中子活化反應核技術項目輻射環境影響研究

關鍵詞：中子活化反應；中子發生器；輻射環境影響；蒙特卡洛

前言

核測井中使用的中子源有同位素中子源和加速器中子源兩大類，前者發射的中子平均能量為4～5Mev，而后者發射能量為14MeV的中子，文章使用的中子發生器所采用的是加速器中子源。中子發生器是一種小型的加速器中子源，具有源強較高、質量較輕、方便攜帶、釋放單能中子、停電后無輻射危害等優點，特別是可以靠外部觸發信號以脈沖方式發射中子，當信號停止之后，中子立刻停止釋放，輻射影響隨之消失。

文章研究的中子發生器測井試驗項目在地下密閉的實驗室內進行試驗，打靶過程中會產生產額為1.2x108n/s的14MeV的中子，因此對周圍環境會產生輻射環境影響。快中子與周圍物質產生中子活化反應，中子活化反應比較復雜，傳統的計算公式不能計算出活化核產生的y射線劑量率以及產生感生放射性核素的比活度，分析其輻射環境影響時僅能定性分析，簡單粗略估算。

文章通過使用基于蒙特卡洛方法的PHTIS軟件建模進行模擬，計算中子發生器打靶試驗期間中子對烘箱和屏蔽防護門產生感生放射性核素及其比活度，計算實驗室周圍關注點中子周圍劑量當量率和y輻射劑量率，并繪制實驗室周圍關注點周圍劑量當量率分布情況，以及計算職業人員及公眾年有效劑量，可為實際運行的中子發生器測井試驗項目采取輻射防護措施與人員劑量評價提供科學參考。

1工程分析及源項

1.1中子發生器工作原理

測井中子發生器由中子管和中子管外接電路組成，中子管是將離子源、加速系統、靶子以及氣壓調節系統密封在一個陶瓷或玻璃管內，形成一個小型的特種電真空器件，中子管可以在外接電路的控制下，由離子源產生氘離子，經加速后轟擊氚靶，與靶中的氚產生核反應，產生14MeV的怏中子。

1.2試驗流程及工程分析

中子發生器測井試驗項目具體試驗流程如下：（1）將中子發生器置于烘箱內接好電纜線，將烘箱推送至實驗室關閉屏蔽門；（2）用供電箱體和筆記本電腦對中子發生器進行供電和通訊控制，通過烘箱主機控制烘箱溫度，通過筆記本電腦控制中子發生器加壓打靶，中子發生器供電插頭與屏蔽門有效聯動；（3）當供電、控制、屏蔽都到位后，開始對中子發生器進行通電操作，室溫打靶（1個小時）測試完成后，開始做高溫打靶測試（4小時）；（4）高溫打靶測試完成后，關閉烘箱和中子發生器；（5）當中子打靶實驗完畢后，至少等待30min方可取出中子發生器。

中子發生器測井試驗項目的中子管產生的14MeV快中子產額最高為1.2×108n/s，每次出束打靶包含室溫打靶和高溫打靶且打靶時長共4h，每年打靶30次，年工作時間為120h。

1.3污染源項確定

快中子除與原子核發生非彈性散射外，還能與某些元素的原子核發生（n，a），（n，p）及（n，y）核反應。由這些核反應產生的新原子核（活化核），有些是不穩定的，以一定的半衰期衰變，并發射射線或y光子。中子發生器在打靶過程中會對周圍環境產生輻射環境影響，主要污染源項為中子發生器運行時產生的中子和活化核產生的y射線，在屏蔽體外可能對中子發生器操作人員及周圍公眾產生貫穿外照射；產生的中子與周圍物質相互作用，相關部件被活化后產生感生放射性核素。

1.4實驗室屏蔽相關參數

實驗室的內部尺寸為360cmx70cmx85cm，屏蔽防護門兩側為3cm的鋼板、中間為50cm含硼聚乙烯，頂棚的屏蔽體為30cm厚的混凝土和15cm厚土層，其余面屏蔽體為30cm厚的混凝土和200cm厚土層。

2蒙卡模擬計算

2.1建模

PHITS是在JAEA、RIST、KEK和其他幾個機構的合作下開發的通用蒙特卡羅粒子輸運模擬代碼。它利用幾種可靠的核反應模型和核數據庫，可以處理幾乎所有類型的粒子的傳輸。PHITS已被廣泛應用在加速器技術、放射治療、空間輻射以及輻射防護等技術領域。

文章使用PHTIS軟件建立加速器中子源、實驗室、烘箱、屏蔽防護門及屏蔽墻體的幾何模型，具體如圖1所示。烘箱內襯外膽、防護門內外側不銹鋼均為304不銹鋼，304不銹鋼的組成成分質量比分別為C（0.04%）、Si（0.5%）、P（0.023%）、S（0.015%）、Cr（19%）、Mn（1%）、Fe（70.1731%）、Ni（9.25070）。防護門中間材料為含硼聚乙烯，組成成分質量比比分別為B（15.64%）、H（11.44%）、C（72.92%）。

