核动力舰船生物屏蔽技术

何景异，陈小邹，孙鹏才，陈煜浩，(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)



核动力舰船生物屏蔽技术

何景异*，陈小邹，孙鹏才，陈煜浩，*
(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

摘要:核动力舰船生物屏蔽不同陆上核动力装置生物屏蔽，其重量、体积受到极大限制，屏蔽空间也极度不规则。如何设计出经济上合理、技术上可行、体积小、重量轻、相对性能最佳的生物屏蔽，是一项复杂的系统工程。本文概述了核动力舰船生物屏蔽设技术的特点和要求；总结了核动力舰船生物屏蔽设计的一般方法、设计流程和生物屏蔽材料研制及应用情况；提出了将点核积分法同蒙特卡罗方法相结合的核动力舰船生物屏蔽设计方法，可为核动力舰船生物屏蔽设计提供参考。

关键词：生物屏蔽；点核积分法；蒙特卡罗方法；生物屏蔽材料

0　引言

核动力舰船生物屏蔽是为防止核动力装置运行时，从反应堆装置表面、一回路冷却剂及其回路设备辐射出的 γ 射线和中子对人员产生的危害而设置的，是舰船辐射安全的重要防护设施。因此，核动力舰船生物屏蔽是舰船设计、制造、运行首要考虑的问题之一。核动力舰船屏蔽不同于陆上核动力装置，其重量、体积都受到极大的限制，辐射源复杂多变，系统、设备、管路众多，屏蔽空间不规则，装配空间有限，是一个十分复杂的辐射屏蔽几何空间。就在确保人员的辐射安全下，如何设计出经济上合理、技术上可行、体积小、重量轻、相对性能最佳的生物屏蔽，是一项复杂的系统工程，也是一门工程艺术，其牵涉到舰船总体设计、舰船结构设计、核动力装置设计、辐射防护设计等多门学科。生物屏蔽计算方法的研究和生物屏蔽材料的开发应用是屏蔽技术发展的关键，其对核动力舰船生物屏蔽技术的发展又显得尤为重要。以下将从核动力舰船生物屏蔽设计要求和特点、生物屏蔽计算方法和生物屏蔽材料几方面阐述核动力舰船生物屏蔽设计技术。

1　核动力舰船生物屏蔽设计要求及特点

核动力舰船生物屏蔽设计必须同舰船总体、结构、核动力装置等作为一个整体给予考虑，其为舰船总体、结构设计、核动力装置设计等的输入条件之一，同时舰船生物屏蔽设计必须结合舰船总体、结构、核动力装置设计等设计特点。核动力舰船生物屏蔽作为核动力舰船核安全的重要组成部分，在设计上绝不能采取权宜之机，结构工艺更不能草率行事。

为保证人员辐射的安全，核动力舰船生物屏蔽必须满足下述要求：

1）保证人员年接受外照射的剂量满足舰船辐射屏蔽规范设计准则规定的限值；

2）保证在反应堆舱相邻舱室执行任务的人员照射的剂量不超过容许剂量水平；

3）允许在限定时间内通过堆舱通道；

4）舰船离靠码头时，允许人员在甲板上进行必要的操作；

5）保证取样人员的安全。

生物屏蔽设计同一次屏蔽设计是紧密相连的，一次屏蔽设计结果将直接作为生物屏蔽设计的输入条件之一。因此需综合考虑一次屏蔽和生物屏蔽的屏蔽效果、总重量、可行性和经济性，合理分配两者在屏蔽中起的作用。尽可能使一次屏蔽表面剂量同管路、设备冷却剂剂量处于同一数量级，以减轻生物屏蔽重量。在明确上述要求和关系后，核动力舰船生物屏蔽设计一般遵循以下的流程：

