孫笑雨

現(xiàn)代的核測(cè)井技術(shù)具有探測(cè)精度高、探測(cè)周期短、經(jīng)濟(jì)性好并且不需要依賴多年地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，是測(cè)井技術(shù)發(fā)展的主要方向[1-7]。但是其核心部件—中子源具有放射性傷害，本文主要使用MCNP計(jì)算程序?qū)藴y(cè)井用中子源跌落后對(duì)工作人員的輻射劑量進(jìn)行計(jì)算。為核測(cè)井工作人員的輻射防護(hù)提供供參考。

本文主要使用基于蒙特卡羅方法的MCNP計(jì)算程序?qū)藴y(cè)井用中子源及中子源取用、運(yùn)輸、監(jiān)管的工作人員（包括車輛和倉(cāng)庫）進(jìn)行建模。我們可以通過具有強(qiáng)大三維建模功能的MCNP程序建立模型，參考實(shí)際工程中的各項(xiàng)參數(shù)完成了MCNP輸入卡的編寫，利用不同的模型獲取到了工作人員受照輻射的原始數(shù)據(jù)。

本文利用MCNP建立了兩個(gè)工作事故模型。通過參考實(shí)際核測(cè)井中子源的能量，建立工作人員誤靠近掉落镅-鈹中子源的模型來模擬工作人員在事故現(xiàn)場(chǎng)（中子源在核測(cè)井過程中掉落在地上的事故）受照的情況，計(jì)算其受到的輻射劑量；通過參考工程中中子源的運(yùn)輸情況，建立司機(jī)駕駛運(yùn)輸車模型來模擬計(jì)算中子源運(yùn)輸過程中若跌落在安全罐外后駕駛室司機(jī)所受的輻射劑量。

經(jīng)過模擬計(jì)算得出的數(shù)據(jù)誤差都在規(guī)定的百分之五以下，可以為工作人員安全施工提供借鑒。

1 工作人員靠近跌落的中子源模型

這個(gè)是工作人員靠近在作業(yè)中誤操作掉落的中子源的模型（也可以當(dāng)作路人靠近遺落核測(cè)井用中子源的模型）。因?yàn)樵诤藴y(cè)井作業(yè)中工作人員是通過電氣設(shè)備較遠(yuǎn)距離操作，所以工作人員作業(yè)時(shí)候并不會(huì)穿特制的防護(hù)服，而是簡(jiǎn)單的工作裝。所以將這兩種工作生活中的工況歸為一種模型在這里模擬。

運(yùn)用MCNP可以比較簡(jiǎn)略的模擬出人體的模型。本著盡量貼近現(xiàn)實(shí)的簡(jiǎn)化原則，人體的骨骼、肌肉、皮膚具有明顯的密度、物質(zhì)差異，所以將人的模型分為內(nèi)、中、外三層。最內(nèi)層就是骨骼層，中間層代表肌肉組織、內(nèi)臟組織，最外層代表著皮膚組織。而人體的三層組織的物質(zhì)組成和大致的幾何層次可以比較容易的在相關(guān)資料中查詢出來，將人體這三層結(jié)構(gòu)的平均值分別填充進(jìn)各自的層次中。如圖1所示，這是MCNP模擬出的簡(jiǎn)單的人體模型（中子源由于是點(diǎn)源，在圖中看不到）。

由于現(xiàn)實(shí)工作生活中的中子源尺寸和人體相比、和與人的距離相比，尺寸差著近似兩個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在這個(gè)模型中可以將柱狀的中子源直接用點(diǎn)源代替。這種幾何上與現(xiàn)實(shí)的差距對(duì)于運(yùn)算模擬結(jié)果的精確性沒有太大的影響。經(jīng)過模擬運(yùn)算后發(fā)現(xiàn)誤差是在允許的范圍內(nèi)[9]。

而源和人中間的距離空間，需要用空氣填充。由于空氣對(duì)于中子源放射出的中子具有不能忽視的阻礙作用，所以必須將空氣對(duì)中子源的阻礙作用考慮進(jìn)中子能量衰減過程中?？諝庵薪^大部分都是氧氣和氮?dú)?，所以空氣的含量直接用氮氧成比例表示，就可以相?dāng)程度上模擬仿真真實(shí)環(huán)境中，中子經(jīng)過空氣照射到人體上的過程中由于空氣的阻礙作用而帶來的能量衰減。

