設了防護γ標準場、環境X標準場、診斷X標準場，放射性同位素及射線裝置主要有γ放射源、X射線機。

防護γ標準場采用的輻射源為1 Ci的60Co源和3 Ci的241Am源。60Co放射源每次衰變產生能量為1.33 MeV和1.17 MeV的γ光子，241Am放射源為α衰變，其衰變過程中釋放的γ光子能量很低，為59.5 keV。放射源貯存在專用屏蔽容器中，工作時屏蔽容器快門處于開啟狀態，γ射線經光闌準直后射出。環境X標準場采用X射線機，其工作電壓10～350 kV，管電流最大為28 mA。診斷X標準場采用X射線機，其工作電壓10 ～150 kV，管電流最大為500 mA。

輻射場的位置分布如圖1所示，所采用的輻射源及其相關參數列于表1。

表1 輻射源及其相關參數

2 屏蔽設計

2.1 設計目的

2.1.1輻射源及主要危害因素

本項目輻射源主要產生γ射線和X射線，均具有極強的穿透本領，能與人體發生電離輻射作用。電離輻射可引起放射病，它是機體的全身性反應，幾乎所有器官、系統均發生病理改變，其中以神經系統、造血器官和消化系統的改變最為明顯。電離輻射對機體的損傷可分為急性放射損傷和慢性放射損傷。短時間內接受一定劑量的照射，可引起機體的急性損傷，多見于核與輻射事故和放射治療病人。而較長時間內分散接受一定劑量的照射，可引起慢性放射性損傷，如皮膚損傷、造血障礙、白細胞減少、生育力受損等。另外，過量的輻射還可能致癌、引起胎兒的死亡和畸形。

注：圖中1～9為參考點位。圖1 輻射場的分布圖

2.1.2設計劑量限值

項目設計遵循輻射防護原則，滿足國家輻射防護標準GB 18871—2002[1]規定，工作人員年平均個人劑量限值為20 mSv，公眾成員關鍵人群組的成員年平均劑量限值為1 mSv。由于各輻射場在射線裝置開機或出源期間，房間內無人居留，因此本項目中主要考慮射線裝置、放射源對室外的輻射影響,工作時間按每年2 000 h考慮。

結合上述原則及工程源項實際情況，本項目輻射防護設計采用如下的劑量約束值：

(1)工作人員每年所受年有效劑量限值：5 mSv，即2.5 μSv/h；

(2)公眾成員每年所受年有效劑量限值：0.1 mSv，即0.05 μSv/h。

2.2 屏蔽設計計算過程

2.2.1設計范圍及參考點

本文介紹該項目防護γ標準場、環境X標準場、診斷X標準場輻射防護屏蔽設計，在屏蔽室外距墻30 cm處選取了若干關鍵參考點(如圖1所示)，通過建造適當的屏蔽設施使得屏蔽后參考點處的輻射劑量率水平小于劑量限值。

2.2.2防護γ標準場

防護γ標準場屏蔽設計以60Co源為主，放射源活度為1 Ci，照射時打開屏蔽容器快門，通過光闌準直，出束高度為1.5 m。貯源方式為固定式干式貯源，放射源屏蔽罐表面劑量率小于10 μSv/h，放射源位于房間中軸，由西向東照射，其中北墻外為地下巖土層(無人區)。

(1)透射

正對照射方向的屏蔽(東墻)以透射為主，透射方向計算[2]如下：

(1)

已知60Co放射源活度為1 Ci，計算得到能量強度為9.25×1010MeV/s，則無屏蔽情況下探測點的劑量率為144 μSv/h。輻射工作人員輻射防護劑量率限值HM≤2.5 μSv/h，考慮2倍安全系數，減弱倍數K為1.15×102，查《輻射防護手冊》[3]得主屏蔽墻混凝土屏蔽厚度為57 cm。

(2)散射

對與照射方向夾角為90 °的射線束的屏蔽以散射為主，散射的屏蔽計算采用NCRP 51號出版物[4]推薦的計算方法：

(2)

按照每年工作時間2 000 h計算，即放射源每年出光120 000 min。將各參數代入(2)式進行計算，所得結果列于表2。

表2 防護級γ標準場透射及散射、漏射屏蔽計算(混凝土)

(3)漏射

西屏蔽墻主要考慮放射源屏蔽罐漏射，其表面劑量率小于10 μSv/h，屏蔽罐中心距西墻1.8 m，保守起見取探測點劑量率為10 μSv/h，考慮2倍安全系數，減弱倍數K=10/1.25=8，查《輻射防護手冊》[3]得屏蔽墻混凝土屏蔽厚度為30 cm。

