配備中子發生器的在線元素分析儀輻射環境影響評價

摘要：為提高燒結混合料和燒結成品礦成分樣的取樣頻度和及時性，不銹鋼生產企業新增在線元素分析儀，用于燒結礦化學成分在線分析，進而提升燒結礦質量。分析儀含有中子發生器，運行產生的電離輻射對人體具有損傷作用，因此須對分析儀進行輻射環境影響評價。研究結果表明，分析儀各防護系統防護性能良好，分析作業不會對周圍環境產生明顯輻射影響；項目采取較為完善的輻射防護措施，形成的輻射安全管理體系比較完整。

關鍵詞：在線元素分析儀；中子發生器；輻射環境影響評價；輻射防護

中圖分類號：TL818.4；X820.3 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）08-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.08.041

Radiation Environmental Impact Assessment of Online Element Analyzer Equipped with Neutron Generator

LIU Runquan

（Fujian Environmental Protection Design Institute Co.， Ltd.， Fuzhou 350000， China）

Abstract： In order to improve the sampling frequency and timeliness of sintered mixture and sintered finished ore composition samples， stainless steel production enterprises have added online element analyzers for online analysis of chemical composition of sintered ore， thereby improving the quality of sintered ore. The analyzer contains a neutron generator， and the ionizing radiation generated during operation has a harmful effect on the human body， therefore， it is necessary to conduct a radiation environmental impact assessment on the analyzer. The research results indicate that the protective performance of each protective system of the analyzer is good， and the analysis operation will not have a significant radiation impact on the surrounding environment; the project adopts relatively comprehensive radiation protection measures and forms a relatively complete radiation safety management system.

Keywords： online element analyzer; neutron generator; radiation environmental impact assessment; radiation protection

在線元素分析儀中子源（14 MeV中子發生器）可以發出中子，對樣品各種元素的原子核進行轟擊，原子核受轟擊后進入激發態，并通過產生γ射線重獲穩定狀態，檢測γ射線的能量和強度信息即可得到被檢測物料的成分及含量信息。不銹鋼企業利用分析儀的實時化學成分數據，對燒結機進料成分進行控制，結合自動配料系統實現自動配料，為燒結和煅燒過程提供更加一致的進料。在線元素分析儀的主要部件之一為中子發生器，中子發生器含有氚放射源，氚以固態化合物的形式被密封在中子發生器的密封中子管內。本項目的在線元素分析儀屬于Ⅱ類射線裝置，使用Ⅴ類放射源，需要進行輻射環境影響評價，只有滿足標準要求，才能進行建設。

1 項目概況

為滿足燒結礦的檢測需求，企業在燒結車間內新增兩臺跨帶式在線元素分析儀（型號CB Omni Agile），每臺分析儀含1套中子發生器。中子發生器主要由電源和中子管組成。中子管由封閉在管內的氚靶、離子源、氣壓調節器組成。1#分析儀安裝在一、二次混合室后的皮帶上，100 m評價范圍內僅東側廠區道路可能有偶爾經過的公眾成員，其余側為生產車間、廠內道路。2#分析儀安裝在成品取樣檢驗室前的皮帶上，100 m評價范圍內均為廠區，不涉及公眾成員。燒結生產設備自動化程度高，無設備操作人員，儀器采用遠距離操作，項目涉及日常巡檢的輻射工作人員有2人。

2 評價標準

本項目采用《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB 18871—2002）的相關限值，并提出嚴于國家標準的職業照射和公眾照射的劑量約束值。參照《含密封源儀表的放射衛生防護要求》（GBZ 125—2009），儀表儀器在不同場所使用時，本項目執行儀表儀器外圍輻射劑量當量率的要求。

