曾宇峰，滕柯延，楊洪生，張克新，宋薈竹，彭 浩

（1.中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司，廣元 628000；2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

緊湊式水泥固化裝置相較于傳統(tǒng)的水泥固化生產(chǎn)線，在處理少量、零星放射性廢液上具有裝置靈活、經(jīng)濟等優(yōu)勢［1］。為兼顧該裝置輕便靈活和運行輻射安全的要求，需精確了解相應(yīng)的輻射分布情況，精準推算屏蔽配置需求，從而促進優(yōu)化輻射防護設(shè)計。

該裝置運行時，輻射源處于一個動態(tài)變化的過程，非點源的輻射防護屏蔽計算公式都包含著特殊函數(shù)，需要查找特殊函數(shù)表或曲線，并加上反復(fù)試算才能確定，計算比較煩瑣［2，3］；且該裝置集成于一個標準集裝箱內(nèi)，需要較為精確的計算，才能在有限的空間和重量范圍內(nèi)使輻射水平盡量降低。

蒙特卡羅方法是目前廣泛使用的屏蔽計算方法，輻射屏蔽問題也是蒙特卡羅方法最早廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域之一［4］。MCNP程序是一個通用幾何、時間關(guān)聯(lián)、中子-光子-電子聯(lián)合輸運的蒙特卡羅輸運程序［5］，是由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發(fā)的。目前已有研究驗證了蒙特卡羅方法用于輻射防護的模擬計算的可行性及準確性，并利用MCNP軟件計算分析屏蔽體的尺寸及結(jié)構(gòu)對輻射屏蔽的影響，但國內(nèi)尚無針對緊湊式水泥固化裝置運行時輻射分布及屏蔽設(shè)計的研究。

因此，本文應(yīng)用蒙特卡羅（MCNP5）程序為緊湊式水泥固化裝置建立了屏蔽計算模型，并對不同工況下人員工作區(qū)域的光子注量率、γ劑量率等做了詳細計算，確定了工藝運行時，人員所受γ照射劑量率最大的工況。以此為基礎(chǔ)，參照××廠對個人劑量限值的要求，計算了不同厚度屏蔽體對輻射的屏蔽效果。

1 緊湊式水泥固化裝置

緊湊式水泥固化裝置示意圖如圖1所示，該裝置主要分為5個區(qū)域：（1）固化區(qū)，用于固化桶的進出、料液加注及混合攪拌等，工作人員會在固化區(qū)固化桶出桶位處進行固化桶轉(zhuǎn)運；（2）供料區(qū)，用于料液接收、調(diào)配、輸送等工藝，主要設(shè)備包括盛裝放射性廢液的供料槽及精確計量廢液的計量槽；（3）排風(fēng)區(qū)，用于壓空運行、排風(fēng)運行及尾氣處理等工藝；（4）工具區(qū)，用于檢修及過渡通道等；（5）操作區(qū)，為固化生產(chǎn)的操作控制室，是工作人員遠程操作的地點。

圖1 緊湊式水泥固化裝置Figure 1 Schematic diagram of compact cement curing device

緊湊式水泥固化裝置工藝流程如圖2所示。水泥預(yù)裝入固化桶，經(jīng)定位輸送至攪拌裝置；待固化廢液通過管道輸送至供料槽，經(jīng)調(diào)制和計量后，通過攪拌裝置的料液快速接口注入預(yù)裝水泥的固化桶中；攪拌裝置對固化桶中的水泥和料液進行混合攪拌，攪拌好的固化體經(jīng)劑量檢測后轉(zhuǎn)運至?xí)捍鎴龅剡M行養(yǎng)護。該工藝系統(tǒng)每批次可處理1.2 m3放射性廢液，生產(chǎn)400 L水泥固化體5桶。

