在手套箱中操作放射性物料時的輻射防護分析

李曉軻+尹天罡

摘 要：在處理乏燃料時，一般都會在手套箱中將對具有較強放射性的物料進行操作和處理。由于物料具有較強的放射性和污染性，因此，我們需要對手套箱中的源項以及輻射屏蔽進行適當地處理和分析，將手套箱中的操作源項總活度以及不同類型的射線強度范圍進行精確的測定，對操作人員的時限進行評估，以在最大程度上保證人員人身安全。通過一定的分析和計算，我們得到這樣的結果，粒子對帶有一定厚度且完好無損的手套的手以及人整體的輻射是可以忽略不計的，為了進一步降低中子對人員的輻射，我們需要將手套箱中的中子產額較高的核素以及整體的操作量進行嚴格控制。除此之外，我們應該要對90Sr、90Y、137Cs等純X射線核素的凈化效率進行科學、嚴格地控制，這樣才能夠在一定程度上保證人員在操作的過程中不受到射線對手部的過量照射劑量以及其軔致輻射產生的光子對人體的二次輻照的傷害。

關鍵詞：手套箱輻射屏蔽；輻射劑量；輻射；手套箱

中圖分類號：TL752 文獻標識碼：A

在手套箱中進行放射性物料的操作和樣本的分析過程中，進行輻射防護必須要從各個方面的因素進行考慮，比如穿戴的手套的厚度、手套箱的輻射屏蔽防護、燃料對手部的輻射等。由于在手套箱中的放射性物料的組成元素較為復雜，其中有鈾、钚、镎等錒系元素，同時還會有其他的放射性核素，90Sr、90Y、137Cs、59Fe等。其中，放射性核素放射出的射線有不同的粒子和中子，甚至有時候還會出現X射線。所以，我們必須要在進行手套箱的防輻射設計時，要根據不同的具體情況進行具體分析和設計。

一、手套箱中的物料源項分析

通常情況下，在手套箱中的放射性物料的組成元素較為復雜，會涉及到多種元素，每種元素都有自己的輻射特性，需要根據情況對其進行具體分析。在進行輻射防護設計的過程中，我們通常會選擇不同輻射類型、對劑量貢獻較大的物料源項進行分析計算。一般我們根據物料的物質形態進行不同的設計，如在某些場合中用于沉淀、過濾、干燥烘焙的手套箱。在計算中，假定手套箱中錒系元素組成與物料參數見表1。

在進行放射性物料的處理過程中，我們首先必須要把溶液形態的物料通過沉淀手套箱進行沉淀，將沉淀之后的浮在上層的具有放射性的溶液進行去除，然后將底層的沉淀物放入過濾手套箱，這樣就能將物料總活度降低一半。然后再將過濾之后的物料在干燥烘焙箱進行焙燒處理，此時的放射性核素組分和活度與過濾手套箱的源項整體基本相同。

二、進行手套箱屏蔽計算的相關參數

前面提到的3種手套箱都是長70cm，寬70cm，高100cm的箱體，材質一般都是碳鋼，其中碳鋼的密度必須在7.8g·cm-3之上，操作放射性物料的人員在工作過程中應該要穿戴密度1g·cm-3以上、厚度為1mm的鉛橡膠手套。在進行操作的過程中，人員離放射性物料的距離要在30cm之上，每天約生產200g產品，每個手套箱每天處理物料的時間為1h，一般每年工作100天。

三、手套箱輻射屏蔽

1.手套箱輻射屏蔽的計算方法程序

進行手套箱輻射屏蔽的計算，我們采用MCNP程序，這個程序是在蒙特卡洛算法基礎上進行中子、光子、電子的輸運問題計算的程序。MCNP可以將模型幾何進行準確地描述，還可以將模擬粒子運輸的過程進行確定，最終得到較為準確的計算結果。

2.手套箱物料源項分析

手套箱中源項輻射出的射線主要有α粒子、β射線、I射線和中子。α粒子就是鈾、钚、镎等錒系放射性元素的衰變時出現的，α粒子沒有較強的穿透能力，會直接被手套箱屏蔽掉，因此在進行計算的過程中，可以將其直接忽略。中子的產生主要是鈾、钚、镎等錒系放射性元素自發裂變和（α，n）反應的，我們可以在表2中看出，其中自發裂變的中子平均能量有2MeV。這樣根據表1中的質量和表2中給出的數據就可以將中子能譜進行計算，得出輻射屏蔽的數值然后進行輸入。

γ射線是由137Ba和60Co以及U、Pu、Np元素的各同位素衰變得來的，α射線主要由物料中90Sr、90Y、137Cs和60Co衰變輻射出的，同理可以根據表1得出最后的β射線的能譜，最后作為輻射屏蔽計算并輸入數據。

β射線被放射源物質本身或者周圍的物質阻止時就軔致輻射就會出現光子（x射線），也會對照射劑量有一定的貢獻。在進行輻射屏蔽分析的過程中，由于其具有一定的保守性，可以采用埃文斯公式：（k）=C（E-k）。

其中，k代表軔致輻射光子能量；E是α粒子的初始能量；C是由軔致輻射固有強度決定的常數。在計算的過程中由于具有一定的保守性，沒有考慮到軔致輻射和考慮軔致輻射的光子能譜比較。

3.手套箱輻射屏蔽計算

根據手套箱對中子的輻射屏蔽計算的結果，我們可以知道，手套箱外的中子劑量在0.06v·h之內，因此，對于手套箱外總劑量的貢獻較小，可以通過表1和表2進行分析，得到中子的產額較高的Pu元素質量份額很小，因此，貢獻也較小。

根據手套箱對α射線的輻射屏蔽計算結果，其中我們可以了解到，各手套箱外的β射線的劑量率為0，因此，手套箱本身的碳鋼材質能夠將α射線屏蔽，一般來說，我們通常使用Katz和Penfold經驗公式進行計算。

針對手套箱對光子的輻射屏蔽設計，由于軔致輻射的光子和未考慮軔致輻射的光子不同的兩種情況，要進行分別計算。在考慮軔致輻射的情況下，劑量率會直接提高增加約20%～25%，因此，軔致輻射對光子劑量的貢獻較大。在手套箱中物料包含有90Sr、90Y、137Cs等純β放射性核素強源的情況下，因此，在這種情況下，必須要考慮β射線的照射因素，還要充分考慮β射線引起的軔致輻射。此時如果將屏蔽后的劑量率設定為小于5v·h，不考慮軔致輻射，過濾手套箱和干燥烘焙手套箱就能夠進行屏蔽，如果要將實際存在的軔致輻射的情況考慮進來的話，就必須要對手套箱的屏蔽進行相應加強。

結語

綜上所述，我們應該要將各種類型的射線對工作人員的輻射傷害進行分析和說明，將放射性物料中中子產額較高的核素的含量和總體的操作量進行嚴格控制。除此之外，我們應該要對90Sr、90Y、137Cs等純β射線核素的凈化效率進行科學、嚴格地控制，這樣才能夠在一定程度上保證人們在操作的過程中不受到α射線對手部的照射劑量以及其軔致輻射產生的光子對人體的二次輻照的傷害。

參考文獻

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