王　強(qiáng)

(中國核動力研究設(shè)計院，成都　610213)

· 環(huán)境輻射 ·

淺談重離子加速器應(yīng)用放射性污染防治措施

王強(qiáng)

(中國核動力研究設(shè)計院，成都610213)

針對重離子加速器運行過程中產(chǎn)生的各類放射性污染物，從輻射防護(hù)措施、放射性廢物治理措施、輻射安全措施和輻射防護(hù)監(jiān)測4個方面分別進(jìn)行了放射性污染防治措施的討論。得出只要嚴(yán)格實施了各項放射性污染防治措施的要求后，放射性工作人員及公眾的人身安全是可以保證的，輻射區(qū)域周圍的環(huán)境是安全的。同時，也為輻射環(huán)境管理提供了科學(xué)依據(jù)。

重離子加速器;放射性污染防治;輻射防護(hù)

隨著重離子加速器研究的迅速發(fā)展，近年來其在我國獲得了較為廣泛的應(yīng)用。離子加速器可進(jìn)行合成新核素、核科學(xué)研究、重離子治癌、輻照材料、輻照生物技術(shù)等方面的實踐活動。其在為社會帶來利益的同時，也會對放射性工作人員以及公眾產(chǎn)生一定的輻射安全問題，同時，對輻射區(qū)域周圍的環(huán)境也會帶來一些的風(fēng)險。因此，我們應(yīng)該重視并做好重離子加速器放射性污染防治問題。

1　重離子加速器簡介

重離子加速器就是通過電磁場提高重離子能量的裝置，重離子是指重于2號元素氦并被電離的粒子。被加速重離子的能量可達(dá)幾十MeV，甚至幾百MeV以上。

重離子加速器主要包括3個部分：帶電重離子的產(chǎn)生機(jī)構(gòu)、加速及束運機(jī)構(gòu)和重離子束引出機(jī)構(gòu)。比如蘭州重離子研究裝置(HIRFL)主體包括離子源、低能束運線、回旋加速器、中能束運線、同步加速器、高能束運線和束流終端等。

重離子加速器工作原理簡述如下：①離子源的產(chǎn)生：在離子源腔體中通入含有待加速核素的氣體分子，與吸收微波能量的熱電子碰撞，通過多次電離碰撞過程產(chǎn)生多電荷態(tài)離子，在引出過程中利用分析磁鐵篩選，得到所需要的待加速核素的離子束;②離子束的加速：離子束經(jīng)低能束運線注入到回旋加速器，被加速到某一特定能量后被引出；通過中能束運線注入到同步加速器(主加速器)，然后被加速到設(shè)定的高能狀態(tài)后被引出;③離子用于終端實踐：高能離子通過高能束線線傳輸?shù)浇K端，在應(yīng)用終端室進(jìn)行實踐活動。

重離子加速器運行會產(chǎn)生瞬時輻射和感生放射性影響。其中，瞬時輻射是指重離子束、重離子與結(jié)構(gòu)材料發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級中子、γ射線等輻射。對重離子加速器的瞬發(fā)輻射場起著決定性作用的是次級中子，其它瞬發(fā)輻射如γ射線等，其對屏蔽體外劑量率的貢獻(xiàn)與中子相比可以忽略。因此，重離子加速器對室外的輻射影響途徑是次級中子貫穿輻射外照射，以及由通風(fēng)系統(tǒng)排出的感生放射性核素的輻射影響。

2　重離子加速器應(yīng)用舉例

2.1重離子加速器治癌一例

我國第一臺淺層重離子治癌裝置已在中科院蘭州近代物理研究所研制成功。它代表了放射治療領(lǐng)域中的最先進(jìn)技術(shù),日前該項目即將于年內(nèi)在甘肅省腫瘤醫(yī)院首次應(yīng)用于人體臨床治療。

重離子在治療鼻竇癌、前列腺癌和肉瘤的效果很顯著,局部控制率分別達(dá)到87%、92%和58%,而放射性治療是21%、60%和28%。它與目前使用的X和Y放射治療疾病相比,其最大特點是殺傷力大、準(zhǔn)確、不會與正常組織發(fā)生沖突。

2.2重離子加速器育種一例[1]