圖2 緊湊式水泥固化裝置工藝流程Figure 2 Process flow of compact cement curing device

2 建立模型

對秦山核電、海南核電以及大亞灣核電進行調(diào)研，核電站進行水泥固化廢液的放射性活度濃度均在106Bq/L以下，結(jié)合××公司低放蒸殘液的放射性水平，見表1（××罐區(qū)低放蒸殘液的放射性水平），主要放射性核素為137Cs。因此本文采用放射性活度濃度4×106Bq·L-1、密度為1.06 g·cm-3的低放廢液進行計算，137Cs作為γ發(fā)射體核素。

表1 ××罐區(qū)低放蒸殘液的放射性水平Table 1 Radioactivity level of low level evaporative residues in××tank

緊湊式水泥固化裝置集成于標準集裝箱內(nèi)，集裝箱外形尺寸：12192 mm×2438 mm×2896 mm，材質(zhì)為不銹鋼。其中對除供料區(qū)以外區(qū)域的設(shè)備做了簡化處理，按最保守情況計算。供料槽及計量槽具體信息見表2。

表2 供料槽及計量槽具體信息Table 2 Specific information of feeding and metering tank

3 計算結(jié)果及說明

3.1 光子注量率計算

工藝運行期間，工作人員一直處于操作區(qū)，偶爾位于固化區(qū)外側(cè)桶輸出工位。根據(jù)工藝設(shè)計，將接收的廢液注入供料槽（每批次接收廢液的體積為1.2 m3），料液輸送至計量槽進行計量（按最大水灰比計算結(jié)果，計量槽每批次接收來自供料槽的廢液為0.2 m3），料液經(jīng)計量槽計量后，按設(shè)定好的工藝參數(shù)注入攪拌桶內(nèi)進行攪拌，形成水泥固化體。因此，人員受照劑量最大的工況可能為以下3種：（1）供料槽1.2 m3廢液，計量槽 0 m3廢液；（2）供料槽 1 m3廢液，計量槽 0.2 m3廢液；（3）供料槽 0.8 m3廢液，計量槽0.2 m3廢液，水泥固化體中廢液0.2 m3。對這3種工況分別進行光子注量計算。

3.1.1 工況1：供料槽1.2 m3廢液，計量槽0 m3廢液

如圖3所示，將計數(shù)器1設(shè)置在操作區(qū)與工具區(qū)間，空間大小為10 cm×240 cm×230 cm（x，y，z）的薄正六面體，采用 mesh 卡將其分為24×23=552塊進行計數(shù)；計數(shù)器2設(shè)置在固化區(qū)出桶位置處，與計數(shù)器1設(shè)置相同，采用mesh卡將其分為24×23=552塊進行計數(shù)，nps=E8。采用F4計數(shù)卡模擬穿過每個網(wǎng)格的注量。

圖3 工況1下源位置及計數(shù)卡圖Figure 3 Source position and counting card diagram under working condition 1

計算結(jié)果如圖4所示。工況1下，無論是在計數(shù)器1還是計數(shù)器2位置，注量的分布都集中在下半部分區(qū)域，這與工況1中的放射源主要集中在供料區(qū)的下半部分空間這一現(xiàn)狀相符。工況1中計數(shù)器1位置上的注量分布范圍為880～1320 cm-2，計數(shù)器2位置上的注量分布范圍為 410～630 cm-2。

圖4 工況1下注量分布圖（a：計數(shù)器1位置注量；b：計數(shù)器2位置注量）Fig.4 Distribution diagram of fluence under working condition 1（a：fluence of counter 1 position；b：fluence of counter 2 position）

3.1.2 工況2：供料槽1.0 m3廢液，計量槽0.2 m3廢液

工況2的計算與工況1計算采用相同的參數(shù)，如圖5所示。

圖5 工況2下源位置及計數(shù)卡圖Figure 5 Source position and counting card diagram under working condition 2

計算結(jié)果如圖6所示。與工況1相比，工況2無論是在計數(shù)器1還是計數(shù)器2位置上，注量的分布均往上進行了偏移，這是因為工況2中的放射源為供料槽及計量槽，且計量槽在空間位置上比供料槽高，造成了該工況下整體注量分布上移。工況2中，計數(shù)器1位置上的注量分布范圍為840～1220 cm-2，計數(shù)器2位置上的注量分布范圍為520～800 cm-2。

