牛進林,左應(yīng)紅,商 鵬,牛勝利,朱金輝

(西北核技術(shù)研究所,西安710024)

核爆炸會產(chǎn)生大量的中子,包括瞬發(fā)中子和緩發(fā)中子,其中瞬發(fā)中子是爆炸后一瞬間產(chǎn)生的,可看做點源[1-2]。中子在大氣中傳輸會受到大氣成分的影響,主要發(fā)生散射和吸收等作用過程。中子在大氣中傳輸特性、中子注量分布規(guī)律、中子場空間分布特性、中子產(chǎn)生次級γ和中子在大氣中長距離輸運的減方差技巧已有相關(guān)的研究成果[3-7]。這些成果集中在中子在自由大氣中的傳輸和分布特性規(guī)律研究,而對中子在大氣-地面交界問題中的傳輸特性和分布規(guī)律研究較少。地面的存在會對近地面中子輻射環(huán)境場產(chǎn)生影響,常見的地面介質(zhì),如土壤、混凝土和水等的密度遠大于大氣密度,包含的元素成分也與大氣大不相同,不同的地面介質(zhì)之間成分差異也很大,中子在由大氣進入地面介質(zhì)后會與地面介質(zhì)發(fā)生相互作用,部分中子會被地面介質(zhì)散射重新進入大氣,從而對近地面測點產(chǎn)生影響。本文用蒙特卡羅方法對中子在大氣-地面交界問題中的傳輸進行模擬,計算了中子在地面附近大氣中輸運形成的組織劑量場。

1 物理模型

本文采用中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所開發(fā)的蒙特卡羅模擬軟件SuperMC作為模擬工具,建立的近地面大氣-地面交界中子輸運問題物理模型如圖1所示。模型中,強中子源指中子平均能量大于0.5 MeV、源強度很高的中子源。本文中子源為各向同性點中子源,中子源高H≤500 m,大氣密度在該范圍變化較小,可用單個密度表征,采用海平面處的大氣密度,為1.225×10-3g·cm-3;中子源到測點在地面上的投影距離R≤1 km;測點離地面的高度為1 m;地面介質(zhì)有混凝土、土壤和水3種,大氣和3種地面介質(zhì)的核素組成和質(zhì)量分數(shù)如表1所列,混凝土密度為2.3 g·cm-3,土壤密度為1.6 g·cm-3,水密度為1.0 g·cm-3,文獻[8]中混凝土對1 MeV中子的飽和反射厚度為16.2 cm,地面介質(zhì)厚度為2 m,保證地面介質(zhì)對中子或產(chǎn)生的次級γ進行充分反射。

圖1 近地面大氣-地面交界中子輸運問題物理模型

本文中的組織劑量是指機體組織中的平均吸收劑量,在蒙特卡羅模擬計算中,組織劑量由統(tǒng)計出的注量與相應(yīng)的組織劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)乘積得到。為研究有無地面介質(zhì)對中子組織劑量場的影響,給有地面介質(zhì)的模型做對照,建立了不包含地面介質(zhì)的中子輸運模型,在圖1物理模型的基礎(chǔ)上,將地面介質(zhì)換成密度為1.225×10-3g·cm-3的大氣,厚度為2 km。組織劑量比η可表示為

其中：Dgroud為包含地面介質(zhì)時測點中子組織劑量;Datmosphere為不包含地面介質(zhì)時測點中子組織劑量。中子組織劑量為測點處中子本身組織劑量和產(chǎn)生的次級伽馬光子組織劑量之和。為保證結(jié)果的可信性,本文中所有算例的模擬結(jié)果相對偏差均小于5%。

表1 大氣和3種地面介質(zhì)的核素組成和質(zhì)量分數(shù)

2 計算結(jié)果

2.1 地面介質(zhì)對中子組織劑量的影響

基于建立的蒙特卡羅中子輸運模型,模擬不同地面介質(zhì)時測點處中子組織劑量比η,并考慮中子源高H和能量E的影響。

當E為1 MeV,H為10 m,地面介質(zhì)不同時,η隨R的變化關(guān)系如圖2所示。由圖2可見,由于地面介質(zhì)的存在,η隨R基本上呈單調(diào)遞減的趨勢;當R≤R0(R0為η=1時R的值,約為50 m)時,η≥1,說明在近源區(qū)由于地面的存在,地面反射增強了測點處中子組織劑量;當R>R0時,η<1,說明地面的存在屏蔽了一部分本該從地平面以下介質(zhì)經(jīng)過散射到達測點的中子或次級γ,且R越大,這個效應(yīng)越明顯;當R為1 km時,η甚至小于0.5;不同介質(zhì)對η的影響也不同,相同的R,地面介質(zhì)為土壤、混凝土、水時,η依次減小,這是因為與3種地面介質(zhì)中其他核素相比,1H對中子慢化和吸收效果要強得多,而土壤、混凝土、水中1H的含量依次升高。