用劑量為30Gy、90Gy 和180Gy的12C6+重離子輻照油菜干種子，研究其對油菜M1 代的誘變效應(yīng)。結(jié)果表明不同劑量12C6+重離子輻照使油菜的出苗率、株高和開花率有不同程度的提高，并使開花期提早；30Gy輻照使單株角果數(shù)和單株產(chǎn)量有了一定程度的提高；3種輻照劑量都造成了花粉生活力、千粒重和含油量的降低。RAPD(隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA標(biāo)記)擴(kuò)增結(jié)果表明，42 個隨機(jī)引物中有 13 個引物擴(kuò)增出差異條帶，30 Gy、90 Gy 和 180 Gy 引起的 RAPD 變異率分別為 22.1%、23.7%和 36.2%。研究表明，12C6+重離子輻射能有效地引起油菜DNA序列發(fā)生改變，從而誘導(dǎo)基因變異，為油菜育種提供豐富的種質(zhì)材料。

3　放射性污染防治措施

3.1輻射防護(hù)措施

3.1.1機(jī)房的輻射防護(hù)措施

重離子加速器機(jī)房(包括應(yīng)用終端室)應(yīng)選在環(huán)境較為偏僻或獨立的位置，周圍有足夠的空間，可用于將來的發(fā)展建設(shè)，也利于布局主動，減少防護(hù)成本，同時也便于對它的管理和監(jiān)測。

重離子加速器機(jī)房應(yīng)設(shè)計為足夠厚度的重混凝土墻體，關(guān)鍵屏蔽位置可考慮使用鑄鐵塊或鉛磚，以滿足整個屏蔽體外劑量率控制水平(如：2.5μSv/h)的要求。

對于重離子加速器機(jī)房的屋頂應(yīng)考慮因天空大氣的反散射所造成的對機(jī)房周圍環(huán)境的輻射影響。機(jī)房屋頂屏蔽結(jié)構(gòu)也應(yīng)設(shè)計為同機(jī)房側(cè)墻厚度相當(dāng)?shù)闹鼗炷?，這樣可不予考慮因天空大氣的反散射所造成的對機(jī)房周圍環(huán)境的輻射影響。

此外，重離子加速器機(jī)房的輻射防護(hù)還應(yīng)注意以下問題：①穿過屏蔽墻的通風(fēng)管道、電纜管道、輻照材料的傳輸管道等，取向時應(yīng)盡可能避開輻射源和工作人員經(jīng)常停留的地點，管道應(yīng)彎成“S”形或“U”形，并考慮增加管道處的屏蔽措施，如用鉛、含硼聚乙烯包裹管道或使用混凝土屏蔽擋板；②為防止防護(hù)門輻射泄漏，門與墻、門與地面、通風(fēng)口屏蔽板與墻的重疊寬度至少為空隙的10倍。

3.1.2迷宮和防護(hù)門的輻射防護(hù)措施

由于重離子加速器高能束流主要損失在應(yīng)用終端室，且應(yīng)用終端室外工作人員活動相對頻繁。因此，應(yīng)用終端室迷宮及防護(hù)門是輻射防護(hù)措施考慮的一個重點。

設(shè)計時可考慮采取阻止中子進(jìn)入迷宮的方式，就可以減少防護(hù)門的厚度，甚至完全取消防護(hù)門。①迷宮內(nèi)口位置應(yīng)避開來自靶上的直接照射，或避開輻射發(fā)射率峰值的方向；②為了有效地減弱輻射，迷宮應(yīng)帶有幾個拐彎；③在滿足使用要求的情況下，迷宮的橫截面積應(yīng)盡可能小一些，有時為了節(jié)省建筑費用或空間，或為了補(bǔ)償由于通道造成的屏蔽墻體總減弱效果的降低，可在迷宮內(nèi)口或外口外側(cè)設(shè)置附加屏蔽；④中子經(jīng)過迷宮的第一個彎道主要降低了快中子成分，在以后的彎道中，熱中子是主要的，在外口附近，已基本上是熱中子。因此，為了減小迷宮外口的中子劑量，在迷宮外口的內(nèi)表面和防護(hù)門的里側(cè)貼一層對熱中子吸收截面較高的材料(如含硼聚乙烯板)是很有效的[2]。

一般情況，中子經(jīng)過迷宮后的衰減效果，與通過屏蔽墻的衰減效果相當(dāng)，不減弱整個重離子加速器應(yīng)用終端室的輻射防護(hù)效果。

3.2放射性廢物治理措施

3.2.1氣體感生放射性治理措施

重離子加速器運行期間的機(jī)房及應(yīng)用終端場所，次級中子與空氣中的氮、氧、氫等通過熱中子俘獲、(n, 2n)和散裂等反應(yīng)產(chǎn)生的放射性核素，見表1。