2.2模擬計算

模擬實驗中，程序設置中子產額為1.2x108n/s，每次打靶4h，每年打靶30次，一年共打靶時長為120h。

模擬計算打靶試驗運行1年后、打靶試驗運行10年后、打靶試驗運行40年后防護門和烘箱部件中子活化后產生的感生放射性核素及其比活度情況，具體如表1所示。模擬計算實驗室周圍中子周圍劑量當量率和^y輻射劑量率分布情況（單位：uSv/h），具體如圖2-圖3所示，模擬計算屏蔽墻體外關注點中子和y射線貫穿照射劑量率水平。

3現場監測

3.1監測儀器

此次y射線輻射劑量率監測選用便攜式X-y劑量率儀（FH40G-10主機+FH2672E-10探頭），中子周圍劑量當量率監測選用中子周圍劑量當量儀（FH40G-X主機+FHT762-10探頭）。監測儀器均經過檢定或校準，檢定或校準日期均在合格有效期內，能夠保證監測數據的準確。

3.2監測依據

依據《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB 18871-2002）和《輻射環境監測技術規范》（HJ 61-2021）以及《輻射防護儀器中子周圍劑量當量（率）儀》（GB/T 14318-2019）對實驗室及周圍環境進行y射線輻射劑量率和中子周圍劑量當量率監測。

3.3監測結果

中子發生器試驗打靶前進行了室內環境本底室外環境本底y射線輻射劑量率和中子周圍劑量當量率監測，

中子發生器試驗打靶過程中屏蔽體外關注點y射線輻射劑量率和中子周圍劑量當量率監測結果，具體見表3。

4輻射環境影響分析

4.1放射性固體廢物對環境影響分析

根據《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB 18871-2002）和《放射性廢物分類》中的相關規定，中子活化反應涉及的放射性核素的豁免活度濃度與豁免活度，具體見表2。

根據表3與表4模擬計算結果，并對照表7放射性核素的豁免活度濃度與豁免活度可知，烘箱和防護門被中子活化后產生的放射性核素比活度均遠低于其對應的豁免活度濃度，且每種放射性核素的活度濃度與其對應活度濃度上限值的比值之和小于1；烘箱的重量為20kg，防護門的重量為50kg，烘箱和防護門被中子活化產生的放射性核素活度小于其對應的豁免活度，因此中子活化后的屏蔽門、烘箱為豁免廢物或解控廢物。

4.2人員年有效劑量分析

此次采用的劑量估算公式如下：

4.2.1估算結果

蒙卡模擬和現場實測方式估算中子發生器試驗過程中職業人員及公眾年有效劑量結果見表3。

4.2.2結果分析

根據表3可知，蒙卡模擬和現場實測兩種方式估算的職業工作人員（操作人員）最大年有效劑量和公眾最大年有效劑量均滿足“工作人員的年有效劑量管理目標值不超過5mSv，公眾年有效劑量管理值不超過0.1mSv”的標準要求，且兩種方式估算最大年有效劑量結果均在同一水平。

4.3小結

為研究中子發生器測井試驗項目的輻射環境影響，以及為實際運行的中子發生器測井試驗項目采取輻射防護措施與人員劑量評價提供科學參考。文章使用基于蒙特卡洛方法的PHTIS軟件模擬了中子發生器測井試驗項目實際運行工況。

（1）根據模擬計算結果可知屏蔽門、烘箱被中子活化后產生的放射性核素活度均遠低于豁免活度，可作為豁免廢物或解控廢物。

（2）中子發生器測井試驗項目實驗室采取設計的輻射防護屏蔽后，蒙卡模擬和現場實測估算所致職業人員的最大年附加有效劑量分別為6.0×10-5mSv/a和8.4×10-4mSv/a，所致公眾最大年有效劑量分別為3.8×10-4mSv/a和3.7×10-4mSv/a，均符合《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB18871-2002）中規定的劑量限值和劑量管理限值要求。通過蒙卡模擬與現場實測兩種方式估算所致人員年有效劑量結果對比可知，利用蒙卡模擬方式估算年有效劑量是可行的。

（3）由中子周圍劑量當量率和^y輻射劑量率分布圖可知，中子源正對地下實驗室頂部區域劑量率較高，因此可適當增加該區域屏蔽厚度降低劑量率；安裝固定式中子和伽馬探測器時可選擇頂部劑量率較高區域，以便劑量超出設備的報警閾值時，及時自動切斷電源使中子發生器停機。

5結論

涉及中子活化反應的核技術利用項目，對輻射環境影響分析及評價時使用蒙特卡洛方法模擬計算，能夠較準確有效的計算包含中子和活化核產生的Y射線產生的貫穿外照射劑量率，進而估算出外照射所致職業人員及公眾年有效劑量；能夠直觀給出輻射防護屏蔽措施需要關注的點位；能夠計算出不同運行工況下產生的感生放射性核素的比活度，進而判斷活化后的部件是否需要當作放射性廢物處置。為環境影響評價階段提出科學有效的輻射安全防護和管理措施。