工業钚屏蔽設計優化

伊萬里 衛樂斌

摘 要：钚是一種高放射毒性的元素，钚衰變產生的γ射線、自發裂變中子和（α，n）反應的中子，及工業钚中殘留的裂變產物和雜質衰變產生的γ射線，均具有很強的輻射。在工業钚的操作中，為減少钚物料帶來的輻射照射，需要采取足夠的屏蔽。通常，屏蔽措施僅考慮钚物料產生的光子、中子劑量，忽略屏蔽體中子俘獲對屏蔽體外關注點的劑量影響。本文通過使用MCNP程序計算1kg工業钚在5種不同屏蔽材料組合屏蔽下中子俘獲在關注點產生的劑量，結合钚物料在關注點產生的劑量，從屏蔽材料厚度和關注點總劑量得出優化屏蔽方案。

關鍵詞：工業钚;屏蔽

前言

钚是一種高放射毒性的元素，钚衰變產生的γ射線、自發裂變中子和（α，n）反應的中子輻射以及工業钚中殘留的裂變產物和雜質有很強的放射性。在钚的短期貯存中，為減少钚物料帶來的輻射照射，降低工作人員外照射劑量，需采取相應的屏蔽措施。

在設計中，應選取合適的輻射屏蔽計算方法，對操作钚物料的屏蔽工作箱進行屏蔽計算，將經濟和社會因素考慮在內，合理設置工作箱屏蔽層厚度，使所有的輻射照射保持合理可行盡量低，保障工作人員的健康與安全。

1計算采用程序

本文計算采用MCNP和ORIGEN-2程序，分別介紹如下。

蒙特卡洛方法在輻射防護、堆物理、醫學與檢測以及核裝置的設計中均有廣泛的應用，計算方法合理，理論成熟，并得到國際上一致認可，Monte Carlo的基本思想就是基于隨機數選擇的統計抽樣。本文采用的MCNP程序是基于概率統計方法的蒙特卡洛計算程序，通過輸入源的幾何結構、材料成分等來得出輸出結果。本文主要通過使用MCNP程序計算得到不同條件下關注點的劑量計算結果。

本文采用的ORIGEN-2程序源自于ORIGEN程序。ORIGEN程序是由美國橡樹嶺國家實驗室開發的點燃耗及放射性衰變計算程序，可以模擬計算核燃料循環過程中放射性物質的積累、衰變等過程，給出核素的組成、放射性活度、衰變熱、中子和光子源項等參數。本文通過ORIGEN-2程序計算得到本文中所用1kg工業钚的中子、光子能譜。

2物料成分及主要核素輻射特征

2.1钚的同位素

工業钚中主要放射性同位素包括236Pu、238Pu、239Pu、240Pu、241Pu、242Pu、241Am等，钚同位素及241Am，根據工業钚中Pu同位素的輻射特征和含量分析，對γ劑量率貢獻最大的是241Pu的衰變子體;對中子劑量率貢獻最大的是238Pu，其次是240Pu。隨著物料儲存時間的增加，241Pu的衰變子體241Am含量增加，钚同位素所致γ劑量率增加。由于Pu同位素（241Pu不產生中子）半衰期均遠大于實際的貯存和操作時間，因此，中子能譜產額在儲存期間內基本不發生變化。

2.2雜質核素

物料中雜質核素的種類很多，根據各核素能譜及對劑量率的影響的分析，最主要的雜質核素是137Cs、134Cs、154Eu、90Sr、125Sb，綜合考慮雜質核素的含量及γ射線能量，對γ劑量率貢獻最大的核素為137Cs，其次為134Cs和154Eu。這兩個核素衰變產生的γ射線能量在0.559MeV～0.796MeV之間，隨著儲存時間的增加，光子強度逐漸降低。

3 計算所用屏蔽材料

3.1鐵

鐵，原子序數26，ρ=7.6g/cm3，成本低，機械強度很高，易加工，是常用的γ射線屏蔽材料。

3.2鉛玻璃

鉛玻璃，ρ=6.22 g/cm3，有很好的抗腐蝕特性，在射線照射下不易損壞，可滿足透明功能，成本高，結構強度極差，是常用的γ射線屏蔽材料。

3.3含硼聚乙烯

聚乙烯，含氫豐富，是較好的中子防護材料，易于加工成型，在聚乙烯中加入適量的硼是為了減少因熱中子吸收過程中產生的俘獲γ輻射。本文所用的含硼聚乙烯采用密度為0.92的聚乙烯和密度為1.81的碳化硼進行機械混壓得到。

