鈾燃料芯塊表面及操作人員弱貫穿輻射劑量監測

陳斌 韋應靖 安世峰 王雨青

關鍵詞：鈾燃料芯塊;·H′（0.07）;·H?（10）;Hp（0.07）;Hp（10）

弱貫穿輻射劑量學是輻射防護劑量學的一個重要組成部分。弱貫穿輻射包括能量從60keV到接近4MeV的電子和能量小于15keV的光子[1]。弱貫穿輻射危害廣泛存在于核工業、放射醫學、核技術應用等諸多領域。雖然由于弱貫穿輻射在許多場合較易屏蔽，可減少對人員產生的外照射，但在弱貫穿輻射占較大份額且不便屏蔽的輻射場中工作的人員，其肢端、皮膚及眼晶體仍可能受到較大劑量的弱貫穿照射。國內前期大多在核電站開展大修期間場所和人員弱貫穿輻射調查[2-5]，在核燃料循環中，鈾礦的開采與加工、鈾同位素的富集與燃料加工制造、乏燃料后處理等，都會對工作人員產生γ、β射線的外照射[6]。隨著輻射防護要求的提高，對于這些工作場所和人員進行弱貫穿輻射調查與監測也已提上了日程。開展鈾燃料相關場所和人員弱貫穿輻射調查工作，了解現場輻射源項與弱貫穿輻射貢獻，可為評估工作人員皮膚受照情況，審視或制定相應的劑量監測程序提供基礎數據。同時還能了解不同作業場所和人員所受弱貫穿輻射劑量情況，這對于提高現場輻射防護水平、保障工作人員安全及經驗積累反饋具有積極的意義。

1鈾燃料表面及作業人員劑量監測

1.1鈾燃料芯塊表面β輻射監測

鈾燃料中的238U和235U兩種核素，在連續衰變中會發射最大能量為0.51MeV、1.10MeV、1.16MeV、1.29MeV、1.37MeV、1.43MeV和3.28MeV等β射線[7]。為了調查鈾燃料相關產品中的β輻射情況，選擇核電站使用的燃料芯塊進行測量，芯塊在封裝鋯管之前，對排列好的芯塊表面β能譜、H·?（10）和H·′（0.07）分別進行測量。

1.1.1測量儀器選取

在β能譜測量中，使用加拿大BTI公司生產的Microspec-2TM型β譜儀，其能量測量范圍為120keV～3MeV;選用美國Canberra公司生產的RADIAGEM2000型X、γ劑量率儀測量H·?（10）數值;選用中國輻射防護研究院研制的ZF-D7型定向劑量當量率儀[8]測量H·′（0.07）數值。

1.1.2測量儀器校準

使用中國輻射防護研究院放射性計量站的γ/X射線空氣比釋動能（防護水平）標準裝置，對測量所用RADIAGEM2000型X、γ劑量率儀進行了校準。經過校準得出：在40keV～1.25MeV范圍內，能量響應好于±20%;在10μSv/h～100mSv/h范圍內，相對固有誤差小于±10%。

使用中國輻射防護研究院放射性計量站的β射線吸收劑量標準裝置，對測量使用的ZF-D7型定向劑量當量率儀進行了校準。經過校準得出，其在10μSv/h～100mSv/h范圍內，相對固有誤差小于±15%，并分別給出了其在147Pm（β最大能量225keV）、85Kr（β最大能量687keV）、90Sr-90Y（β最大能量2.274MeV）輻射場中的校準因子Nβ。Nβ的計算公式如下：

式中，HT為標準裝置提供的H·′（0.07）約定真值，μSv/h或mSv/h;M為定向劑量當量率儀讀數，μSv/h或mSv/h。

1.1.3β能譜測量

為了調查鈾燃料芯塊發射的β射線能量分布范圍，使用Microspec-2TM型β譜儀測量燃料芯塊的β發射譜，測得β射線譜如圖1所示。由圖1可知，燃料元件表面β輻射最大能量可達2.3MeV，與圖2中90Sr-90Y核素發射的β射線能量分布范圍相近。因此，在對定向劑量當量率所測的鈾燃料表面H·′（0.07）數值修正時，可以選取該儀器在90Sr-90Y輻射場中的校準因子。