表1　空氣活化產(chǎn)生的放射性核素

由于半衰期小于1min的放射性核素在人員進(jìn)入加速器機(jī)房前，可能衰變到可忽略的水平，而長半衰期核素產(chǎn)生率又是相當(dāng)?shù)牡?，因此，實際上需要考慮的放射性核素主要為11C、13N、15O和41Ar四種。

為了控制氣載放射性的危害，機(jī)房應(yīng)設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)。通風(fēng)系統(tǒng)的排氣口應(yīng)安裝在建筑物外面，并遠(yuǎn)離進(jìn)氣口，以防止排出氣體的返流污染。通風(fēng)設(shè)計應(yīng)保證機(jī)房為負(fù)壓狀態(tài)，以避免有害氣體擴(kuò)散到其他區(qū)域。排風(fēng)速率一般要求為3～5次/h。

在重離子加速器出束期間，加速器機(jī)房不進(jìn)行通風(fēng)換氣，停機(jī)后讓其再衰變一段時間，以使空氣中產(chǎn)生的感生放射性核素自然衰變消減。但若應(yīng)用終端室需有人員在出束期間滯留時，應(yīng)單獨進(jìn)行通風(fēng)換氣。另外，為了減少放射性微塵的產(chǎn)生，進(jìn)氣應(yīng)先過濾，以保證排出氣載放射性物質(zhì)的總量和濃度不超過國家的法律規(guī)定。

在進(jìn)行檢修、維護(hù)等需要進(jìn)入加速器機(jī)房時，先對工作場所進(jìn)行通風(fēng)換氣和延長衰變時間，可有效降低感生放射性對進(jìn)入工作人員的輻射影響。

3.2.2冷卻水感生放射性治理措施

重離子加速器所用設(shè)備冷卻水為去離子水，循環(huán)使用，不外排。冷卻水因受次級粒子的照射而活化，主要是中子引起水中16O的散裂反應(yīng)產(chǎn)生放射性核素，見表2。

表2　16O散裂反應(yīng)產(chǎn)生的放射性核素

加速器使用循環(huán)冷卻水，水中可能會含有較高的放射性。在加速器運行期間，循環(huán)系統(tǒng)的某一部分可能使附近的人員受到照射，因此循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)避開可能使工作人員受到照射的區(qū)域，或置于控制區(qū)內(nèi)。即使正常運行期間被活化的水對人體的危害是不重要的，但在停機(jī)后檢修水系統(tǒng)時，殘余放射性也可能對人體造成危害。因此，人員進(jìn)入這些區(qū)域時應(yīng)進(jìn)行輻射監(jiān)測，必要時，在循環(huán)泵、熱交換器和貯水箱的周圍采取屏蔽措施。

另外，應(yīng)該注意幾點：①由于管壁的長期腐蝕和泵、閥門的磨損等原因，可能有其它的長壽命放射性核素?fù)饺肜鋮s水；②應(yīng)防止放射性水的泄漏，以減少對環(huán)境的污染；③注意去離子樹脂中長壽命放射性核素的積累。替換下來的樹脂，要作為放射性廢物處置；④冷卻水若要排放，需采取衰變凈化措施，并在排放前監(jiān)測，應(yīng)滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)第一類污染物最高允許排放濃度標(biāo)準(zhǔn)要求(總β≤10Bq/L)。

3.2.3結(jié)構(gòu)材料感生放射性治理措施

重離子加速器結(jié)構(gòu)材料的感生放射性主要是由重離子直接與結(jié)構(gòu)材料相互作用產(chǎn)生的，主要產(chǎn)生在可能的束流損失點，包括回旋加速器引出口，同步環(huán)注入口、引出口、束流閘等部位。加速器結(jié)構(gòu)部件材料多為銅、鋁合金或不銹鋼。

結(jié)構(gòu)部件的感生放射性水平取決于加速重離子的種類、能量、束流強(qiáng)度、靶材料的性質(zhì)和運行時間等多種因素。在加速器運行期間，由于有足夠的結(jié)構(gòu)屏蔽，由結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生的感生放射性不會危害到屏蔽體外的工作人員。而在停機(jī)后，工作人員為了檢查、維護(hù)維修而進(jìn)入加速器機(jī)房時，則可能受到輻射危害。但加速器結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生的感生放射性核素多為短半衰期核素，在加速器停機(jī)后冷卻一段時間再進(jìn)行加速器的檢查、維護(hù)維修工作，可有效減少工作人員受到的照射劑量。

