高放廢液玻璃固化廠中屏蔽窗輻射屏蔽的工程計算

宋露瑩　鄒樹梁　陳曉麗

摘 要：屏蔽窗是高放廢液玻璃固化廠房中的重要設備，它被安裝在熱室和操作廊之間的熱室墻體中。作為廠房運行人員通過遠距離操作系統操作熱室設備時視覺的主要路徑，屏蔽窗應具備密封、屏蔽和防護的功能。根據輻射防護管理規定，廠房運行人員所受劑量必須控制在安全范圍內，因此必須考慮對屏蔽窗的輻射屏蔽進行工程計算。文章采用MicroShield程序，計算得出了屏蔽窗的最小厚度，使其滿足運行人員在操作廊上所受的劑量的控制范圍，從而保障運行人員的輻射安全。

關鍵詞：玻璃固化廠；屏蔽窗；輻射；計算

1 引言

在高放廢液玻璃固化廠房中，屏蔽窗主要安裝在熔爐熱室、產品容器轉運熱室、產品容器處理熱室以及干法尾氣處理等熱室與操作廊之間的墻體中，是高放廢液玻璃固化廠房中重要的機械設備，起到了屏蔽和防護的作用。在實際的工程設計中，屏蔽設計人員單憑經驗是很難找到滿足輻射安全的屏蔽設計方案，因此需要進行大量的屏蔽設計方案的搜索與計算[1]。

在放射性廢物中，高放廢物包含了絕大多數的放射性核素，具有相當高的放射性、毒性和衰變熱[2]，即使經過玻璃固化處理后，依舊會放出α、β、γ和中子等射線，以此造成對操作人員的放射性危害。由于廠房內的中子通量遠小于γ通量，而且經過廠房厚重的混凝土結構以及屏蔽窗后，中子劑量率不予考慮。因此在文章模型中只考慮γ輻射。文章以產品容器轉運熱室中的屏蔽窗為例，通過MicroShield程序模擬計算，設計出能夠保障運行人員職業照射安全所需的最小厚度[3]。

2 物理模型

2.1 屏蔽窗模型

屏蔽窗主體結構包括屏蔽窗玻璃體、屏蔽窗框和包絡屏蔽窗的屏蔽板。屏蔽窗玻璃體的主要構成組份為10B、11B、O、Na、Si、K和Fe，調整這些組份在屏蔽窗玻璃體中所占的比例，使屏蔽窗具有不同的密度。屏蔽窗玻璃體一般由三部分屏蔽玻璃構成，從熱室內部到操作廊前區的玻璃分別為防護玻璃、屏蔽玻璃以及密封玻璃，由上述部分組合在一起最終起到屏蔽窗的密封、可視和輻射屏蔽作用。作為玻璃固化廠房中產品容器轉運熱室中的屏蔽窗玻璃體的密度為2.6g/cm3。

另外屏蔽窗框由鑄鐵構成，而包絡屏蔽窗的屏蔽板由不銹鋼構成。

2.2 輻射源模型的建立

2.2.1 輻射源

在產品容器轉運熱室中，唯一的輻射源為裝有玻璃產品的產品容器。根據本廠房的工藝要求，在產品容器轉運熱室內的主要任務為將產品容器轉運至產品容器裝載機，最終由產品容器裝載機將產品容器送入暫存庫存放。

該輻射源主要為137Cs的γ輻射（0.662MeV， 0.184MeV），其它放射性核素的γ輻射可忽略不計。同時由本廠房的物料平衡及放射性平衡，計算出存在于本熱室內的輻射源的活度濃度約為1.7E+12Bq/kg。

2.2.2 輻射源模型

產品容器轉運熱室的放射源位置不固定，為移動源，因此將移動源的位置設為距離屏蔽窗最近的工況（緊靠屏蔽窗前的主從機械手）來進行屏蔽計算所需屏蔽窗的最小厚度。其中，移動源的尺寸為高1100mm、Φ420mm的圓柱體。