而源和人的中間的距離空間，需要用空氣填充。由于空氣對(duì)于中子源放射出的中子具有不能忽視的阻礙作用，所以必須將空氣對(duì)中子源的阻礙作用考慮進(jìn)中子能量衰減過程中?？諝庵薪^大部分都是氧氣和氮?dú)?，所以空氣的含量直接用氮氧成比例表示，就可以相?dāng)程度上模擬仿真真實(shí)環(huán)境中，中子經(jīng)過空氣照射到人體上的過程中由于空氣的阻礙作用而帶來的能量衰減。

MCNP中模擬計(jì)算出的人體所受的輻射劑量是Mev/g，但是在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和我們所熟知的相關(guān)規(guī)定中是用Sv/s或者Sv/h來表示人體所受的輻射劑量的。所以在后面的數(shù)據(jù)處理階段，會(huì)將MCNP運(yùn)算出的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量單位的換算，再跟國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和工作單位的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行對(duì)比。

在實(shí)際工作和生活中，中子源與工作人員的距離并不是一成不變的，所以在這個(gè)模型中，工作人員模型和點(diǎn)源的模型間的距離是一個(gè)改變的參量。為了更貼近現(xiàn)實(shí)生活中工作人員或者路人靠近中子源的時(shí)候做受到的輻射劑量，本文選取了一米、一點(diǎn)五米、兩米、兩點(diǎn)五米、三米......到十米這幾個(gè)等間距有代表性的距離來代表。

在這個(gè)模型中我們用誤差來表示模擬仿真和真實(shí)工作生活的模擬相似程度。為了保證仿真的相似度，規(guī)定模擬誤差不能超過百分之五。經(jīng)過十次運(yùn)算后，原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)如表1所示。

通過對(duì)原始數(shù)據(jù)的直觀觀察，我們可以明顯看出，隨著距離越遠(yuǎn)，人員所受到的中子源的輻射劑量明顯的呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。具體的變化在后面的數(shù)據(jù)處理中會(huì)有結(jié)果展現(xiàn)。

表1工作人員靠近中子源模型的MCNP運(yùn)算結(jié)果

2 司機(jī)駕駛運(yùn)輸車運(yùn)輸源的模型

圖2客車司機(jī)運(yùn)輸中子源的模型截圖

模型二是模擬的中子源的運(yùn)輸車在運(yùn)輸中子源的時(shí)候的工況。在現(xiàn)實(shí)中，運(yùn)輸中子源的車輛有嚴(yán)格的規(guī)定。但是由于有國(guó)家認(rèn)可的資質(zhì)保管及使用中子源的各種輻射監(jiān)測(cè)公司和國(guó)家相關(guān)事業(yè)單位眾多，車輛的具體型號(hào)大小并沒有統(tǒng)一的要求，所以在本模型的模擬中車輛的選擇就選用了中型的卡車（長(zhǎng)約5米）。這種型號(hào)在實(shí)際工作中較為常見，因此具有較強(qiáng)的代表性。從駕駛室工作人員的角度來考慮，其他型號(hào)的運(yùn)輸車輛對(duì)模擬仿真人體所受的輻射劑量的影響實(shí)際上主要體現(xiàn)在中子源和駕駛室工作人員的距離不同。車輛型號(hào)越長(zhǎng)越大，那么中子源和駕駛室工作人員的距離越遠(yuǎn)，駕駛室工作人員所受劑量就越小，人員就會(huì)越安全。為了涵蓋實(shí)際運(yùn)輸中中子源和駕駛室工作人員所受輻射劑量關(guān)系，在這個(gè)模型中，也取用2米、2.5米、3米、3.5米、4米……8米這幾個(gè)代表性的距離進(jìn)行估算。如圖2所示，用其中一個(gè)車輛運(yùn)輸模型（駕駛室人員和中子源距離5米距離的情況）來展現(xiàn)本模型建立的情況。