需要注意的是，一些長壽命的核素會隨著重離子加速器運行時間的增加而積累，因此，每年要對加速器部件的感生放射性水平至少進(jìn)行一次調(diào)查，監(jiān)測輻射水平。對預(yù)計可能產(chǎn)生很強(qiáng)感生放射性的部件，應(yīng)設(shè)計成可快速拆卸的，否則應(yīng)采取屏蔽或其他防護(hù)措施[2]。

一般情況，帶感生放射性的結(jié)構(gòu)部件可暫存于重離子加速器機(jī)房內(nèi)的放射性固體廢物暫存間。最終，按國家相關(guān)法律法規(guī)的規(guī)定，送交城市放射性廢物庫。

3.3輻射安全措施

為防止輻射安全事故的發(fā)生，重離子加速器可采取以下輻射安全措施。

3.3.1安全聯(lián)鎖：①門機(jī)聯(lián)鎖：“束流閘”與輻射區(qū)的門聯(lián)鎖，即某一區(qū)域有束流時，人員不能進(jìn)入該區(qū)域；而在某一區(qū)域有人員時，束流不能被送到相應(yīng)區(qū)域；②劑量聯(lián)鎖：進(jìn)入輻射區(qū)域的門與現(xiàn)場劑量監(jiān)測信號和個人劑量聯(lián)鎖。即某一區(qū)域有束流時(此時監(jiān)測到有輻射劑量)或即便在無束流的狀態(tài)但區(qū)域輻射劑量超過所設(shè)閾值時，人員也不能進(jìn)入該區(qū)域；個人劑量聯(lián)鎖可以保障受照劑量超過年劑量限值的工作人員不能進(jìn)入放射性工作區(qū)域。

3.3.2緊急停機(jī)：在重離子加速器機(jī)房等場所的方便位置均勻布設(shè)“緊急停機(jī)按鈕”，在人員來不及離開或者在加速器開機(jī)之后仍有工作人員在大廳內(nèi)的緊急情況下，可就近按下“緊急停機(jī)按鈕”來切斷加速器運行,防止或盡量減少人員的受照劑量。

3.3.3“清場”確認(rèn)按鈕：“清場”確認(rèn)按鈕均勻分布于加速器機(jī)房中, 主要功能為在加速器準(zhǔn)備開機(jī)前進(jìn)行整個加速器機(jī)房的安全巡檢(即清場)活動時，以便發(fā)現(xiàn)未離場人員。巡檢一圈后，“清場”確認(rèn)按鈕將被全部打開。此時，加速器才可運行。

3.3.4警告警示裝置：在人員通道、輻射區(qū)域門口、控制室等地方設(shè)置輻射標(biāo)志牌、運行狀態(tài)顯示燈、廣播音響等警告警示裝置，直觀、明顯地顯示加速器的工作狀態(tài)、束流走向和工作模式，以及各處的劑量水平等信息，防止人員受到誤照射。

3.3.5分區(qū)管理：為便于輻射防護(hù)管理和職業(yè)照射控制，根據(jù)GB18871-2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》[3]的規(guī)定，采用實體邊界劃定控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)：①控制區(qū)：回旋加速器大廳、同步環(huán)大廳、應(yīng)用終端室；②監(jiān)督區(qū)：控制室。

3.4輻射防護(hù)監(jiān)測

輻射防護(hù)監(jiān)測包括工作場所監(jiān)測、個人劑量監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測3個方面。

3.4.1工作場所監(jiān)測：在重離子加速器的輻射區(qū)及周圍布置若干個監(jiān)測點, 每個監(jiān)測點由一臺中子探測器和一臺γ探測器組成。

3.4.2個人劑量監(jiān)測：建立個人劑量監(jiān)測系統(tǒng)，能夠及時給出實時劑量率、工作人員受照劑量、累計工作時間并具有報警功能。

3.4.3環(huán)境監(jiān)測：在重離子機(jī)房外四周，設(shè)置幾個監(jiān)測站，每個站內(nèi)設(shè)置中子、γ探測器各一個，實時測量環(huán)境中子、γ輻射水平。