3 工程分析

3.1 設備參數和運行工況

本項目分析儀中子發生器最大中子能量為14 MeV。

分析儀設有聯鎖裝置，工作通常是間斷進行的，當皮帶不運行或運行皮帶上無原料時，中子發生器處于斷電狀態，不會有中子產生。

3.2 工藝流程、產污環節及污染源項

當物料通過皮帶穿過分析儀時，儀器通電工作，中子發生器發射中子，中子被物料吸收，物料中的各種元素發射特征的γ射線，探測器捕捉γ射線并將其轉化為電信號，形成特征分析結果。本項目在線檢測裝置接通電源后產生中子；中子流照射在皮帶上的原料或者成品上，原料或者成品中的元素俘獲中子后發出γ射線；分析儀長期工作，導致周圍材料的感生放射性；長期運行產生退役的廢中子管、氚靶。

4 輻射安全與防護

4.1 輻射防護分區管理

為做好輻射安全防護，根據《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB 18871—2002）的要求，對分析儀所在的場所進行分區管理。結合本項目輻射防護特點及環境情況，將需要和可能需要專門防護手段或安全措施的區域定為控制區；將通常不需要專門的防護手段或安全措施，但需要經常對職業照射條件進行監督和評價的區域，定為監督區。

4.2 輻射安全場所屏蔽設計方案

根據屏蔽中子及低能γ射線的特點，分析儀中子管上方配有5 cm厚鉍屏蔽層+2.5 cm厚石墨板，中子發生器外至設備外殼采用18 cm/20 cm石墨+42 cm/43 cm聚乙烯屏蔽材料，分析儀兩側采用25 mm厚鋼板+63 mm厚石臘硼層+25 mm厚鋼板屏蔽材料。

4.3 輻射安全防護措施

分析儀設有聯鎖裝置，當皮帶不運行或運行皮帶上無原料時，中子發生器處于斷電狀態，不會有中子產生；分析儀設有門-機聯鎖裝置，當打開設備外罩防護門時，通過聯鎖裝置，設備自動停止運行，中子發生器停止發射中子束。運行中出現緊急情況時，設備斷電將使中子發生器立即停止產生中子。

設置應急放射源屏蔽貯存箱——鐵板箱，以備發生應急事件時中子管的臨時存放，鐵板箱有防盜的貯存條件，同時具有管理措施和屏蔽防護措施，使非工作人員可能到達的任何位置上的劑量率小于2.5 μSv/h，設有醒目規范的電離輻射標志。應急箱執行雙人雙鎖管理，以防放射源丟失。

5 環境影響分析

5.1 環境影響評價思路

本項目正常運行期間，沒有放射性廢水，感生放射性廢氣經燒結車間工作狀態下保持常開的通風系統排放，不會在車間內累積，產生的廢棄物主要是廢中子管、氚靶。本項目對環境的影響主要是中子和γ射線對輻射工作人員和公眾造成的輻射，中子的危害是主要的。本次評價采用理論計算方法預測運行期間分析儀對輻射工作人員和公眾的輻射影響。要考慮分析儀透射中子對周圍環境的輻射影響、中子散射及反射的影響，并結合中子透射、散射和反射的影響，綜合考慮各影響。

5.2 輻射環境影響預測模式

5.2.1 分析儀透射中子對周圍環境的影響

中子發生器使用過程中，周圍環境劑量率水平采用理論計算方法進行評價[1]。

（1）

式中：Hn為參考點處的中子劑量當量率，mSv/h；k為中子通量密度-劑量率轉換系數，參考《輻射防護手冊 第一分冊 輻射源與屏蔽》[1]，本項目取1.5×10-3 （mSv/h）/[n/（cm2·s）]；Φ為中子發射率，本項目中子發生器最大發射率為5.0×108 n/s；r為預測點到源的距離，cm；d為屏蔽層厚度，cm；T為十值層（十分之一值層）厚度，cm。

