近地面强中子源辐射环境场分布的蒙特卡罗计算

牛进林,左应红,商 鹏,牛胜利,朱金辉

(西北核技术研究所,西安710024)

核爆炸会产生大量的中子,包括瞬发中子和缓发中子,其中瞬发中子是爆炸后一瞬间产生的,可看做点源[1-2]。中子在大气中传输会受到大气成分的影响,主要发生散射和吸收等作用过程。中子在大气中传输特性、中子注量分布规律、中子场空间分布特性、中子产生次级γ和中子在大气中长距离输运的减方差技巧已有相关的研究成果[3-7]。这些成果集中在中子在自由大气中的传输和分布特性规律研究,而对中子在大气-地面交界问题中的传输特性和分布规律研究较少。地面的存在会对近地面中子辐射环境场产生影响,常见的地面介质,如土壤、混凝土和水等的密度远大于大气密度,包含的元素成分也与大气大不相同,不同的地面介质之间成分差异也很大,中子在由大气进入地面介质后会与地面介质发生相互作用,部分中子会被地面介质散射重新进入大气,从而对近地面测点产生影响。本文用蒙特卡罗方法对中子在大气-地面交界问题中的传输进行模拟,计算了中子在地面附近大气中输运形成的组织剂量场。

1 物理模型

本文采用中国科学院核能安全技术研究所开发的蒙特卡罗模拟软件SuperMC作为模拟工具,建立的近地面大气-地面交界中子输运问题物理模型如图1所示。模型中,强中子源指中子平均能量大于0.5 MeV、源强度很高的中子源。本文中子源为各向同性点中子源,中子源高H≤500 m,大气密度在该范围变化较小,可用单个密度表征,采用海平面处的大气密度,为1.225×10-3g·cm-3;中子源到测点在地面上的投影距离R≤1 km;测点离地面的高度为1 m;地面介质有混凝土、土壤和水3种,大气和3种地面介质的核素组成和质量分数如表1所列,混凝土密度为2.3 g·cm-3,土壤密度为1.6 g·cm-3,水密度为1.0 g·cm-3,文献[8]中混凝土对1 MeV中子的饱和反射厚度为16.2 cm,地面介质厚度为2 m,保证地面介质对中子或产生的次级γ进行充分反射。

图1 近地面大气-地面交界中子输运问题物理模型

本文中的组织剂量是指机体组织中的平均吸收剂量,在蒙特卡罗模拟计算中,组织剂量由统计出的注量与相应的组织剂量转换系数乘积得到。为研究有无地面介质对中子组织剂量场的影响,给有地面介质的模型做对照,建立了不包含地面介质的中子输运模型,在图1物理模型的基础上,将地面介质换成密度为1.225×10-3g·cm-3的大气,厚度为2 km。组织剂量比η可表示为

其中：Dgroud为包含地面介质时测点中子组织剂量;Datmosphere为不包含地面介质时测点中子组织剂量。中子组织剂量为测点处中子本身组织剂量和产生的次级伽马光子组织剂量之和。为保证结果的可信性,本文中所有算例的模拟结果相对偏差均小于5%。

表1 大气和3种地面介质的核素组成和质量分数

2 计算结果

2.1 地面介质对中子组织剂量的影响

基于建立的蒙特卡罗中子输运模型,模拟不同地面介质时测点处中子组织剂量比η,并考虑中子源高H和能量E的影响。

当E为1 MeV,H为10 m,地面介质不同时,η随R的变化关系如图2所示。由图2可见,由于地面介质的存在,η随R基本上呈单调递减的趋势;当R≤R0(R0为η=1时R的值,约为50 m)时,η≥1,说明在近源区由于地面的存在,地面反射增强了测点处中子组织剂量;当R>R0时,η<1,说明地面的存在屏蔽了一部分本该从地平面以下介质经过散射到达测点的中子或次级γ,且R越大,这个效应越明显;当R为1 km时,η甚至小于0.5;不同介质对η的影响也不同,相同的R,地面介质为土壤、混凝土、水时,η依次减小,这是因为与3种地面介质中其他核素相比,1H对中子慢化和吸收效果要强得多,而土壤、混凝土、水中1H的含量依次升高。