3.5輻射防護(hù)監(jiān)測安全性評估舉例[4]

蘭州重離子研究裝置運行多年，對其屏蔽體周圍的中子、γ輻射水平、工作人員個人劑量，周圍環(huán)境水、土壤、植物等介質(zhì)中的總α、總β放射性水平的監(jiān)測結(jié)果如下：

3.5.1個人劑量監(jiān)測：根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，1986年～1999年，14年間γ外照射工作人員年人均有效劑量值范圍為0.03mSv～0.18mSv，遠(yuǎn)低于國家放射防護(hù)劑量限值[3]規(guī)定的年個人有效劑量值20msv的限值。

3.5.2機(jī)房屏蔽墻外的監(jiān)測：在加速器運行期間，當(dāng)加速離子為12C時，屏蔽墻外表面γ輻射水平為(8.7～18.3)×10-2μSv/h，是天然本底水平(蘭州地區(qū)天然本底水平:室外為(11～13)×10-2μSv/h；室內(nèi)為(23～17)×10-2μSv/h)。屏蔽墻外中子水平為(l～35)×10-2μSv/h，略高于天然本底，但也低于國家標(biāo)準(zhǔn)(2.5Sv/h)。

3.5.3環(huán)境介質(zhì)放射性水平監(jiān)測：通過對研究單位內(nèi)及附近的排水、土壤和植物等樣品的總α、總β放射性進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測周期為2～3個月一次，共監(jiān)測29次?？芍瑔挝慌懦龅奈鬯派湫运降陀趪乙?guī)定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)(總α﹤0.5Bq/L，總β﹤1 Bq/L )，土壤、植物各取樣點與對照點的測量結(jié)果都在同一水平。

通過以上監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，蘭州重離子研究裝置的運行沒有造成環(huán)境的放射性污染，運行是安全的。

4　結(jié)　論

目前，我國重離子加速器機(jī)房及迷宮的屏蔽設(shè)計是由取得相關(guān)設(shè)計資質(zhì)的單位按照國家相關(guān)法律標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計的；放射性廢物治理系統(tǒng)、輻射安全系統(tǒng)和輻射防護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)也是由有資質(zhì)的設(shè)備提供商按照國家相關(guān)法律標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計安裝的，所以放射性污染防治系統(tǒng)應(yīng)該問題不大。而在實際運行過程中，存在著各種各樣的意外情況和問題，怎樣減少人為的操作失誤和違章作業(yè)就成了一個現(xiàn)實的問題，這是我們應(yīng)該注意到的。因此，進(jìn)一步提高相關(guān)工作人員的技能水平和輻射安全意識，也是放射性污染防治措施的一個關(guān)鍵方面。只有這樣，放射性工作人員及公眾的人身安全才是可以保證的，同時，輻射區(qū)域周圍的環(huán)境也才是安全的。

[1]侯歲穩(wěn).12C6+重離子輻照油菜誘變效應(yīng)研究[J].核技術(shù)，2008,31(6)：449-454.

[2]李德平,潘自強(qiáng).《輻射防護(hù)手冊》(第三分冊—輻射安全)[M].北京：原子能出版社，1990.105-118.

[3]GB18871-2002,中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]宋文杰. 蘭州重離子研究裝置輻射環(huán)境安全性評估[J].核技術(shù)，2003，26(9)：677-682.

Discussion on Radioactive Pollution Prevention and Control Measures of the Heavy Ions Accelerator Applications

WANG Qiang

(NuclearPowerInstituteofChina,Chengdu610213,China)

In this paper, various types of radioactive contaminants in the process of heavy ions accelerator operation generated from the radiation protection measures, control measures radioactive waste, radiation safety and radiation protection monitoring measures were discussed in four aspects of radioactive pollution prevention measures. The conclusion showed that, as long as strictly to implement the requirements of measures for the prevention and control of radioactive pollution, radioactive safety of staff and the public could be guaranteed, and the radiation environment around the area could be safe. Meanwhile, this paper provided scientific basis for the radiation environment management.

Heavy ions accelerator; radioactive pollution prevention and control; radiation protection

2014-10-13

王強(qiáng)(1981-),男,甘肅武都人,2007年畢業(yè)于蘭州大學(xué)粒子物理與原子核物理專業(yè),碩士研究生,工程師,從事環(huán)境影響評價工作。

X591

A

1001-3644(2015)01-0150-05