2.2.3環境X標準場

環境X標準場配備X光機一臺，工作電壓10～350 kV，管電流最大為28 mA，準直器由8 mm Pb屏蔽體組成，出束高度1.5 m，發射角<30°。X光機位于房間中軸，由西向東發射，其中南墻外為地下巖土層(無人區)。

(1)透射

正對出束方向的屏蔽(東墻)以透射為主，透射方向計算[5]如下：

(3)

將各參數代入(3)式，無屏蔽情況下探測點的劑量率為185 mSv/h。輻射工作人員輻射防護劑量率限值HM≤2.5 μSv/h，則減弱倍數K=7.4×104，查GBZ/T 250—2014[5]圖B.2計算得屏蔽墻混凝土屏蔽厚度為54 cm。

(2)散射

對與出束方向夾角為90°的射線束的屏蔽以散射為主，X射線90°散射輻射計算[5]如下：

(4)

將各參數代入(4)式進行計算，所得結果列于表3。

(3)漏射

漏射計算[5]如下：

(5)

式中，H為無屏蔽體情況下探測點的劑量率，uSv/h；HL為距靶點1 m處X射線管組裝體的泄露輻射劑量率，μSv/h，查GBZ/T 250—2014[5]表1可知400 kV為5 000 μSv/h；R為靶點至參考點的距離，為2.1 m。

將各參數代入(5)式進行計算，所得結果列于表3。

表3 環境X標準場透射及反射、漏射屏蔽計算(混凝土)

2.2.4診斷X標準場

診斷X標準場將配備X光機一臺，工作電壓10～150 kV，管電流最大為500 mA，準直器由8 mm Pb屏蔽體組成，出束高度1.5 m，發射角<30°。X光機位于房間中軸，由東向西發射，其中南墻外為地下巖土層(無人區)。

(1)透射

診斷X標準場的透射計算過程與2.2.3節相同，1 m遠處X射線機輸出量取150 kV中較大值，查GBZ/T 250—2014[4]附表B.1為1 098 mSv·m2/(mA·h)；X光機總功率為50 kW，此時X射線機電流取330 mA；產生X射線處到參考點的距離為5.3 m。將各參數代入(3)式，同理可得屏蔽墻混凝土屏蔽厚度為43 cm。

(2)散射

診斷X標準場的散射計算過程與2.2.3節相同，查GBZ/T 250—2014[5]表2散射輻射為150 kV，取1 098 mSv·m2/(mA·h)；X射線機電流取330 mA；照射面積保守估計為10 m2；散射因子，查GBZ/T 250—2014[5]附表B.3取0.04。將各參數代入(4)式進行計算，所得結果列于表4。

(3)漏射

診斷X標準場的漏射計算過程與2.2.3節相同，查GBZ/T 250—2014[5]表1可知150 kV X光機距靶點1 m處X射線管組裝體的泄露輻射劑量率為2 500 μSv/h。靶點至參考點的距離為2.1 m，將各參數代入(5)式進行計算，所得結果列于表4。

表4 診斷X標準場透射及反射、漏射屏蔽計算(混凝土)

3 屏蔽設計監測驗證

3.1 輻射環境監測結果

本項目輻射環境驗收監測委托的是生態環境部核與輻射安全中心。監測點位分布如圖2所示。各監測點位的輻射劑量率監測結果列于表5。

表5 各監測點位的輻射環境監測結果

3.2 驗證結果

通過監測結果可知，由于屏蔽墻體的原因，負一層的監測數據低于一層監測數據，而且無論何種狀態下，各區域輻射劑量率都與天然本底值處于相同水平。可見正常情況下輻射場的運行并不會給工作人員和公眾帶來附加劑量，其輻射防護達到了國家標準年劑量管理限值，輻射防護設計是合理的。

注：圖中1～84為各監測點位。圖2 輻射環境監測點位分布圖

4 結語

該項目輻射防護設計遵循輻射防護三原則，使個人所受劑量、受照射的人數及受照射的可能性保持在可合理達到的盡量低的水平。同時，本項目填補了湖南省X、γ輻射場的空白，能夠滿足湖南省內及周邊省份放射性儀器設備的量值溯源，能服務于輻射環境監測、醫療衛生、輻射防護、科研等領域，必將為湖南省電離輻射計量事業的發展添磚加瓦，創造較好的社會效益和一定的經濟效益。