基于MC方法的高放廢液玻璃固化廠屏蔽窗輻射屏蔽性能設計研究

陳 爽，何慶駒，周 強

（1. 中核清原環境技術工程有限責任公司，北京 100037；2. 中國核動力設計研究院，成都610041；3. 中核四川環保工程有限責任公司，廣元 621010）

高放廢液玻璃固化廠是對高放廢液進行玻璃固化處理，將高放廢液轉化為穩定的高放廢物玻璃固化體的設施。由于高放廢液包含137Cs、90Sr、241Am、154Eu、155Eu、237Np等幾 十種主要的放射性核素，具有放射性強、毒性大、半衰期長、發熱率高等特點［1］，故玻璃固化工藝設備必須安裝在熱室內進行屏蔽，通過遠程遙控操作和維修。屏蔽窗是高放廢液玻璃固化廠重要的觀察設備，安裝在熔爐熱室、產品容器轉運熱室、產品容器操作熱室以及干法尾氣處理等熱室與操作廊之間的混凝土墻體內［2］，起輻射防護和氣密通風隔離作用，避免操作人員遭受潛在的放射性照射危險。玻璃固化廠屏蔽窗主要采用硼玻璃和鉛玻璃作為輻射屏蔽材料，硼玻璃同時具備優異的耐γ射線輻照以及中子輻照屏蔽性能，鉛玻璃具有加工技術簡便、成本低和屏蔽效果良好等優點。屏蔽窗的工程設計與輻射安全驗證是相互推進的過程，由于條件限制，尚無法通過實驗驗證其屏蔽性能。在眾多領域，MC模擬方法已成為一種越來越重要的技術［3］，MC模擬技術非常適用于解決粒子輸運的問題，可自動考慮元素間效應，并可部分代替實驗。由于MC方法在解決粒子輸運問題上的優越性，以及在核反應堆設計、保健物理等方面有著廣泛應用，是一種經濟、實用、精確、簡易的方法［4-5］。

本文使用MCNP蒙卡模擬程序，以產品容器轉運熱室屏蔽窗為例，對兩種分別使用硼玻璃和鉛玻璃作為屏蔽材料的屏蔽窗進行輻射屏蔽性能的蒙卡模擬研究，通過模擬計算結果分析，根據運行操作人員職業照射安全的相關標準，綜合確定屏蔽窗材料及厚度的最優化設計。

1 物理模型構建

1.1 屏蔽窗物理結構及組成

高放廢液玻璃固化廠房工藝區的屏蔽窗主要由墻框、熱室側α密封玻璃板、屏蔽玻璃、操作廊側防護玻璃板組成。墻框的主要材料為碳鋼，熱室側為不銹鋼板。墻框鑲嵌在混凝土中，與熱室和前區之間的墻成為一體。在操作廊一側，屏蔽玻璃與墻面平齊，屏蔽玻璃厚度小于墻體厚度，墻框在熱室一側需要做成漏斗形，以便屏蔽窗獲得最佳視角。屏蔽窗開度135°，屏蔽窗長780 mm，高680 mm，距操作廊地面高度為1310 mm。常用的屏蔽玻璃材料主要有密度為2.5 g·cm-3的硼玻璃和密度為3.2 g·cm-3的鉛玻璃兩種，具體成分見表1。

表1 硼玻璃及鉛玻璃的組成成分Table 1 The composition of boron and lead shielding glass

1.2 輻射源成分分析

在高放廢液玻璃固化廠房的產品容器操作過程中，產品容器轉運熱室用于通過產品容器升降小車轉運產品容器，轉運分為兩個過程：在空產品容器轉運過程中，轉運小車在此房間內等待接收來自產品容器操作熱室V5的空產品容器；在注滿高放廢物玻璃固化體的產品容器轉運過程中，轉運小車在此熱室等待V5熱室吊車將轉運小車內的產品容器吊入V5熱室，并最終轉運至暫存庫。

故熱室中唯一的輻射源為產品容器中注滿的高放廢物玻璃固化體，產品容器結構如圖1所示。

圖1 產品容器示意圖Fig.1 Canister diagram

產品容器的外徑為430 mm，高1335 mm，材料采用厚度5 mm的304L不銹鋼，可盛裝400 kg密度為2.6 g·cm-3的玻璃固化體。將玻璃固化體等效為直徑420 mm，高1100 mm的均勻圓柱體各向同性輻射源（不考慮產品容器及保溫外罩）。由于產品容器放置于產品容器轉運小車上，故設定輻射源離熱室的地面高度為680 mm。模擬計算中需要考慮玻璃固化體的自吸收效應，玻璃固化體的元素組成見表2。由于廠房的中子通量遠小于γ射線通量，故不考慮中子劑量。輻射源中所含放射性核素的γ射線能譜主要來源于137Cs。根據廠房的放射性平衡和物料平衡，輻射源的放射性活度為7.05× 1014Bq。

表2 玻璃固化體的元素組成Table 2 The elements composition of product glass

1.3 屏蔽窗輻射屏蔽模型

屏蔽窗輻射屏蔽模型示意圖如圖2所示，輻射源放置于移動過程中與屏蔽窗距離最短的位置固定不變（位于屏蔽窗的中心線上），此時距屏蔽窗熱室側表面距離為1850 mm，同時在操作廊距屏蔽窗側表面（中心）300 mm處設置測量點。操作廊與熱室之間的混凝土為普通混凝土，厚度為1500 mm，密度為2.2 g·cm-3。