3.4混凝土

普通混凝土，ρ=2.3g/cm3，是多種元素的混合物，它含有輕元素和較重的元素以及一定數量的水分，對中子和光子都有很好的屏蔽作用，具有良好的結構性能，是一種較好的建筑材料，多用作固定的屏蔽體。

4計算模型及計算結果

4.1計算模型

本文中為了探究中子與屏蔽材料發生中子俘獲產生的次級γ射線在不同屏蔽組合下對關注點總劑量的影響，通過計算不同組合屏蔽材料的關注點劑量結果，通過數據進行對比分析得出結論。

在計算γ輻射時，按點源考慮，不考慮物料的自吸收，這種考慮是偏保守的。

在計算中子輻射時，按球體源考慮，且按物料的理論密度計，使中子的增殖因子最大，這種考慮是偏保守的。

在計算因中子俘獲產生的次級γ輻射時，物料模型與計算中子輻射相同。

屏蔽模型為六面體，內表面距離源模型中心點30cm，內外表面之間為所用屏蔽材料，劑量關注點在外表面屏蔽面中心點5cm處。

計算模型如下：

a.混凝土

b.鐵+含硼聚乙烯（鐵在前）

c.鉛玻璃+含硼聚乙烯（鉛玻璃在前）

d.鐵+含硼聚乙烯+鐵

e.鉛玻璃+含硼聚乙烯+鉛玻璃

其中b方案和c方案因為均為重材料在前、輕材料在后，后文簡稱為重+輕組合;同理d和e簡稱為重+輕+重組合。

4.2不同屏蔽材料組合計算結果

根據基本假設，計算結果如下：

方案1：混凝土，最終厚度42.9cm，中子劑量：0.28μSv/h，γ劑量：4.29μSv/h，輻射俘獲劑量：0.12μSv/h，總劑量：4.69μSv/h。

方案2：14.5cm鐵+10cm含硼聚乙烯，中子劑量：2.05μSv/h，γ劑量：2.38μSv/h，輻射俘獲劑量：0.33Sv/h，總劑量：4.76μSv/h。

方案3：14 cm鉛玻璃+11cm含硼聚乙烯，中子劑量：3.53μSv/h，γ劑量：1.16μSv/h，輻射俘獲劑量：0.24Sv/h，總劑量：4.92μSv/h。

方案4：13.5cm鐵+10cm含硼聚乙烯+1cm鐵，中子劑量：2.12μSv/h，γ劑量：2.37μSv/h，輻射俘獲劑量：0.21Sv/h，總劑量：4.70μSv/h。

方案5：12cm鉛玻璃+11cm含硼聚乙烯+2cm鉛玻璃，中子劑量：3.62μSv/h，γ劑量：1.08μSv/h，輻射俘獲劑量：0.06Sv/h，總劑量：4.76μSv/h。

4.3結果分析

根據表3結果可知：

（1）對比方案1和其他方案：選擇混凝土作為屏蔽材料時，厚度比其他組合厚17cm左右;

（2）從只關注钚物料產生劑量到钚物料和中子俘獲均關注的過程中，各方案的輻射俘獲劑量相比關注點總劑量均不大;

（3）對比方案2、3;4、5，可知同樣厚度的重+輕組合和重+輕+重組合：后者因輻射俘獲產生的次級γ射線在關注點劑量相比钚物料在關注點產生的劑量減少近一半，在關注點中子劑量變大。

5結束語

（1）與其他組合相比，混凝土成本低、有良好的結構性能，但其他組合可以優化屏蔽厚度;在實際應用中，優先考慮成本時，選擇混凝土更優，優先考慮屏蔽體積時，優先考慮其他屏蔽組合;

（2）本文選用的源是工業钚氧化物，在各種屏蔽材料組合下，因中子與屏蔽材料輻射俘獲產生的次級γ射線在關注點劑量與關注點總劑量相比均不大。

參考文獻：

[1]李德平 潘自強主編.輻射防護第一分冊手冊 輻射源與屏蔽.北京：中國原子能出版社.1987.

[2]謝仲生主編.核反應堆物理分析上冊.北京：中國原子能出版社.1992.