1.1.4劑量率測量

經燃料芯塊表面H·?（10）和H·′（0.07）測量，并對測量結果進行校準因子修正，計算得出H·?（10）和H·′（0.07）數值及比值關系，具體結果列于表1。由表1可知，燃料芯塊表面γ輻射貢獻的H·?（10）較低，但β輻射貢獻的H·′（0.07）較高，達到1.38mSv/h，測得H·′（0.07）/H·?（10）值可達36.3。因此，像鈾燃料芯塊這種存在較強高能β射線輻射的場所，輻射防護管理人員不僅需要監測給出場所H·?（10）值，還應監測給出工作場所的H·′（0.07）值。

1.2鈾燃料芯塊操作人員劑量監測

為了了解鈾燃料相關作業人員皮膚所受β輻射情況，在核電站使用的燃料芯塊封裝鋯管之前，對燃料芯塊操作人員的Hp（0.07）劑量進行了測量調查。

1.2.1Hp（0.07）劑量計選取

測量Hp（0.07）選取的是中國輻射防護研究院研制的ZF-P7型指環劑量計，該劑量計是專為測量弱貫穿輻射場所人體指端劑量Hp（0.07）設計的，其熱釋光元件由兩層組成，其中一層是較薄的LiF：Mg，Cu，P熱釋光材料，為活躍層;另外一層是較厚的未活化LiF材料，為基底層，其中添加有2%的石墨來阻止偽發光。指環上標有識別編號，佩戴方便舒適。

1.2.2Hp（0.07）劑量計校準

使用中國輻射防護研究院放射性計量站的β射線吸收劑量標準裝置，對ZF-P7型指環劑量計的輻射特性進行了測試。使用90Sr-90Y輻射場測試，測得劑量當量在100μSv～100mSv范圍內，指環劑量計的劑量響應好于±5%。使用147Pm、85Kr、90Sr-90Y三種β放射源測試指環劑量計能量響應特性，按85Kr能量點歸一，指環劑量計對三種放射源的β射線能量響應在0.8～1.2范圍內。對于角度響應，使用85Kr輻射場測試，按0°測量值歸一后，在±60°范圍內，其角度響應在0.8～1.0范圍內。經過測試證明該指環劑量計具有良好的批均勻性、重復性、劑量線性、能量響應和角度響應，其各項技術指標滿足標準EJ/T1178—2005[9]的要求，其用于弱貫穿輻射場中Hp（0.07）監測較好。

1.2.3人員劑量測量結果

選擇3位燃料芯塊操作人員，進行了手部劑量測量，在測量Hp（0.07）的同時，對胸部佩戴劑量計Hp（10）也進行了測量，3位工作人員每天工作6h，一個季度402h所受的輻射累積劑量測量結果列于表2。

由表2可以看出，燃料芯塊操作人員胸部佩戴的劑量計測得Hp（10）劑量較低，但是由于手部近距離操作燃料芯塊，其手部所受β輻射劑量較高，從而導致Hp（0.07）/Hp（10）值較大，比值最高達到了約130。根據表2中測量結果，說明燃料芯塊操作人員皮膚所受β輻射劑量較高，為了防止燃料芯塊操作人員皮膚燒傷事件發生，應加強對該類作業人員的弱貫穿輻射監測和防護。

2輻射防護用品對高能β射線防護效果

為了測量放射性工作人員穿戴的輻射防護用品弱貫穿輻射防護效果，對核電站工作人員穿戴的防護用品在90Sr-90Y輻射場中進行了測試。參考GBZ/T147—2002X射線防護材料衰減性能的測定[10]，以及相關的個人防護用品的弱貫穿輻射防護性能評價方法[11]，測量給出了防護用品對90Sr-90Yβ輻射的衰減比，其中衰減比是核輻射在經防護材料前后的輻射劑量率之比，即核輻射經防護材料衰減后減弱的倍數。測量結果列于表3，由表3可知，由于90Sr-90Y發射的高能β輻射穿透能力較強，防護人員工作時正常穿戴的防護用品對90Sr-90Y發射的高能β輻射衰減比在1.02～1.09之間。根據上述實驗測試結果可以說明，燃料芯塊操作人員穿戴同樣防護用品情況下，對燃料芯塊發射的高能β射線幾乎沒有防護效果。

