γ辐照装置屏蔽方案评价

陶由之,赵红

(四川省核工业辐射测试防护院, 成都, 610051)

0 引言

γ辐照加工中使用的放射源属Ⅰ类放射源[1],γ辐照装置须设计足够的实体屏蔽。考虑到经济性及适用性,γ辐照装置实体屏蔽首选材料为混凝土。实践中需对其屏蔽结构进行校核,确保其外辐射剂量率满足相关标准限值要求。

本文采用《γ辐照装置的辐射防护与安全规范》[2]中的计算方法对某单位SQ(H)型移动式悬挂γ辐照装置典型辐射屏蔽结构进行量化分析,验证其屏蔽可靠性;通过对比各种辐射照射途经的剂量率贡献,优化计算程序,为同类型γ辐照装置的屏蔽设计和辐射环境影响评价提供参考。

1 γ辐照装置概况

某单位设计的SQ(H)移动式悬挂γ辐照装置采用水井贮源,属于固定辐照室湿法贮源γ辐照装置[3],设计额定装源量为400万Ci(1.48×1017Bq),共装载1 200枚60Co放射源。γ辐照装置辐照室设计为单层结构,建造面积446.5 m2,主要包括:辐照大厅、贮源水井、货物迷道、人员迷道等,配套功能区包括:控制室、水处理间、工具间、收发室等。

2 不同照射途经辐射剂量率计算

对于γ辐照装置屏蔽体外关注点的照射途经包括:升源后直射辐射、迷道散射辐射(一次散射、多次散射)、天空反散射及降源后贮源水井表面直射辐射等,各照射途经对周围关注点的辐射剂量率计算方法不同,不同辐射途经计算分析如下。

2.1 关注点设定

对于关注点依据最不利照射途经进行设定,即人员可到达的最短照射路径,根据辐照室的设计方案,设定的计算关注点包括:A、B、C1、C2、D、E、F、G、H、I、J、P、Q、R,如图1、图2所示。

图1 一层计算关注点

图2 屋顶计算关注点示意图

2.2 直射辐射剂量率计算

在放射源与计算点之间无屏蔽介质的情况下,计算点的γ射线能通量密度的计算公式为:

(1)

式中,Φ为γ射线能通量密度,MeV/(cm2·s);S0为点源能量强度,S0=A0×2.5 MeV(γ射线总能量)=2.5 MeV×4×106Ci×3.7×1010衰变/s=3.7×1017MeV/s;R为点源与计算点之间的距离,cm。

(2)

(3)

B=A1e-a1μx+(1-A1)e-a2μx

(4)

式中,Dm为有屏蔽体情况下计算点的剂量率,μSv/h;D为无屏蔽体情况下计算点的剂量率,μSv/h;Hp为γ光子对应能量为1.25 MeV时的通量密度与剂量率的转换因子,取1.765×10-5(mSv/h)/(MeV/cm2s)[4];K为屏蔽体的有效减弱倍数;μ为线性减弱系数,混凝土取0.127 cm-1[5];x为屏蔽厚度,cm;B为累积因子;a1、a2、A1是γ射线能量的函数,Eγ=1.25 MeV时,对混凝土,取a1=-0.064 85,a2=-0.011 7,A1=23.361 5[5]。

屏蔽体外不同关注点的直射辐射剂量率计算结果列于表1。

表1 辐照室四周关注点剂量率计算参数取值及计算结果表

2.3 迷道多次散射剂量率计算

γ射线在迷道中经辐照室屏蔽墙、屋顶和地板的多次散射,到达辐照室出入口。迷道多次散射计算的路径如图3所示。

图3 迷道散射路径(多次散射至迷道口)示意图

散射剂量率的计算公式为:

(5)

式中,Di为经过i次散射后某测点位置处的反散射剂量率,Sv/h;S为散射面积,m2;ri为从散射点到计算点的距离,m;Di-1为入射到面积元S处的剂量率,Sv/h;αd为微分反照率。αd计算公式为:

(6)

式中,θ0为入射γ射线的入射角;θ为散射γ射线的反射角;k(θs)为公式换算中间量,见式(7);c、c′为与入射γ射线能量和散射介质有关的系数,由《γ辐照装置的辐射防护与安全规范》表A.2取值。

(7)

(8)

(9)

式中,r0为经典电子半径,取2.818×10-13cm;p为公式换算中间量;θs为散射方向与入射方向的夹角,θs=180°-(θ0+θ);E0为入射γ射线能量,MeV;E为一次散射后γ射线能量,MeV。γ射线反射简化示意如图4所示。