圖2 屏蔽窗輻射屏蔽模型示意圖（注：1. 輻射源；2. 混凝土；3. 屏蔽玻璃；4、5. 空氣）Fig.2 Schematic diagram of shielding modelfor shielding windows

1.4 廠房分區劑量率要求

為控制正常工作條件下的正常照射和防止污染擴散，并預防潛在照射和限制潛在照射范圍，將需要和可能需要專門防護手段或安全措施的區域定義為控制區。為便于輻射防護管理和職業照射控制，根據放射性操作水平，將控制區按放射性操作水平從低到高劃分為三個子區，即綠區、橙區和紅區。監督區為白區。按照GB18871—2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》的規定，連續5年內的平均有效劑量為20 mSv。高放廢液玻璃固化廠的工作人員年有效工作時間為250天，每天工作8小時，在正常工作條件下所受職業照射的個人年有效劑量的設計目標值采用10 mSv·a-1，即劑量率限值不超過5 μSv/h。表3為廠房分區屏蔽設計采用的劑量率限值。由表3可知，操作廊屬于綠區，屏蔽設計劑量率限值要求小于2 μSv/h。

表3 劑量率限值Table 3 Dose rate limits

2 蒙特卡羅模擬模型

根據輻射源和屏蔽窗的相對幾何位置建立屏蔽窗輻射屏蔽蒙卡模擬模型（如圖3所示），同時將輻射源與屏蔽窗的元素組成參數寫入MCNP程序。為縮短計算時間和減少統計誤差，將硼玻璃屏蔽窗和鉛玻璃屏蔽窗按100 mm的厚度進行分層處理（如圖4所示），進行接續運行計算。并選擇其中的700、800、900、1000、1200和1500 mm共6個厚度進行模擬計算。選擇F5點注量計數器和DEn/DFn劑量卡，在操作廊側距屏蔽玻璃表面（中心）300 mm處計數。

圖3 屏蔽窗輻射屏蔽蒙卡模擬模型 Fig.3 Monte Carlo simulation model for radiation shielding of shielding window

圖4 MCNP分層模擬屏蔽玻璃示意圖Fig.4 Stratified MCNP simulation of shielding window

3 數據處理及分析

在操作廊側距離屏蔽窗（中心）300 mm處的測量點MCNP模擬劑量率為D ，單位為mSv·h-1（1個γ光子的貢獻）。根據137Cs的衰變機理，1次衰變放出2個光子，能量分別為0.662 MeV和0.184 MeV，其中0.184 MeV光子的能量分支比很小，可忽略不計。輻射源的活度A為7.05× 1014Bq。因此，測量點的模擬劑量率D0為：

式中，D0的單位為mSv·h-1。

分別對硼玻璃屏蔽窗和鉛玻璃屏蔽窗用MCNP進行蒙卡模擬，每種厚度MCNP模擬1億次源粒子輸運過程，則根據公式（1）模擬計算結果D0，見表4。

表4 不同厚度下硼玻璃和鉛玻璃測量點的劑量率Table 4 Dose rate of boron glass and lead glass under different thickness

不同厚度下的硼玻璃和鉛玻璃與測量點的劑量率關系如圖5所示。

由圖5可以看出，采用密度為2.5 g·cm-3的硼玻璃作為屏蔽玻璃時，隨著厚度增加，測量點的劑量率數值整體呈指數衰減趨勢。由表4可知，當硼玻璃厚度為800 mm時，測量點的劑量率為8.32 μSv/h；厚度為900 mm時，測量點的劑量率為1.43 μSv/h，小于2 μSv/h的劑量率限值；厚度大于900 mm時，測量點劑量率的衰減幅度受硼玻璃厚度增加的影響較小，變化趨勢平緩。所以，根據設計原則，在滿足測量點所在操作廊的劑量率限值要求的情況下，硼玻璃屏蔽窗的最小厚度應設定為900 mm。

圖5 硼玻璃及鉛玻璃厚度與測量點劑量率的關系Fig.5 Relationship between thickness of boron glass and lead glass with dose rate of measuring point

由圖5可以看出，采用密度為3.2 g·cm-3的鉛玻璃作為屏蔽玻璃時，隨著厚度增加，測量點的劑量率數值整體呈指數衰減趨勢。由表4可知，當鉛玻璃厚度為700 mm時，測量點的劑量率為6.63 μSv/h；厚度為800 mm時，測量點的劑量率為1.23 μSv/h，小于劑量率限值2 μSv/h；厚度大于800 mm時，測量點劑量率的衰減幅度受鉛玻璃厚度增加的影響較小，變化趨勢平緩。所以，根據設計原則，在滿足測量點所在操作廊的劑量率限值要求的情況下，鉛玻璃屏蔽窗的最小厚度應設定為800 mm。

4 結論

通過以常用的元素玻璃硼玻璃、鉛玻璃為屏蔽材料的屏蔽窗MC方法模擬結果可以表明：

（1）在同等厚度的屏蔽窗情況下，鉛玻璃屏蔽窗的屏蔽性能優于硼玻璃屏蔽窗。

（2）在達到操作廊屏蔽設計劑量率限值（小于2 μSv/h）要求的情況下，鉛玻璃屏蔽窗的最小厚度小于硼玻璃屏蔽窗。

（3）在綜合考慮模擬數據結果及輻射防護職業標準的情況下，產品容器轉運熱室與操作廊之間的屏蔽玻璃材質應選擇鉛玻璃，最小厚度應設定為800 mm。