為了了解部分防護用品對鈾燃料芯塊表面的弱貫穿輻射防護效果，使用中國輻射防護研究院研制的ZF-D7型定向劑量當量率儀測量了防護用品對鈾燃料芯塊表面的·H′（0.07）防護效果，測量結果列于表4。

由表4可知，由于燃料芯塊發射的高能β輻射穿透能力較強，如果工作人員穿戴1層細紗手套或1層乳膠手套對燃料芯塊表面的H·′（0.07）衰減比為1.1。根據上述實驗測試結果可以說明，燃料芯塊操作人員穿戴同樣防護用品情況下，對燃料芯塊發射的高能β射線幾乎沒有防護效果。

另外，使用中國輻射防護研究院研制的ZFD300型定向劑量當量率監測儀測量了一種防護眼鏡對H·′（3）防護效果，測量結果表明該防護眼鏡對H·′（3）防護衰減比為2.3。

3建議

根據燃料芯塊表面劑量率監測結果、操作人員劑量監測結果、以及輻射防護用品防護效果測量結果，對鈾燃料相關場所及操作人員提出以下監測和防護建議：

（1）燃料芯塊表面β輻射能量高且劑量率大，經測量燃料芯塊表面H·′（0.07）最高達到了1.38mSv/h，而工作人員操作時戴的細紗手套對該高能β射線幾乎沒有輻射防護作用。國家標準GB18871中規定的皮膚年當量劑量限值為500mSv[12]，為了掌握操作人員手部所受弱貫穿輻射劑量情況，對于近距離操作鈾燃料的工作人員，除了常規監測Hp（10）外，還需同時對手部Hp（0.07）劑量進行監測。監測手部弱貫穿輻射劑量，可及時掌握操作人員皮膚所受弱貫穿輻射情況，把工作人員手部劑量控制在本單位的管理限值范圍內，如果出現手部劑量達到單位管理限值，應采取調整工作崗位等措施，以防止因人員操作過量造成手部皮膚燒傷的事件發生。

（2）對于鈾燃料相關操作人員，為了降低人員皮膚和眼晶體所受劑量，除了控制作業時間還可以增加屏蔽防護。在燃料元件操作臺上方安裝一層厚度為5mm的有機玻璃防護體，其可以屏蔽鈾燃料發射的絕大部分β射線，降低β射線對操作人員產生的外照射，這樣就可以減少人員手部之外的皮膚和眼晶體所受的弱貫穿輻射劑量，降低皮膚燒傷和白內障的風險。

（3）對于手部β射線防護，需要研究新型材料制作輻射防護手套，為了方便工作人員操作燃料芯塊，該手套需柔軟且穿戴舒適，能夠較好地防護高能β射線，且在高能β輻射場中產生軔致輻射較少。目前，國內研發的部分防護裝備對β射線的防護效果較好，例如，中國輻射防護研究院研發的含鎢防護手套對90Sr-90Y高能β射線的防護比例達到-79%;北京邦維高科新材料科技股份有限公司研發的核沾染射線防護服，其四肢部位對90Sr-90Y高能β射線的防護比例達到-65%。評價防護效果的防護比例η計算公式如下：

式中，H0為未加防護材料時測量儀器的讀數，μSv/h或mSv/h;H1為加防護材料后測量儀器的讀數，μSv/h或mSv/h。

（4）有關監管部門應加強高β輻射場所工作人員的職業健康管理，應要求輻射防護負責人公示高β輻射場所H·′（0.07）值。同時要求用人單位應對該場所工作人員開展Hp（0.07）和Hp（3）監測，并將劑量監測數據歸入工作人員個人劑量檔案中。