图2 E=1 MeV,H=10 m,地面介质不同时,η随R的变化关系

当E为1 MeV,地面介质为混凝土,H不同时,η随R的变化关系如图3所示。由图3可见,近源区在相同的R处,随着源高H的增加,源点到测点的距离不断增加,但η并没有随H单调递减,有先增高后减小的趋势,因此存在一个使η最大的源高,本文中称为最大剂量源高Hmax。

当H为10 m,地面介质为混凝土,中子能量不同时,η随R的变化关系如图4所示。由图4可见,随着将中子能量提高到5,14 MeV,当R≤10 m时,η随R呈递增趋势;当R>10 m时,η随R呈递减趋势。

图4 H=10 m,地面介质为混凝土,中子能量不同时,η随R的变化关系

2.2 单能中子源最大剂量源高

基于建立的蒙特卡罗中子输运模型,针对第2.1节最大剂量源高Hmax进行研究。地面介质为混凝土,选用1 MeV单能中子源,模拟中子总数为1020,计算R不同时,中子组织剂量Dconcrete随H的变化关系,如图5所示。

图5 R不同时,Dconcrete随H的变化关系

由图5可见,不同的R处,均出现了一个峰值,峰值处对应的H随R有单调递增的趋势。为研究峰值出现的规律,选取不同能量的中子,分别取为0.5,1,2,5,10,14 MeV,针对R在0～1 km范围内变化时,不同H处的测点中子组织剂量Dground进行大量计算,搜索Hmax,并对Hmax随R的变化关系曲线进行线性拟合。中子能量不同时,Hmax随R的变化关系如图6所示。图6中：Intercept为拟合曲线的纵截距,均为1 m;Slope为拟合曲线斜率;R-Square是一个表征拟合优度的参数,它将模型预测值与实际观测值的差异进行比较,越接近1,表示回归模型能更好地解释因变量的变异性,拟合程度越好。由图6可见,单能中子能量取0.5～14 MeV,R在0～1 km范围内变化时,Hmax与R有非常好的线性关系,且斜率均约为0.25,与中子能量关系不大。

(a)E=0.5 MeV

(b)E=1 MeV

(c)E=2 MeV

(d)E=5 MeV

(e)E=10 MeV

(f)E=14 MeV

2.3 分布中子源最大剂量源高

为进一步验证第2.2节Hmax与E关系不大的结论,选取分布中子源,归一化能谱如图7所示。中子源平均能量为0.685 MeV,地面介质仍为混凝土,经过计算与线性拟合,中子源最大剂量源高Hmax随R的变化关系如图8所示。由图8可见,在该分布源条件下,Hmax与R也有非常好的线性关系,且斜率约为0.25。为进一步验证该结论在地面介质为土壤和水时的通用性,在该分布源条件下,模拟计算了地面介质分别为土壤和水,最大剂量源高Hmax线性拟合结果,结果同样表明Hmax与R有非常好的线性关系,斜率接近0.25。

图7 中子源归一化能谱

图8 地面介质为混凝土时,Hmax随R的变化关系

(a)Soil

(b)Water

3 结论

针对近地面强中子源在地面附近大气中形成的辐射环境场问题,为研究地面对中子组织剂量场的影响,采用蒙特卡罗方法建立了点中子源在大气-地面交界问题中的输运模型,考虑了混凝土、土壤、水3种地面介质类型,进行了大量的数值模拟计算。研究结果表明,与自由大气相比,由于地面的存在,在近源区测点地面反射增强了中子组织剂量,在远源区地面对中子组织剂量起削弱作用;相同的R,地面介质为土壤、混凝土、水时,η值依次减小;地面介质为混凝土时,单能中子能量取0.5～14 MeV,R在0～1 000 m范围内变化时,存在一个最大剂量源高Hmax,Hmax与R有非常好的线性关系,且斜率均约为0.25,与中子能量关系不大;给定分布中子源,地面介质分别取混凝土、土壤、水时,最大剂量源高Hmax与R同样有非常好的线性关系,且斜率同样约为0.25。本文的研究成果可为近地面强中子源在大气-地面交界问题的屏蔽设计研究提供参考。