模型Ⅰ為：設定熱室內產品容器在A點，（在屏蔽窗的軸線上），距離屏蔽窗為100mm。劑量率測量點設定為距操作廊屏蔽窗30mm的C點。

模型Ⅱ為：設定產品容器在B點，離屏蔽窗的垂直和水平距離為各100mm，劑量率測量點設定為距操作廊屏蔽窗30mm的C點。

屏蔽窗模型為塊狀立方體，安裝在混凝土墻體內。其屏蔽計算模型如圖1所示：

3 輻射屏蔽的工程計算

3.1 輻射防護劑量率分區要求

根據GB18871-2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》及相關法律法規，設計規范：對于職業照射，連續五年的平均有效劑量不得超過20mSv。本工程考慮年有效工作時間250天，每天工作時間8小時。關于輻射防護劑量率分區要求及基于屏蔽設計計算過程中安全系數不低于2的考慮，詳見表1輻射防護劑量率分區要求：

表1 輻射防護劑量率分區要求

3.2 計算方法

利用基于點源方法的MicroShield程序對屏蔽窗的厚度進行了透射率計算[5]，在程序計算過程中"build-up"因子用于對伽瑪射線的通量進行修正。該程序能夠自動修正一般情況將線源、面源及體源簡化為點源計算時導致結果偏差的問題，因此文章在計算過程中采用將柱體放射源簡化為點源的模型。

MicroShield程序由美國Grove Software公司開發，可用于包括了點源、線源、面源、體源等16種幾何源模型的光子/γ射線的屏蔽劑量計算如屏蔽設計、輻射源強計算以及外照射最小化計算等。其適用的放射源能量范圍為15KeV to 10 MeV，特點包括可以計算放射性核素的衰變熱、具有多個案例可以同時計算的能力等。

3.3 計算結果及屏蔽窗厚度的確定

利用MicroShield程序對模型Ⅰ的屏蔽窗的厚度進行計算。模擬結果如圖2所示，當屏蔽窗的厚度為100cm時，C點的劑量率為0.003mSv/h；當屏蔽窗的厚度為120cm時，C點的劑量率為0.002mSv/h；當屏蔽窗的厚度為130cm時，C點的劑量率為0.001mSv/h。由于操作廊在輻射防護分區中屬于綠區，需控制該操作廊（綠區）的劑量率不超過0.002mSv/h，因此需選擇屏蔽窗的最小厚度為120cm。

利用MicroShield程序對模型Ⅱ不同屏蔽窗厚度C點的劑量率進行了計算。模擬結果如圖3所示，當屏蔽窗的厚度為50cm時，C點的劑量率為0.01mSv/h；當屏蔽窗的厚度為80cm時，C點的劑量率為0.0025mSv/h；當屏蔽窗的厚度為100cm時，C點的劑量率為0.001mSv/h。由于操作廊在輻射防護分區中屬于綠區，需控制該操作廊的劑量率不超過0.002 mSv/h，因此在此工況下選擇屏蔽窗的厚度為80cm即可。endprint

圖3 模型Ⅱ屏蔽計算結果圖

4 結束語

由模型Ⅰ和模型Ⅱ的計算結果表明，當產品容器位于距離屏蔽玻璃100cm處軸線位置上時，處在操作廊屏蔽窗前工作的運行人員所受γ射線輻照的劑量率最大。因此屏蔽窗的最小厚度應選用對模型Ⅰ計算得出的產品容器轉運熱室屏蔽窗的厚度：120cm，此屏蔽窗厚度可以確保運行人員所受γ射線照射處于安全范圍內。

文章通過MicroShield程序，確定了該熱室屏蔽窗所需的最小設計厚度。這個設計滿足輻射防護管理規定，保障了屏蔽窗前工作的運行人員的輻射安全。

參考文獻

[1]賈小波，石秀安.屏蔽設計組合優化研究[J].核科學與工程，2010，

30（4）：338-349.

[2]馬鴻賓，胡蓉，張威，李廷君，等.我國高放玻璃固化體地質處置的工程屏障方案研究[C].第三屆廢物地下處置學術研討會論文集，367-365.

