湖南某核技术利用项目辐射防护设计与辐射环境监测验证

曹嘉懿，王文闻

(湖南省核工业超硬材料研究所(湖南省核工业地质局放射性核素检测中心)，湖南 长沙，410007)

0 引言

核技术的研究和利用，在人类获得利益的同时，尽可能减少辐射的可能危害是项目设计阶段要充分考虑的事宜。为了保护从事辐射工作的人员(包括其后代)以及广大公众的安全，同时使环境免受辐射的污染，必须在项目实施前，开展辐射防护设计，以防止有害的确定性效应的发生并限制随机性效应发生的几率。根据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB 18871—2002)[1]的要求，在充分考虑辐射防护最优化的条件下，对湖南省某核技术利用项目进行了辐射防护屏蔽设计，并在该设计的基础上进行了辐射环境监测验证。

1 项目概况

该项目以开展电离辐射计量事业为主，在负一层建设了防护γ标准场、环境X标准场、诊断X标准场，放射性同位素及射线装置主要有γ放射源、X射线机。

防护γ标准场采用的辐射源为1 Ci的60Co源和3 Ci的241Am源。60Co放射源每次衰变产生能量为1.33 MeV和1.17 MeV的γ光子，241Am放射源为α衰变，其衰变过程中释放的γ光子能量很低，为59.5 keV。放射源贮存在专用屏蔽容器中，工作时屏蔽容器快门处于开启状态，γ射线经光阑准直后射出。环境X标准场采用X射线机，其工作电压10～350 kV，管电流最大为28 mA。诊断X标准场采用X射线机，其工作电压10 ～150 kV，管电流最大为500 mA。

辐射场的位置分布如图1所示，所采用的辐射源及其相关参数列于表1。

表1 辐射源及其相关参数

2 屏蔽设计

2.1 设计目的

2.1.1辐射源及主要危害因素

本项目辐射源主要产生γ射线和X射线，均具有极强的穿透本领，能与人体发生电离辐射作用。电离辐射可引起放射病，它是机体的全身性反应，几乎所有器官、系统均发生病理改变，其中以神经系统、造血器官和消化系统的改变最为明显。电离辐射对机体的损伤可分为急性放射损伤和慢性放射损伤。短时间内接受一定剂量的照射，可引起机体的急性损伤，多见于核与辐射事故和放射治疗病人。而较长时间内分散接受一定剂量的照射，可引起慢性放射性损伤，如皮肤损伤、造血障碍、白细胞减少、生育力受损等。另外，过量的辐射还可能致癌、引起胎儿的死亡和畸形。

注：图中1～9为参考点位。图1 辐射场的分布图

2.1.2设计剂量限值

项目设计遵循辐射防护原则，满足国家辐射防护标准GB 18871—2002[1]规定，工作人员年平均个人剂量限值为20 mSv，公众成员关键人群组的成员年平均剂量限值为1 mSv。由于各辐射场在射线装置开机或出源期间，房间内无人居留，因此本项目中主要考虑射线装置、放射源对室外的辐射影响,工作时间按每年2 000 h考虑。

结合上述原则及工程源项实际情况，本项目辐射防护设计采用如下的剂量约束值：

(1)工作人员每年所受年有效剂量限值：5 mSv，即2.5 μSv/h；

(2)公众成员每年所受年有效剂量限值：0.1 mSv，即0.05 μSv/h。

2.2 屏蔽设计计算过程

2.2.1设计范围及参考点

本文介绍该项目防护γ标准场、环境X标准场、诊断X标准场辐射防护屏蔽设计，在屏蔽室外距墙30 cm处选取了若干关键参考点(如图1所示)，通过建造适当的屏蔽设施使得屏蔽后参考点处的辐射剂量率水平小于剂量限值。

2.2.2防护γ标准场

防护γ标准场屏蔽设计以60Co源为主，放射源活度为1 Ci，照射时打开屏蔽容器快门，通过光阑准直，出束高度为1.5 m。贮源方式为固定式干式贮源，放射源屏蔽罐表面剂量率小于10 μSv/h，放射源位于房间中轴，由西向东照射，其中北墙外为地下岩土层(无人区)。

(1)透射

正对照射方向的屏蔽(东墙)以透射为主，透射方向计算[2]如下：

(1)

已知60Co放射源活度为1 Ci，计算得到能量强度为9.25×1010MeV/s，则无屏蔽情况下探测点的剂量率为144 μSv/h。辐射工作人员辐射防护剂量率限值HM≤2.5 μSv/h，考虑2倍安全系数，减弱倍数K为1.15×102，查《辐射防护手册》[3]得主屏蔽墙混凝土屏蔽厚度为57 cm。

(2)散射

对与照射方向夹角为90 °的射线束的屏蔽以散射为主，散射的屏蔽计算采用NCRP 51号出版物[4]推荐的计算方法：

(2)