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图4 计算反散射示意图

迷道多次散射计算结果见表2和表3。

表2 到达第一次散射点的辐射剂量率

表3 迷道散射计算所用参数及结果

根据表3,为使迷道入口辐射剂量率控制在2.5 μSv/h限值以下,其散射次数须大于5次。

2.4 迷道一次散射透射剂量率

γ射线在辐照室内第一次散射后能量及剂量仍然较大,可以以最短的路径穿过屏蔽墙体到达G点和Q点,其路径如图5所示。

图5 一次散射穿墙透射的路径示意图

迷道一次散射透射剂量率的计算结果列于表4、表5。

表4 到达第一次散射点的辐射剂量率

表5 散射一次穿过墙体透射剂量率

2.5 天空反散射剂量率计算

γ光子会在屏蔽室上方散射产生比直射屏蔽体更大的辐射圆柱体,这种散射是从建筑物的天花板或者上方空气镜面反射产生,散射后γ光子会在地面形成二次辐射场,即成为“天空反散射”[6]。天空反散射如图6所示。

图6 天空反散射示意图

天空反散射剂量率由式(10)计算:

(10)

式中,DZ为图中Z点的剂量率,μSv/h;A为辐射源的放射性活度,取1.48×1011MBq;Ω为放射源对辐照室屋顶所张得立体角,Sr;k为屏蔽层对γ射线的有效减弱倍数,根据表1取1.18×109;H为放射源到屋顶上方2 m处的距离,取7.1 m;X为放射源到Z点的距离,m。

放射源对辐照室屋顶所张得立体角Ω如图7所示。

图7 放射源对屋顶屏蔽墙所张立体角示意图

对于图7(a),a、b分别为O点至A点、B点的距离;c、d分别为放射源Y点至O点、E点的距离。平面OAEB对Y点所张的立体角Ω为:

(11)

放射源对屏蔽墙所张立立体角经常为图7(b)所示的情况,这可把平面EFGH对Y点所张立体角视为SE、SF、SG、SH对Y点所张立体角ΩE、ΩF、ΩG、ΩH之和:

Ω=ΩE+ΩF+ΩG+ΩH

(12)

天空反散射剂量率计算参数见表6,计算结果列于表7。

表6 放射源对屋顶屏蔽墙所张立体角计算表

表7 天空反散射剂量率计算结果表

2.6 贮源状态水井表面剂量率计算

贮源井设计深度为7.5 m,贮源井内设置有水位报警系统,当水位线低于7.0 m将进行报警,并进行自动补水,本次评价保守考虑7.0 m极限水位时贮源井表面(R点)辐射剂量率水平,源架在贮存位置时的几何关系如图8所示。

图8 源架贮源井中的几何示意图

采用式(1)～式(4)进行计算,计算参数和结果见表8。

表8 贮源状态水井表面剂量取值及结果

1) 根据《辐射防护导论》附表1查得,水的线性减弱系数取0.063 cm-1,对于水,根据《辐射防护导论》表3.4,取a1=-0.081 08,a2=-0.014 09,A1=17.853 8。

2.7 辐射剂量率汇总

根据前述分析,源架升起后屏蔽体外各关注点辐射剂量率汇总情况见表9。

表9 辐射剂量率汇总表

3 讨论

(1) SQ(H)移动式悬挂γ辐照装置典型屏蔽结构外辐射剂量率满足《γ辐照装置设计建造和使用规范》[3]规定的在距屏蔽体表面30 cm处,由放射源辐射产生的平均剂量率不大于2.5 μSv/h限值要求;在迷道口外30 cm处平均剂量率不应大于2.5 μSv/h限值要求;贮源井在极限水位时,井口表面30 cm处平均剂量率不大于2.5 μSv/h限值要求。

(2) 在进行辐照室迷道设计时,第一次散射后因其剂量率及能量可能较高,应在对应的一次散射照射野墙体进行局部加厚处理,同时为使迷道入口达到辐射屏蔽要求,迷道设计应充分考虑弯折次数,γ射线在迷道中的设计散射次数至少应在5次以上。

(3) 通过各辐射照射途经分析,屏蔽体外主要辐射剂量率贡献来源于天空反散射,部分区域远大于直射辐射剂量率贡献,因此在辐射环境影响评价中对于周围职业人员及公众的受照剂量计算不可忽略天空反散射的贡献计算,若设计过程中存在天空反射辐射剂量率偏大的情况,可通过加厚辐照大厅顶部屏蔽体的措施进行处理;迷道入口(人员、货物)辐射剂量率贡献主要来源多次散射辐射,在辐射屏蔽计算过程中为简化计算程序,可忽略穿过墙体的直射辐射剂量率贡献。

(4) 该典型γ辐照装置屏蔽体外最大辐射剂量率关注点位于辐照大厅屋顶,在实际运行过程中,考虑γ辐照装置工作负荷较大,在辐照大厅楼顶不建议布置长时间人员居留场所(如:办公室、控制室等)。

(5) 本文以实际案例对典型γ辐照装置屏蔽结构进行了详细的计算,可为同类大型γ辐照装置辐射环境影响评价提供参考及比对。