1）根据舰船总体布置、舰船结构和系统管路设备的要求，确定核动力舰船生物屏蔽的布置位置；

2）根据不同的位置、停留时间及相关规定确定生物屏蔽有关部位的剂量要求；

3）充分地利用反应堆舱内设备的合理布置，有效的发挥其设备的阴影屏蔽作用，使堆舱内的辐射源获得相互减弱，以达到减轻生物屏蔽的重量；

4）选择合理的屏蔽计算方法；

5）根据舰船重量、体积、剂量及总体布置等要求，在经济上可行、尽可能降低辐射剂量水平的前提下选择合理、高效能的屏蔽材料；

6）计算生物屏蔽厚度；

7）针对通舱管路、空腔、孔缝和不规则部位采取局部加强措施；

8）核算生物屏蔽重量，经济性，优化屏蔽结构。

以上设计工作是逐步深化、反复迭代的的过程，需不断的改进设计。特别是如何利用舱内设备的合理布置，充分发挥设备的阴影屏蔽作用，这将起到事半功倍的效果，但需同舰船总体设计和核动力装置设计不断沟通、协调，综合考虑。由于所选取计算方法本身存在不足和输入参数的理想化、经验化，必须在设计时加入一定的安全系数。生物屏蔽设计计算完后，由于舱内空间狭小，还需充分考虑建造、装配的可行性。施工过程严格控制装配过程中孔缝的出现，防止辐射泄漏。通舱管路、空腔、孔缝和不规则部位给生物屏蔽计算带来了很大的困难，直接破坏理想计算状态下生物屏蔽结构的完整性，给生物屏蔽设计计算带来不确定性的因素。特别是孔缝的影响，目前没有完整的科学计算手段，一方面是设有一定的安全系数，另一方面还需工程经验，进行局部修正。设计上应尽量避免和减少孔缝的产生。

2　核动力舰船生物屏蔽计算方法

选取合适的屏蔽计算方法是保证核动力舰船辐安全的关键。以何种较为简单、准确而又普遍适用的方法来处理辐射源复杂多变，系统、设备、管路众多，屏蔽空间不规则的复杂几何空间的辐射屏蔽问题，一直是人们研究的重点。随着国际原子能委员会对辐射安全的要求越来越严和监测手段的提高，各国家对核安全越来越重视。其对辐射安全的研究也越来越深入，核辐射安全的理论和有关的计算软件也得到迅速的发展。就核动力生物屏蔽技术而言，先后提出了两种不同但各有所长的方法，即点核积分方法和蒙特卡罗方法。

2.1点核积分方法[1,2]

点核积分法是美国开发的专门用于反应堆主回路设备间 γ 射线辐射屏蔽设计。其主要是采用等值点源法、外壁面等剂量率法、阴影屏蔽综合技术法、多层屏蔽能谱减弱法等。同时充分考虑辐射源的自吸收作用、辐射源的角度效应、斜穿屏蔽层的积累影响、散射作用等各种辐射减弱因素。其主要计算公式如下：

其中：

Dk第 k 个剂量点的剂量率；

dik第 i 个等效点源到第 k 个剂量点的距离；

BN归一皮波斯积累因子；

Cbk垂直穿透二次屏蔽第 k 个单元的减弱因子；

(OA)m第 m 个阴影屏蔽体的减弱系数；

n等效点源的总个数；

m阴影屏蔽体的总个数；

Csi第 i 个等效点源的源强；

等值点源法：将反应堆侧面和顶部面源以及一回路管道和设备冷却剂体源离散成相当等值点源。反应堆侧面和顶部面源离散点的强度等于该面元几何中心点的源强同该离散面源面积的乘积；一回路管道和设备冷却剂离散体源强度等于离散体源中心点的源强同离散单元体积、密度的乘积。

外壁面等值剂量率法：根据外壁面等值点剂量大小确定其屏蔽厚度，不同剂量大小采取不同的屏蔽厚度。

阴影屏蔽综合技术法：计算各离散点源对剂量点的贡献时，需考虑该离散点源同剂量点之间是否有设备的屏蔽作用，即阴影屏蔽体。在辐射屏蔽设计中用“打中”或“打不中”技术判断。为简化计算，所用的设备简化为圆柱体，如果源点和剂量点的连线穿过圆柱体，则为“打中”。打中其阴影屏蔽因子为某一固定值或者为“绝对黑体”，即该源点对剂量点的贡献为零，这需事先根据设备的大小，预先设定各设备的阴影屏蔽因子。