按照每年工作时间2 000 h计算，即放射源每年出光120 000 min。将各参数代入(2)式进行计算，所得结果列于表2。

表2 防护级γ标准场透射及散射、漏射屏蔽计算(混凝土)

(3)漏射

西屏蔽墙主要考虑放射源屏蔽罐漏射，其表面剂量率小于10 μSv/h，屏蔽罐中心距西墙1.8 m，保守起见取探测点剂量率为10 μSv/h，考虑2倍安全系数，减弱倍数K=10/1.25=8，查《辐射防护手册》[3]得屏蔽墙混凝土屏蔽厚度为30 cm。

2.2.3环境X标准场

环境X标准场配备X光机一台，工作电压10～350 kV，管电流最大为28 mA，准直器由8 mm Pb屏蔽体组成，出束高度1.5 m，发射角<30°。X光机位于房间中轴，由西向东发射，其中南墙外为地下岩土层(无人区)。

(1)透射

正对出束方向的屏蔽(东墙)以透射为主，透射方向计算[5]如下：

(3)

将各参数代入(3)式，无屏蔽情况下探测点的剂量率为185 mSv/h。辐射工作人员辐射防护剂量率限值HM≤2.5 μSv/h，则减弱倍数K=7.4×104，查GBZ/T 250—2014[5]图B.2计算得屏蔽墙混凝土屏蔽厚度为54 cm。

(2)散射

对与出束方向夹角为90°的射线束的屏蔽以散射为主，X射线90°散射辐射计算[5]如下：

(4)

将各参数代入(4)式进行计算，所得结果列于表3。

(3)漏射

漏射计算[5]如下：

(5)

式中，H为无屏蔽体情况下探测点的剂量率，uSv/h；HL为距靶点1 m处X射线管组装体的泄露辐射剂量率，μSv/h，查GBZ/T 250—2014[5]表1可知400 kV为5 000 μSv/h；R为靶点至参考点的距离，为2.1 m。

将各参数代入(5)式进行计算，所得结果列于表3。

表3 环境X标准场透射及反射、漏射屏蔽计算(混凝土)

2.2.4诊断X标准场

诊断X标准场将配备X光机一台，工作电压10～150 kV，管电流最大为500 mA，准直器由8 mm Pb屏蔽体组成，出束高度1.5 m，发射角<30°。X光机位于房间中轴，由东向西发射，其中南墙外为地下岩土层(无人区)。

(1)透射

诊断X标准场的透射计算过程与2.2.3节相同，1 m远处X射线机输出量取150 kV中较大值，查GBZ/T 250—2014[4]附表B.1为1 098 mSv·m2/(mA·h)；X光机总功率为50 kW，此时X射线机电流取330 mA；产生X射线处到参考点的距离为5.3 m。将各参数代入(3)式，同理可得屏蔽墙混凝土屏蔽厚度为43 cm。

(2)散射

诊断X标准场的散射计算过程与2.2.3节相同，查GBZ/T 250—2014[5]表2散射辐射为150 kV，取1 098 mSv·m2/(mA·h)；X射线机电流取330 mA；照射面积保守估计为10 m2；散射因子，查GBZ/T 250—2014[5]附表B.3取0.04。将各参数代入(4)式进行计算，所得结果列于表4。

(3)漏射

诊断X标准场的漏射计算过程与2.2.3节相同，查GBZ/T 250—2014[5]表1可知150 kV X光机距靶点1 m处X射线管组装体的泄露辐射剂量率为2 500 μSv/h。靶点至参考点的距离为2.1 m，将各参数代入(5)式进行计算，所得结果列于表4。

表4 诊断X标准场透射及反射、漏射屏蔽计算(混凝土)

3 屏蔽设计监测验证

3.1 辐射环境监测结果

本项目辐射环境验收监测委托的是生态环境部核与辐射安全中心。监测点位分布如图2所示。各监测点位的辐射剂量率监测结果列于表5。

表5 各监测点位的辐射环境监测结果

3.2 验证结果

通过监测结果可知，由于屏蔽墙体的原因，负一层的监测数据低于一层监测数据，而且无论何种状态下，各区域辐射剂量率都与天然本底值处于相同水平。可见正常情况下辐射场的运行并不会给工作人员和公众带来附加剂量，其辐射防护达到了国家标准年剂量管理限值，辐射防护设计是合理的。

注：图中1～84为各监测点位。图2 辐射环境监测点位分布图

4 结语

该项目辐射防护设计遵循辐射防护三原则，使个人所受剂量、受照射的人数及受照射的可能性保持在可合理达到的尽量低的水平。同时，本项目填补了湖南省X、γ辐射场的空白，能够满足湖南省内及周边省份放射性仪器设备的量值溯源，能服务于辐射环境监测、医疗卫生、辐射防护、科研等领域，必将为湖南省电离辐射计量事业的发展添砖加瓦，创造较好的社会效益和一定的经济效益。