某工業192Ir放射源探傷室輻射屏蔽設計探討

王興華,侯鐵鋼,吳適杰,李元崗,黃春鋒,蘇曉書

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

工業射線檢測原理是利用被檢測物體的成分、密度不同，射線在穿過被檢測物體時，對射線產生不同的吸收或散射，由于待透射物質的射線強度不同，因此，通過感光薄膜形成曝光差判斷待測對象的內部缺陷[1]。工業γ射線探傷技術廣泛應用于各工業領域，成為無損檢測的重要方法之一[2]。隨著γ射線探傷的廣泛應用，確實給人們帶來了一定的利益，但也對工作人員、公眾、環境等存在著一定的輻射危害。因此，設計一個安全的輻射防護體系至關重要[3]。

1 工業γ射線探傷室的屏蔽要求

關于工業γ射線探傷防護工作中，國家制定了一系列標準[4-5]。探傷室的良好屏蔽效果是保障放射性工作人員和公眾健康的重要保證。根據GBZ 132—2008工業γ射線探傷放射防護標準中相關要求，開展固定式γ射線探傷對檢測室周圍的輻射環境及輻射工作人員受照劑量要求是“γ射線探傷室的屏蔽墻厚度應充分考慮直接輻射、散射等各種因素，如屏蔽材料和結構型式等。考慮屏蔽墻設計時，劑量約束值為0.1 mSv/a～0.3 mSv/a，要求探傷室屏蔽墻外30 cm處空氣比釋動能率不大于2.5 μGy/h，無迷路探傷室的工件防護門的輻射屏蔽性能應與同側墻的輻射屏蔽性能相同”。在工業γ射線探傷室的輻射屏蔽設計中，其結構材料主要使用混凝土或鉛制成的屏蔽墻、屋頂及防護門進行屏蔽。

本文以某公司的工業γ射線探傷室為例，依據GBZ 132—2008工業γ射線探傷放射防護標準，采用經驗公式法與MCNP模擬計算方法對探傷室屏蔽墻、屋頂及防護門屏蔽厚度進行了計算設計，確保建設后的探傷室滿足標準中劑量率限值要求。

2 輻射屏蔽計算

2.1 探傷室概況

某公司新建一座192Ir射線探傷室，其探傷室的屏蔽墻、迷道、屋頂均為混凝土結構。新建探傷室及輔助房間主要由探傷室、盥洗室、操作間、更衣間、危廢間、倉庫、檔案室、暗室組成。該探傷室布置示意圖如圖1所示。

2.2 經驗公式法計算參數概況

經驗公式法依據來源于《輻射防護導論》(方杰)中提出的計算方法。192Ir放射源半衰期為74 d，進行β衰變，同時放出β射線和γ射線，γ射線等效能量為400 keV，為中毒組核素[6]。本項目探傷機在運行過程中，使用192Ir放射源最大活度為3.7×1012Bq，以活度進行保守預測分析。

使用的192Ir放射源探傷機為周向照射，其使用方向為南/北或東/西周向，假設探傷機工作條件為距離地面1 m，距南墻、北墻、東墻、西墻均為2.3 m，距屋頂面為8.5 m。

2.3 γ射線屏蔽厚度計算

1)當γ射線源直射時，計算公式見式(1)。

(1)

其中，Hγ為關注點處劑量率水平，μSv/h；3 600為轉換因子，即s-1轉換為h-1；A為放射源總活度，Bq；Γk為空氣比釋動能率常數，Gy·m2·Bq-1·s-1，可知192Ir為3.15×10-17Gy·m2·Bq-1·s-1；r為關注點距放射源的距離，m；1×106為轉換因子，Gy轉換為μSv；K-1為減弱系數，無量綱。

K-1=2-(Dz/ΔB1/2)

(2)

其中，Dz為屏蔽材料厚度,Dz與ΔB1/2的單位相一致；ΔB1/2為屏蔽材料半值層厚度。對192Ir源，混凝土半值層厚度為50 mm，鉛半值層厚度為3 mm。數據源于GBZ 132—2008工業γ射線探傷放射防護標準。

2)γ射線源散射計算詳見式(3)。

為了估算迷道口外的輻射劑量率，依據《輻射防護手冊》第一分冊中相關散射計算公式進行計算：

(3)