根據沈志強等[2]的研究，保守估算石墨屏蔽14 MeV中子的十值層厚度為15 cm；根據彭鳳梅[3]的研究，聚乙烯屏蔽中子的十值層厚度為40 cm，鋼板屏蔽中子的十值層厚度為36 cm；根據袁濤等[4]的研究，石臘硼屏蔽中子的十值層厚度為34 cm；根據趙新輝等[5]的研究，鉍屏蔽中子的十值層厚度為21 cm。

工作人員工作時不可能到達皮帶上方和儀器下方，因此本次評價主要預測分析儀側面距離儀器表面5 cm、100 cm處，皮帶出口外5 cm、100 cm處以及1#分析儀東側邊界處的中子劑量當量率。日常只有巡檢人員會從分析儀旁經過，巡檢人員距分析儀的最近距離取1 m，該點位與分析儀側面距離儀器表面100 cm處為同一預測點。分析儀附近預測點位如圖1所示。

5.2.2 中子散射及反射的影響

中子經皮帶上的物料產生散射，打到聚乙烯材料上后發生反射，通過理論公式計算這兩部分對儀器周圍產生的中子外照射劑量。理論計算過程中，要依次計算中子反照率、劑量減弱因子，中子經過鉍屏蔽層、石墨板后的中子劑量率，并考慮物料衰減后中子的劑量率，進一步計算物料散射和聚乙烯反射的中子劑量率。根據儀器布設現場情況，本次評價主要預測分析儀皮帶出口外5 cm、100 cm處以及1#分析儀東側邊界處的反射、散射中子劑量率。全過程計算涉及多個公式。

（2）

式中：αD2為中子反照率；E0為中子能量，取14 MeV；θ0為入射角，保守值取45°；θ為出射角，保守值取85°；αD2（E0）為θ0=θ=0°時的微分反照率，查表可得，物料保守值取0.080 2，聚乙烯保守值取0.080 2。

（3）

式中：f為中子劑量減弱因子；t為材料厚度，本項目物料平均厚度為20 cm；k為指數系數，本項目物料主要為燒結礦，成分以鐵為主，占比約為50%，鐵的指數系數為0.063，混凝土的指數系數為0.083，采用鐵和普通混凝土的質量百分比加權進行計算，則本項目物料指數系數為0.073。

" " " （4）

" " " （5）

" " " （6）

" " " （7）

式中：H1為物料衰減后中子的劑量率；H2為物料散射的中子劑量率；H3為聚乙烯反射的中子劑量率；H4為預測點處散射及反射的中子劑量率；φ為有用線束的半張角，為60°；αD2物料、αD2聚乙烯分別為物料、聚乙烯對應的中子反照率。

5.2.3 年有效劑量估算

年有效劑量采用式（8）進行估算。巡檢人員每日進行1次巡檢，每次巡檢經過分析儀約1 min，生產線1年工作330 d。公眾成員流動性大，但按公眾人員長時間駐留的情景考慮，居留因子保守取1。

" " " （8）

式中：D為年受外照的劑量，mSv；T為工作時間，h/（a·人）；H為照射劑量率，μSv/h。

5.3 輻射環境影響預測結果與評價

5.3.1 各預測點中子透射、散射和反射的綜合影響預測結果

經式（1）計算可得，分析儀透射中子輻射預測結果如下：分析儀側面距儀器表面5 cm處1#點位（離源距離105 cm）為10.02 μSv/h，日常巡檢人員處2#點位（離源距離200 cm）為2.76 μSv/h，分析儀皮帶出口外5 cm處3#點位（離源距離125 cm）為21.48 μSv/h，分析儀皮帶出口外100 cm處4#點位（離源距離220 cm）為6.93 μSv/h，1#分析儀東側邊界處（離源距離60 m）為0.003 μSv/h。

經式（1）至式（7）計算可得，各預測點位中子散射及反射的預測結果如下：分析儀皮帶出口外5 cm處3#點位（離源距離125 cm）為18.28 μSv/h，分析儀皮帶出口外100 cm處4#點位（離源距離220 cm）為5.90 μSv/h。1#分析儀東側邊界處（離源距離60 m）劑量率為0.007 9 μSv/h，滿足監督區外小于2.5 μSv/h的要求。