多层屏蔽能谱减弱法：γ 射线垂直穿透反应堆堆舱屏蔽体的积累因子采用能谱方法计算，其数值与材料本身、屏蔽材料的组合和厚度有关，与入射 γ 射线的初始能量及其在屏蔽材料中的散射能谱有关，相关的γ 射线在屏蔽材料中的散射能谱和有关参数，均需人工事前从散射能谱中查取。

自吸收作用：辐射源辐射出的 γ 射线首先收到自身介质的减弱，自吸收因子与辐射源的能量、射线穿行的介质和距离相关。

辐射源的角度效应：等效的点源不能视为各向同向性点源，需根据等效点源的类型、位置作修正，这一般依据工程经验修正。

斜穿效应：用归一皮波斯积累因子和 γ 射线垂直穿透反应堆堆舱屏蔽体积累因子的乘积来综合考虑 γ射线对反应堆堆舱屏蔽体的斜穿效应。归一波斯积累因子的乘积之值可从“归一波斯因子—cosθ 曲线图”中查得，其中 θ 为反应堆堆舱屏蔽体法线与点源和剂量点连线之间所形成的锐角。

从上述可看出点核积分法理论基础比较直观，等效处理较多，经验性强，但其公式和参数多来源于实验数据和工程实践，因此在工程中有着广泛的应用，其宏观性好，计算效率高。特别适用于复杂几何空间辐射屏蔽的计算。

2.2蒙特卡罗方法

蒙特卡罗（Monte Carlo）方法，又称随机抽样或统计实验方法，是一种数值分析方法。由于传统的经验方法不能逼近真实的物理过程，很难得到满意的结果，而 Monte Carlo 方法通过描述概率过程实现已知概率分布抽样、建立各种估计量。从而能够真实地模拟了实际物理过程，故其解决问题与实际非常符合，这是目前国际原子能委员会确认的最好辐射安全计算方法。由美国的洛斯·阿拉莫斯国家实验室和橡树林国家实验室运用蒙特卡洛方法开发的 MCNP 软件，是一套通用的、三维空间中连续能量中子、光子和带电粒子联合输运过程模拟程序，在军事和工业领域有着广泛应用。MCNP 比较适宜计算和处理复杂几何空间的粒子输运问题和粒子泄漏问题。但对核动力舰船反应堆舱尺寸比较大、设备外形复杂、屏蔽体厚度也比较大，输入复杂，误差的概率性和收敛方面不足,机时量将过大，难以到达预计的计算精度，因而在实际计算中受到一定的限制。

综合起来看，点核积分法和蒙特卡洛方法各有优缺点。就核动力舰船生物屏蔽计算而言，点核积分法侧重于从宏观计算屏蔽效果，蒙特卡罗方法侧重于从微观计算屏蔽效果。蒙特卡罗方法在生物屏蔽材料研制、规则几何模型屏蔽性能计算等方面具有点核积分法无法比拟的优势，特别是在新型复合屏蔽的研制方面。将蒙特卡罗方法用于计算点核积分方法中材料性能、设备屏蔽性能等参数，两种方法结合计算，用蒙特卡罗方法弥补点核积分方法的经验性，这将极大的提高计算结果的精度和准确性。结合堆舱的辐射水平，有针对性采用蒙特卡罗方法进行局部屏蔽和孔缝泄漏计算，改进局部屏蔽，加强孔缝的控制，完善点核积分法的计算结果。

3　核动力舰船生物屏蔽材料[3]

生物屏蔽材料的选择是核动力舰船生物屏蔽设计的一个重要部分。把材料选择和与其相关的性能最佳化，两者结合考虑就能显著降低屏蔽造价和减轻其重量。在选择材料时，主要考虑中子和 γ 射线的屏蔽性能。一般来说，对 γ 射线具有良好减弱性能的材料也会因发生中子非弹性散射和辐射俘获而产生二次 γ 射线。因此，次级辐射的产生也是应该考虑的因素。不同目的决定了需要选择不同的材料，就陆上固定式的核动力堆系统而言，价格是首要的考虑因素。因此在选择屏蔽材料时，选用混凝土成了基本方针。对核动力舰船，总重量和体积成了首要考虑的因素，其生物屏蔽材料具有以下特点：