3 計算結果

根據上述公式進行計算，保守考慮離墻最近距離代入上述公式進行計算，保守要求墻外輻射劑量率考慮2倍安全系數，然后得出各屏蔽墻體的厚度，計算結果如表1所示。

表1 各墻體厚度及輻射劑量率計算結果

綜上，采用經驗公式法計算一定厚度屏蔽體時，墻外30 cm處輻射劑量率限值均滿足相關標準中小于2.5 μGy/h限值要求。

4 MCNP模擬建模計算

4.1 MCNP簡介

MCNP(Monte Carlo Neutron and Photo Transport Code)主要用于計算復雜三維幾何結構中的粒子輸運模擬計算程序，如計算中子、光子、中子-光子耦合、光子-電子耦合及其組合等輸運問題，也可用于計算臨界系統的本征值。

4.2 MCNP模型建模

為了使Monte Carlo方法及公式法的計算結果具有可比性，使用MCNP程序建立在一個相同的輻射源及屏蔽材料的同一模型，進行輻射屏蔽模擬計算，根據上述計算情況，擬建探傷室四周墻體總厚度為800 mm混凝土，屋頂為350 mm厚混凝土，室內凈高為8.15 m，工件防護門為800 mm厚混凝土，迷道防護鉛門為6 mm。

擬使用放射源探傷機中所使用核素為192Ir的γ源，其活度為3.70×1012Bq(100Ci)，通過查閱《常用放射性核素衰變綱圖》，可知192Ir的γ射線平均能量為372.6 keV，單Bq釋放的平均光子數為2.17個。建立計算模型如圖2，圖3所示。輻射劑量率計算及測量結果如表2所示。

表2 輻射劑量率計算及測量結果

通過上述結果進行分析，經驗公式法計算數值大于MCNP模擬計算值，經驗公式法相對于MCNP模擬計算結果具有保守性。兩種方法計算后墻外30 cm處空氣比釋動能率均滿足劑量率限值要求。建成后，通過輻射測量儀表進行監測，實際測量均值均在本底值范圍內，因此，可以忽略探傷室附加影響。

5 輻射屏蔽薄弱處分析

通過計算結果進行分析，可以得出γ射線通過一定厚度混凝土墻體及混凝土防護門衰減后滿足計算點處的空氣比釋動能率限值的要求。同時，防護門處、排風管道、工藝預留穿墻管等處也有一定薄弱的區域[7]。在設計過程中，探傷室的防護門與門洞墻體的間距要求小于10 mm，與門洞左、右、上邊搭接要求至少應設置200 mm，與門洞下邊搭接至少100 mm，這樣才能防止防護門與門洞墻體之間縫隙中有射線漏射而造成輻射劑量率異常，所以在設計與施工中應充分考慮縫隙與搭接寬度的影響。在設計通風穿墻管和工藝穿墻管時，應考慮對穿墻管彎曲一定角度進行設計，如S彎或斜折管等，避免水平直穿墻進行設計，探傷室與控制室之間的埋地電纜等工藝管線通過穿墻管預埋入地下一定距離后，可以避免輻射泄漏至控制室內。施工過程中應該注重墻體整體性，避免出現施工縫，射線從施工縫中泄漏出來[8]。通過上述設計可以避免輻射的影響。

6 輻射安全防護措施

探傷室在使用過程中，可能存在一定的安全隱患，同時，根據相關標準要求，探傷室設置相關的輻射安全措施。在探傷室內墻設置一定數量的急停按鈕，若有工作人員滯留室內時，可按下急停按鈕，γ源將自動回源。探傷室的防護門設有門機聯鎖裝置，防護門與探傷機聯鎖，探傷時誤打開任何防護門，均可實現探傷機回源。安裝視頻監控系統和對講裝置，實時顯示室內情況，如果出現異常迅速啟動緊急止動裝置。

7 結語

本項目通過經驗公式法和MCNP模擬計算，選取計算參數根據工況的實際情況，并考慮2倍安全系數，在各屏蔽墻體、屋頂及防護門的屏蔽材料及厚度相一致情況下，得出輻射劑量率近似相等，說明兩種方法計算取值合理、準確。因此，探傷室的屏蔽墻及防護門按此計算材料和厚度進行設計施工，可有效屏蔽電離輻射，探傷室外30 cm處的輻射劑量率滿足相關標準要求，可保證工作人員和公眾的輻射防護安全[9-10]。