由于現(xiàn)實(shí)工作生活中的中子源尺寸和人體與車輛的長(zhǎng)度相比、和中子源距離人的距離相比，尺寸差著兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，所以在這個(gè)模型中可以將柱狀的中子源直接用點(diǎn)源代替。這種幾何上與現(xiàn)實(shí)的近似對(duì)于運(yùn)算模擬結(jié)果的精確性沒有明顯的影響。經(jīng)過模擬運(yùn)算后發(fā)現(xiàn)誤差是在允許的范圍內(nèi)。

在這個(gè)模型中同樣用誤差來體現(xiàn)此模型和真實(shí)中子源運(yùn)輸情況的模擬相似程度。為了保證模型和實(shí)際工況的相似程度，規(guī)定模擬誤差不能超過百分之五。為了將模擬誤差降到這個(gè)誤差之下，我們將MCNP模擬運(yùn)算的截?cái)喾绞皆O(shè)定為運(yùn)算時(shí)間截?cái)?分鐘（在MCNP代碼編輯中的代碼為—CTME 5，經(jīng)過試運(yùn)算，運(yùn)算截?cái)鄷r(shí)間截?cái)嗟?分鐘誤差已經(jīng)降到允許的范圍以內(nèi)）。

車的材料經(jīng)過廣泛的查詢資料，發(fā)現(xiàn)雖然不同型號(hào)不同品牌的運(yùn)輸車輛的材質(zhì)都不盡相同，但是基本的主要材質(zhì)為鐵、鋁、錳、鋼等。而且由于輻射源是中子源，不同于光子源、γ源等源，如果材質(zhì)不同則吸收屏蔽效果就會(huì)有明顯的差異。鐵、鋁、錳、鋼都是質(zhì)量數(shù)較大的材料，對(duì)于中子的屏蔽效果比較相近，所以車輛的材料就直接選用鐵來表示。如表2所示。

表2車皮材料元素的原子數(shù)、質(zhì)量數(shù)

經(jīng)過MCNP模擬運(yùn)算后，得出的原始數(shù)據(jù)如表3所示。

3 中子源庫模型

中子源庫模型：此模型模擬的是另外一處場(chǎng)地——源庫。由于現(xiàn)在中子源在儲(chǔ)存庫的取出和放入全部是由電腦操縱機(jī)器臂自動(dòng)存取。機(jī)器臂存取中子源存在意外掉落中子源在源庫地面上的情況。在正常情況下，中子源的是存儲(chǔ)在地下的，地下的存儲(chǔ)有完善的鉛屏蔽層，對(duì)工作人員的輻射都在安全范圍內(nèi)，但是當(dāng)出現(xiàn)這種中子源意外掉落在庫內(nèi)地面上的時(shí)候，假若沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)中子源未安全入庫的情況，那么中子源對(duì)庫外監(jiān)守源庫的工作人員的輻射劑量的多少就是未知的。模型四就是模擬的這個(gè)事故工況的中子源對(duì)庫外監(jiān)守源庫工作人員輻射情況[8]。

表3中子運(yùn)輸車運(yùn)輸中子源模型的計(jì)算數(shù)據(jù)

由于中子源庫的重要性和安全級(jí)別，庫外工作人員基本不會(huì)出現(xiàn)無人值守的情況，按正常的一天工作八個(gè)小時(shí)來估算工作人員受到的中子輻射劑量。由于現(xiàn)實(shí)工作生活中的中子源尺寸和常規(guī)中子源庫的大小、跌落中子源與監(jiān)守人員距離相比，尺寸差至少三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，所以在這個(gè)模型中也將柱狀的中子源直接用點(diǎn)源代替。這種幾何上與現(xiàn)實(shí)的近似對(duì)于運(yùn)算模擬結(jié)果的精確性沒有明顯的影響。經(jīng)過模擬運(yùn)算后發(fā)現(xiàn)誤差是在允許的范圍內(nèi)。