圖2 E=1 MeV,H=10 m,地面介質(zhì)不同時,η隨R的變化關(guān)系

當E為1 MeV,地面介質(zhì)為混凝土,H不同時,η隨R的變化關(guān)系如圖3所示。由圖3可見,近源區(qū)在相同的R處,隨著源高H的增加,源點到測點的距離不斷增加,但η并沒有隨H單調(diào)遞減,有先增高后減小的趨勢,因此存在一個使η最大的源高,本文中稱為最大劑量源高Hmax。

當H為10 m,地面介質(zhì)為混凝土,中子能量不同時,η隨R的變化關(guān)系如圖4所示。由圖4可見,隨著將中子能量提高到5,14 MeV,當R≤10 m時,η隨R呈遞增趨勢;當R>10 m時,η隨R呈遞減趨勢。

圖4 H=10 m,地面介質(zhì)為混凝土,中子能量不同時,η隨R的變化關(guān)系

2.2 單能中子源最大劑量源高

基于建立的蒙特卡羅中子輸運模型,針對第2.1節(jié)最大劑量源高Hmax進行研究。地面介質(zhì)為混凝土,選用1 MeV單能中子源,模擬中子總數(shù)為1020,計算R不同時,中子組織劑量Dconcrete隨H的變化關(guān)系,如圖5所示。

圖5 R不同時,Dconcrete隨H的變化關(guān)系

由圖5可見,不同的R處,均出現(xiàn)了一個峰值,峰值處對應(yīng)的H隨R有單調(diào)遞增的趨勢。為研究峰值出現(xiàn)的規(guī)律,選取不同能量的中子,分別取為0.5,1,2,5,10,14 MeV,針對R在0～1 km范圍內(nèi)變化時,不同H處的測點中子組織劑量Dground進行大量計算,搜索Hmax,并對Hmax隨R的變化關(guān)系曲線進行線性擬合。中子能量不同時,Hmax隨R的變化關(guān)系如圖6所示。圖6中：Intercept為擬合曲線的縱截距,均為1 m;Slope為擬合曲線斜率;R-Square是一個表征擬合優(yōu)度的參數(shù),它將模型預(yù)測值與實際觀測值的差異進行比較,越接近1,表示回歸模型能更好地解釋因變量的變異性,擬合程度越好。由圖6可見,單能中子能量取0.5～14 MeV,R在0～1 km范圍內(nèi)變化時,Hmax與R有非常好的線性關(guān)系,且斜率均約為0.25,與中子能量關(guān)系不大。

(a)E=0.5 MeV

(b)E=1 MeV

(c)E=2 MeV

(d)E=5 MeV

(e)E=10 MeV

(f)E=14 MeV

2.3 分布中子源最大劑量源高

為進一步驗證第2.2節(jié)Hmax與E關(guān)系不大的結(jié)論,選取分布中子源,歸一化能譜如圖7所示。中子源平均能量為0.685 MeV,地面介質(zhì)仍為混凝土,經(jīng)過計算與線性擬合,中子源最大劑量源高Hmax隨R的變化關(guān)系如圖8所示。由圖8可見,在該分布源條件下,Hmax與R也有非常好的線性關(guān)系,且斜率約為0.25。為進一步驗證該結(jié)論在地面介質(zhì)為土壤和水時的通用性,在該分布源條件下,模擬計算了地面介質(zhì)分別為土壤和水,最大劑量源高Hmax線性擬合結(jié)果,結(jié)果同樣表明Hmax與R有非常好的線性關(guān)系,斜率接近0.25。

圖7 中子源歸一化能譜

圖8 地面介質(zhì)為混凝土?xí)r,Hmax隨R的變化關(guān)系

(a)Soil

(b)Water

3 結(jié)論

針對近地面強中子源在地面附近大氣中形成的輻射環(huán)境場問題,為研究地面對中子組織劑量場的影響,采用蒙特卡羅方法建立了點中子源在大氣-地面交界問題中的輸運模型,考慮了混凝土、土壤、水3種地面介質(zhì)類型,進行了大量的數(shù)值模擬計算。研究結(jié)果表明,與自由大氣相比,由于地面的存在,在近源區(qū)測點地面反射增強了中子組織劑量,在遠源區(qū)地面對中子組織劑量起削弱作用;相同的R,地面介質(zhì)為土壤、混凝土、水時,η值依次減小;地面介質(zhì)為混凝土?xí)r,單能中子能量取0.5～14 MeV,R在0～1 000 m范圍內(nèi)變化時,存在一個最大劑量源高Hmax,Hmax與R有非常好的線性關(guān)系,且斜率均約為0.25,與中子能量關(guān)系不大;給定分布中子源,地面介質(zhì)分別取混凝土、土壤、水時,最大劑量源高Hmax與R同樣有非常好的線性關(guān)系,且斜率同樣約為0.25。本文的研究成果可為近地面強中子源在大氣-地面交界問題的屏蔽設(shè)計研究提供參考。