圖6 工況2下注量分布（a：計數(shù)器1位置注量；b：計數(shù)器2位置注量）Fig.6 Distribution diagram of fluence under working condition 2（a：fluence of counter 1 position；b：fluence of counter 2 position）

3.1.3 工況3：供料槽0.8 m3廢液，計量槽0.2 m3廢液，水泥固化體中廢液0.2 m3

用于固化的鋼桶為400 L鋼桶，桶高105 cm，內(nèi)徑 70 cm，壁厚 0.2 cm［6］。按照固化桶填充率85%，水灰比（質(zhì)量比）0.55，水泥密度3.10 g·cm-3計算，得到固化后的水泥固化體密度2.1 g·cm-3，水泥固化體高度84 cm。工況3的計算與工況1計算采用相同的參數(shù)，如圖7所示。

圖7 工況3下源位置及計數(shù)卡圖Figure 7 Source position and counting card diagram under working condition 3

計算結(jié)果如圖8所示。工況3中，計數(shù)器1位置上的注量分布范圍為771～1090 cm-2，這低于工況1、工況2對計數(shù)器1位置的貢獻；計數(shù)器2位置上的注量分布范圍為787～1070 cm-2，這高于工況1、工況2對計數(shù)器2位置的貢獻。

圖8 工況3下注量分布（a：計數(shù)器1位置注量；b：計數(shù)器2位置注量）Fig.8 Distribution diagram of fluence under working condition 3（a：fluence of counter 1 position；b：fluence of counter 2 position）

3.2 劑量計算

劑量計算是屏蔽設(shè)計的基礎(chǔ)，通過de、df實現(xiàn)不同位置注量到劑量的轉(zhuǎn)換。由3.1節(jié)可知，工況1貢獻在計數(shù)器1位置的注量大，工況3貢獻在計數(shù)器2位置的注量大，因此分別對計數(shù)器1、計數(shù)器2位置的所受最大劑量進行計算。計算結(jié)果見表3。

表3 計數(shù)器1、計數(shù)器2位置上所受最大的劑量范圍（uSv·h-1）Table 3 The maximum equivalent dose range（uSv·h-1）received on the counter 1 and 2

3.3 屏蔽設(shè)計、計算及工程驗證

3.3.1 屏蔽設(shè)計

由于裝置高度集成于標準集裝箱，而集裝箱總重需小于其額定質(zhì)量，因此需在保障人員輻射安全的同時盡可能減少屏蔽體重量。本文考慮僅對集裝箱兩側(cè)進行屏蔽，以確保在裝置運行時操作區(qū)及固化桶出桶位處（主要存在人員轉(zhuǎn)運固化體）人員的輻射安全。對于裝置的另外兩側(cè)，可在運行時進行圍擋，用避免人員靠近的工程措施進行管控。

由3.2節(jié)可知，工況1下操作區(qū)人員受照射劑量最大，可達到 8.02～11.7 uSv·h-1，且在工藝運行時，工作人員一直處于操作控制區(qū)，參考××公司對個人劑量限值的要求，根據(jù)分區(qū)原則和分區(qū)限值，該區(qū)域γ劑量率需≤5 uSv·h-1，因此需要對靠近操作控制區(qū)一側(cè)進行鉛屏蔽。

工況3下固化桶出桶位處人員受到的最大照射劑量最大，可達 7.12～9.90 uSv·h-1，在工藝運行時，人員在此間歇性工作，該區(qū)域γ劑量率需≤20 uSv·h-1，因此對該區(qū)域不需采取屏蔽措施。