1）密度尽可能大；

2）氢含量尽可能的高；

3）在中子吸收或慢化的过程中所放出的俘获 γ 辐射的能量尽可能的低；

4）具有一定的机械强度和可加工工艺性能；

5）热稳定性、耐熔性和耐腐蚀性要好；

6）材料常温或受热的情况下无挥发性毒气释放；

7）价格尽可能的低。

目前还没有任何一种材料满足上述要求，所以在建造时必须选择不同材料构成多层屏蔽。目前核动力舰船生物屏蔽材料主要有水、聚乙烯、铅、铸铁、混凝土等。在先进生物屏蔽材料领域，国外已开展了大量的研究工作，主要以蒙特卡罗方法为基础，试验相结合的办法，取得了一定的成果。法国研制出一种加入硼等物质的榉木材料，已用于核潜艇和戴高乐航空母舰上，取得了良好的效果。美国航空航天总署一直在研制防护高能宇宙 γ 射线的复合屏蔽材料，其设计的贫铀混和材料对于 γ 射线有很好的屏蔽效果，但由于核潜艇堆舱内有很强的中子辐射，会引起贫铀的活化，所以不能采用该材料的设计思路。日本也在上世纪 90 年代研制出一些天然橡胶加入氧化钆等物质的复合屏蔽材料。

4　结语

本文总结了核动力舰船生物屏蔽设计的要求与特点，以及生物屏蔽材料要求与研制进展；针对点核积分方法和蒙特卡罗方法进行了对比，两种方法各有所长，点核积分法侧重于宏观层面的屏蔽计算，适合大型复杂几何空间的计算，蒙特卡罗方法侧重于微观屏蔽计算，适合规整空间或局部屏蔽空间的计算。

针对核动力舰船复杂的辐射屏蔽几何空间，在进行生物屏蔽设计时，可采用点核积分法进行整体宏观计算，初步确定屏蔽厚度及屏蔽效果，采用蒙特卡罗方法进行屏蔽层结构设计以及孔道屏蔽计算，校核、修正点核积分法的计算结果，优化点核积分法设计结果。

参考文献：

[1]CZAPEK E, GLUINO R, PIERCE S, et al. Gamma shield design for primary coolant sources using the IBM type 650 computer[R]. AECU-3778. Oak Ridge, Tenn.: U.S. Atomic Energy Commission, Technical Information Extension, 1956.

[2]李春槐. 反应堆主回路设备间辐射屏蔽设计方法述评[J]. 核动力工程, 2003, 24(5): 486–489. LI Chun-huai. Assessment of reactor primary loop compartments radiation shielding design method[J]. Nuclear power engineering, 2003, 24(5): 486–489.

[3]N M 谢弗. 核反应堆屏蔽工程学[M]. 北京: 原子能出版社, 1983: 473–516. SCHAEFFER N M. Reactor shielding for nuclear engineers[M]. HUA Ping, trans. Beijing: Atomic Press, 1983: 473–516.

Research on Biological Shielding of Nuclear Power Naval Ship

HE Jing-yi, CHEN Xiao-zou, CHEN Huan, Sun Peng-cai, CHEN Yu-hao
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, Hubei Province, China)

Abstract:The biological shielding of nuclear power naval ship is different from the biological shielding of nuclear power reactor on land.The weight and volume of the biological shielding is greatly restricted. The shielding space is extemely irregular. How to design economically reasonable, technically feasible,small volume, light weight, relative performance best biological shielding is a complex system engineering. This paper gives characteristics and requirements about biological shielding design of nuclera power naval ship; Summarizes the general method of biological shielding, process of biological shielding design, study and application of biological shielding mateiral; proposes integrated Monte-Carlo method and Poine-kernel integral method for the biological shielding of nuclera power naval ship. This paper can give some reference to the biological shielding of nuclear power naval ship design.

Key words:Poine-kernel integral method；Monte-Carlo method；Biological shielding mateiral

作者简介:何景异(1982–)，男，工程师，研究方向为船舶总体设计。

收稿日期:2015–07–01； 修回日期: 2015–08–12

文章编号：1672–7619(2016)03–0120–04

doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.025

中图分类号：TL328

文献标识码：A