[3]中華人民共和國國家標準.GBl8871-2002.電離輻射防護與輻射源安全基本標準[S].

[4]Tsoulfanidis，Nicholas. Measurement and Detection of Radiation： Second Edition. Taylor and Francis，1995.

[5]M.K，Maruncel，R.F.Weiner，D.M.Osborn. MicroShield Analysis to Calculate External Radiation Dose Rates for Several Spent Fuel Cask[c].WM'07 Conference，2007.

[6]王孝強，庹先國，周慧，等.高硫高鈉高放廢液玻璃固化配方研究[J].核化學與放射化學，2013，35（3）：180-192.

作者簡介：宋露瑩（1989-），女，北京人，南華大學環境保護與安全工程學院碩士研究生，安全科學與工程專業。

鄒樹梁（1956-），男，江西省安福縣人，教授，博士研究生導師，主要從事核設施應急安全技術與裝備方面的相關研究。

陳曉麗（1982-），女，河北保定人，中核四川環保工程有限責任公司工程部助理，主要從事高放廢液玻璃固化工程的建設。endprint

圖3 模型Ⅱ屏蔽計算結果圖

4 結束語

由模型Ⅰ和模型Ⅱ的計算結果表明，當產品容器位于距離屏蔽玻璃100cm處軸線位置上時，處在操作廊屏蔽窗前工作的運行人員所受γ射線輻照的劑量率最大。因此屏蔽窗的最小厚度應選用對模型Ⅰ計算得出的產品容器轉運熱室屏蔽窗的厚度：120cm，此屏蔽窗厚度可以確保運行人員所受γ射線照射處于安全范圍內。

文章通過MicroShield程序，確定了該熱室屏蔽窗所需的最小設計厚度。這個設計滿足輻射防護管理規定，保障了屏蔽窗前工作的運行人員的輻射安全。

參考文獻

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[6]王孝強，庹先國，周慧，等.高硫高鈉高放廢液玻璃固化配方研究[J].核化學與放射化學，2013，35（3）：180-192.

作者簡介：宋露瑩（1989-），女，北京人，南華大學環境保護與安全工程學院碩士研究生，安全科學與工程專業。

鄒樹梁（1956-），男，江西省安福縣人，教授，博士研究生導師，主要從事核設施應急安全技術與裝備方面的相關研究。

陳曉麗（1982-），女，河北保定人，中核四川環保工程有限責任公司工程部助理，主要從事高放廢液玻璃固化工程的建設。endprint

圖3 模型Ⅱ屏蔽計算結果圖

4 結束語

由模型Ⅰ和模型Ⅱ的計算結果表明，當產品容器位于距離屏蔽玻璃100cm處軸線位置上時，處在操作廊屏蔽窗前工作的運行人員所受γ射線輻照的劑量率最大。因此屏蔽窗的最小厚度應選用對模型Ⅰ計算得出的產品容器轉運熱室屏蔽窗的厚度：120cm，此屏蔽窗厚度可以確保運行人員所受γ射線照射處于安全范圍內。

文章通過MicroShield程序，確定了該熱室屏蔽窗所需的最小設計厚度。這個設計滿足輻射防護管理規定，保障了屏蔽窗前工作的運行人員的輻射安全。

參考文獻

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[3]中華人民共和國國家標準.GBl8871-2002.電離輻射防護與輻射源安全基本標準[S].

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[6]王孝強，庹先國，周慧，等.高硫高鈉高放廢液玻璃固化配方研究[J].核化學與放射化學，2013，35（3）：180-192.

作者簡介：宋露瑩（1989-），女，北京人，南華大學環境保護與安全工程學院碩士研究生，安全科學與工程專業。

鄒樹梁（1956-），男，江西省安福縣人，教授，博士研究生導師，主要從事核設施應急安全技術與裝備方面的相關研究。

陳曉麗（1982-），女，河北保定人，中核四川環保工程有限責任公司工程部助理，主要從事高放廢液玻璃固化工程的建設。endprint