在這個(gè)模型中我們同樣用誤差來體現(xiàn)此模型和真實(shí)中子源運(yùn)輸情況的模擬相似程度。為了保證模型和實(shí)際工況的相似程度，規(guī)定模擬誤差不能超過百分之五。為了將模擬誤差降到這個(gè)誤差之下，我們將MCNP模擬運(yùn)算的截?cái)喾绞皆O(shè)定為運(yùn)算時(shí)間截?cái)?0分鐘（在MCNP代碼編輯中的代碼為—CTME 10，經(jīng)過試運(yùn)算，運(yùn)算截?cái)鄷r(shí)間截?cái)嗟?0分鐘誤差已經(jīng)降到允許的范圍以內(nèi)）。

墻壁的材料用混凝土填充，常規(guī)混凝土的參數(shù)在混凝土資料中可以查詢到。由于事故發(fā)生的不確定性，跌落中子源與庫外監(jiān)守人員的距離要取多個(gè)數(shù)值來模擬。如表4所示。

表4中子源庫模型中中子源、源庫墻壁、監(jiān)管人員間的距離及墻壁厚度

圖3倉(cāng)庫監(jiān)守人員監(jiān)守倉(cāng)庫模型的截面圖

中子源放射出的放射性中子，對(duì)人體的輻射損傷最大的地方是含水量最多的眼睛部分，而且中子源庫的庫外監(jiān)守工作人員平常監(jiān)守上班期間是不穿鉛衣、不帶防護(hù)鏡的，所以為了更好地模擬出人體最易受損的眼睛的輻射劑量，所以這里的人體模型用的是模型一中人體模型（即裸露的人體模型）。

中子源庫的墻根據(jù)使用的建筑材料的不同，各成分的含量都不盡相同，造成的對(duì)中子源輻射的屏蔽效果也不一樣。在這里參考了地球巖石圈的成分含量組成填充的中子源庫的墻壁。如圖3所示。

通過MCNP的運(yùn)算后得到輻射的原始數(shù)據(jù)如表5所示。

表5中子源庫監(jiān)守中子源模型中MCNP運(yùn)算的數(shù)據(jù)結(jié)果

4 工作人員靠近源模型的數(shù)據(jù)處理

從MCNP運(yùn)算的能量累積量開始到輻射劑量mSv/s與上文的轉(zhuǎn)化過程一致，需要注意的是每年輻射量的計(jì)算。在工作人員靠近中子源的模型中，工作人員在取用中子源的時(shí)候有一個(gè)過程。首先他們查看中子源是否在儲(chǔ)存裝置中，然后才是取

中子源出來，而且將中子源交給測(cè)井人員也需要一個(gè)過程。預(yù)計(jì)每次存取放射源接觸放射源的時(shí)間按10分鐘記，每年存取中子源達(dá)到200次，則每年接觸放射源的時(shí)間在33小時(shí)。根據(jù)對(duì)存取放射源的過程進(jìn)行分析工作人員距離中子源2m處(用長(zhǎng)柄工具后源與工作人員的距離至少2米)的操作時(shí)間總計(jì)約為16小時(shí)。如表6所示。

表7運(yùn)輸車運(yùn)輸中子源模型的數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖4工作人員受到的輻射的輻射劑量率與距離的關(guān)系

圖5運(yùn)輸車運(yùn)輸中子源模型中輻射盡量率與距離的關(guān)系

使用origin7.5對(duì)處理后的而數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合如圖4。

取輻射最強(qiáng)的距離2米時(shí)候估算一年的輻射劑量為1.617 75×+01這個(gè)值已經(jīng)明顯小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)輻射崗位工作人員一年所受輻射量不得大于50mSv/a，而且小于五年平均上限20mSv/a.工作人員是安全的。

5 運(yùn)輸車運(yùn)輸中子源模型的數(shù)據(jù)處理

假設(shè)司機(jī)每天運(yùn)輸一次放射源，時(shí)間30分鐘。如表7所示。

使用origin7.5對(duì)處理后的而數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合如圖5。

由圖5可知，司機(jī)收到的最大輻射量這個(gè)值已經(jīng)明顯小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)輻射崗位工作人員一年所受輻射量不得大于50mSv/a，而且明顯小于五年平均上限20mSv/a。司機(jī)是安全的。