綜合考慮分析儀皮帶出口外5 cm、100 cm處以及1#分析儀東側邊界處有中子透射、散射和反射的影響，各預測點預測結果如表1所示。參照《含密封源儀表的放射衛生防護要求》（GBZ 125—2009），由預測結果可知，本項目分析儀外圍輻射劑量當量率滿足使用場所的要求。

5.3.2 年有效劑量估算結果

輻射工作人員（巡檢人員）的年有效劑量估算結果（吸收劑量率為2.76 μSv/h，工作時間為5.5 h/a）為0.015 mSv/a，公眾成員的年有效劑量估算結果（吸收劑量率為0.010 9 μSv/h，影響時間為7 920 h/a）為0.086 mSv/a。根據劑量估算結果，本項目正常工況下，各輻射工作場所的工作人員的年有效劑量滿足《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB 18871—2002）的要求，低于輻射工作人員的連續五年有效劑量平均限值（20 mSv/a）和公眾成員年有效劑量限值（1 mSv/a），同時滿足輻射工作人員的年劑量約束值（2 mSv/a，取規定限值20 mSv/a的10%）和公眾成員管理限值（0.1 mSv/a，取規定限值1 mSv/a的10%）的要求。

由計算結果可知，分析儀側面及皮帶出口方向100 cm處預測結果均大于2.5 μSv/h，因此應設置監督區。由式（1）計算可得，分析儀側面外1.2 m處，劑量當量率小于2.5 μSv/h；皮帶出口外3.8 m處，劑量當量率小于2.5 μSv/h。因此，本次評價將分析儀側面外1.2 m處、皮帶出口外3.8 m處的區域設置為監督區。分析儀所在區域設置為控制區，如圖１所示。本項目采用的輻射安全場所屏蔽方案滿足國家輻射安全與防護的相關標準要求；各輻射工作場所的工作人員最大個人有效劑量和周邊公眾最大個人有效劑量低于本次評價確定的限值。

6 結語

該企業在燒結車間內新增2臺在線元素分析儀，每臺分析儀含1套中子發生器。參照《含密封源儀表的放射衛生防護要求》（GBZ 125—2009），分析儀外圍輻射劑量當量率滿足使用場所的要求；各輻射工作場所的工作人員的年有效劑量低于《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB 18871—2002）的輻射工作人員的連續五年有效劑量平均限值和公眾成員年有效劑量限值，同時滿足輻射工作人員的年劑量約束值和公眾成員管理限值的要求。因此，若企業嚴格落實各項防護措施，按照“三同時”制度（建設項目污染防治設施應當與主體工程同時設計、同時施工、同時投產使用）進行建設，并加強輻射安全管理和日常監測，則該項目運行時對周圍環境的影響可符合輻射環境保護要求，它從環境保護角度而言是可行的。

參考文獻

1 李德平，潘自強.輻射防護手冊 第一分冊 輻射源與屏蔽[M].北京：原子能出版社，1990：35-36.

2 沈志強，康 青，徐 軍，等.多層復合屏蔽結構對14.8 MeV快中子的屏蔽結果[C]//中國核學會2013年學術年會.2013.

3 彭鳳梅.復合材料對14 MeV中子源屏蔽的M-C模擬研究[D].南昌：東華理工大學，2012：11-12.

4 袁 濤，羅永鋒，袁 偉，等.14.1 MeV小型脈沖中子發生器的屏蔽[J].四川兵工學報，2012（7）：37-38.

5 趙新輝，谷德山，任萬彬，等.基于MCNP程序模擬的14 MeV中子準直屏蔽材料的研究[J].東北師大學報（自然科學版），2006（4）：59-63.