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(lài)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(chē)輛和倉(cāng)庫(kù)）進(jìn)行建模。我們可以通過(guò)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(xiě)，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(guò)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(lái)模擬工作人員在事故現(xiàn)場(chǎng)（中子源在核測(cè)井過(guò)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(guò)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(chē)模型來(lái)模擬計(jì)算中子源運(yùn)輸過(guò)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(guò)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(guò)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(xún)出來(lái)，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(méi)有太大的影響。經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)空氣照射到人體上的過(guò)程中由于空氣的阻礙作用而帶來(lái)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(guò)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(guò)空氣照射到人體上的過(guò)程中由于空氣的阻礙作用而帶來(lái)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(lái)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(lái)代表。

在這個(gè)模型中我們用誤差來(lái)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(guò)百分之五。經(jīng)過(guò)十次運(yùn)算后，原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)如表1所示。

通過(guò)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(chē)運(yùn)輸源的模型

圖2客車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輛的具體型號(hào)大小并沒(méi)有統(tǒng)一的要求，所以在本模型的模擬中車(chē)輛的選擇就選用了中型的卡車(chē)（長(zhǎng)約5米）。這種型號(hào)在實(shí)際工作中較為常見(jiàn)，因此具有較強(qiáng)的代表性。從駕駛室工作人員的角度來(lái)考慮，其他型號(hào)的運(yùn)輸車(chē)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(chē)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(chē)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(lái)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(chē)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(méi)有明顯的影響。經(jīng)過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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?xún)?nèi)）。

車(chē)的材料經(jīng)過(guò)廣泛的查詢(xún)資料，發(fā)現(xiàn)雖然不同型號(hào)不同品牌的運(yùn)輸車(chē)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(chē)輛的材料就直接選用鐵來(lái)表示。如表2所示。

表2車(chē)皮材料元素的原子數(shù)、質(zhì)量數(shù)

經(jīng)過(guò)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(kù)模型

中子源庫(kù)模型：此模型模擬的是另外一處場(chǎng)地——源庫(kù)。由于現(xiàn)在中子源在儲(chǔ)存庫(kù)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(kù)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(kù)內(nèi)地面上的時(shí)候，假若沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)中子源未安全入庫(kù)的情況，那么中子源對(duì)庫(kù)外監(jiān)守源庫(kù)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(kù)外監(jiān)守源庫(kù)工作人員輻射情況[8]。

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

由于中子源庫(kù)的重要性和安全級(jí)別，庫(kù)外工作人員基本不會(huì)出現(xiàn)無(wú)人值守的情況，按正常的一天工作八個(gè)小時(shí)來(lái)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(kù)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(méi)有明顯的影響。經(jīng)過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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?xún)?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(xún)到。由于事故發(fā)生的不確定性，跌落中子源與庫(kù)外監(jiān)守人員的距離要取多個(gè)數(shù)值來(lái)模擬。如表4所示。

表4中子源庫(kù)模型中中子源、源庫(kù)墻壁、監(jiān)管人員間的距離及墻壁厚度

圖3倉(cāng)庫(kù)監(jiān)守人員監(jiān)守倉(cāng)庫(kù)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(kù)的庫(kù)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(kù)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(kù)的墻壁。如圖3所示。

通過(guò)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(kù)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(kāi)始到輻射劑量mSv/s與上文的轉(zhuǎn)化過(guò)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(guò)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(lái)，而且將中子源交給測(cè)井人員也需要一個(gè)過(guò)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(guò)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(chē)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(chē)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(chē)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。