3.3.2 屏蔽計算

以工況1作為靠近操作區(qū)一側(cè)鉛屏蔽厚度的計算基礎(chǔ)，在供料區(qū)左側(cè)分別設(shè)計0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8 cm 厚的鉛進行計算。參照圖4a所示的注量分布圖，選定（-468.7，-35，95）作為貢獻給操作控制室工作人員的最大劑量點進行結(jié)果分析。

結(jié)果見表4：在（-468.7，-35，95）點，當鉛厚度增加到0.6 cm時，劑量率已＜5 uSv·h-1，因此在供料區(qū)左側(cè)屏蔽層采用0.6 cm厚度的鉛。

表4 不同鉛厚度下（-468.7，-35，95）點處劑量率Table 4 Equivalent dose rate at points（-468.7，-35，95）under different lead thicknesses

本文統(tǒng)計了三種人員可能受照劑量最大的工況，計算了關(guān)注位置的注量分布及劑量范圍。結(jié)果表明，位于操作控制區(qū)的人員，受工況1輻射場影響大，依據(jù)個人劑量限值要求，需對該位置進行0.6 cm的鉛屏蔽，以達到劑量率＜5 uSv·h-1的目的；位于固化區(qū)出桶位置的人員，受工況3輻射場影響大，但并未超過公司對該區(qū)域個人劑量限值的要求，因此不需要進行屏蔽。

3.3.3 工程驗證

對××罐區(qū)低放蒸殘液進行處理，在工況1、工況3情況下，記錄安裝在集裝箱內(nèi)的固定式γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并結(jié)合便攜式γ劑量率儀監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證屏蔽設(shè)計及計算的保守合理性。其中單通道固定式γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)分別安裝在操作區(qū)及固化區(qū)。

從表5數(shù)據(jù)中可以看出，使用便攜式γ劑量率儀測量的結(jié)果與固定區(qū)域γ測量的數(shù)據(jù)有一定差異，這一方面可能是由于不同儀表的靈敏度不一致所導(dǎo)致的，另一方面也與測量人員的測量習(xí)慣有關(guān)，其中最大誤差僅為11.0%，從輻射測量角度來講這是被允許的。

表5 測量結(jié)果Table 5 The results of gama dose rate

在工況3下，測量得到的γ劑量率數(shù)據(jù)比蒙卡計算得到的數(shù)據(jù)相對較低，這是因為所建立的模型簡化了裝置中的部分空間結(jié)構(gòu)，使得計算結(jié)果偏大；同理，在工況1下，測量得到的γ劑量數(shù)據(jù)也比蒙卡計算得到的數(shù)據(jù)低，但實際測得的γ劑量率＜5 uSv·h-1，相對保守的計算能滿足人員的輻射屏蔽安全。

4 結(jié)論

本文統(tǒng)計了緊湊式水泥固化裝置運行時，人員可能受照劑量最大的3種工況，計算了關(guān)注位置的射線通量分布及劑量范圍，并利用真實熱料進行工程驗證，結(jié)果表明：

（1）不同工況下放射源的位置不同，位于操作控制區(qū)的人員，受工況1輻射場影響大，未做屏蔽情況下受照劑量范圍為8.02～11.7 uSv·h-1；位于固化區(qū)出桶位置的人員，受工況3輻射場影響大，未做屏蔽情況下受照劑量范圍為7.12～9.90 uSv·h-1。

（2）為使人員受照劑量滿足要求，在料液區(qū)靠近操作控制區(qū)一側(cè)采用0.6 cm厚度的鉛屏蔽層，可滿足＜5 uSv·h-1的要求。

（3）利用真實熱料進行工程驗證，測量得到的數(shù)據(jù)略低于采用蒙卡計算得到的劑量率，這是因為所建立的模型簡化了部分空間結(jié)構(gòu)，但滿足人員的輻射屏蔽安全。

此次研究為緊湊式水泥固化裝置的屏蔽設(shè)計提供必要的研究數(shù)據(jù)和設(shè)計依據(jù)，使得該裝置在處理放射性廢液時能夠有效地屏蔽γ射線，保護操作人員的輻射屏蔽安全。