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(jì)等優(yōu)勢［1］。為兼顧該裝置輕便靈活和運(yùn)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(zhǔn)推算屏蔽配置需求，從而促進(jìn)優(yōu)化輻射防護(hù)設(shè)計(jì)。

該裝置運(yùn)行時(shí)，輻射源處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，非點(diǎn)源的輻射防護(hù)屏蔽計(jì)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(jì)算比較煩瑣［2，3］；且該裝置集成于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，需要較為精確的計(jì)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(jì)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(gè)通用幾何、時(shí)間關(guān)聯(lián)、中子-光子-電子聯(lián)合輸運(yùn)的蒙特卡羅輸運(yùn)程序［5］，是由美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的。目前已有研究驗(yàn)證了蒙特卡羅方法用于輻射防護(hù)的模擬計(jì)算的可行性及準(zhǔn)確性，并利用MCNP軟件計(jì)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(yùn)行時(shí)輻射分布及屏蔽設(shè)計(jì)的研究。

因此，本文應(yīng)用蒙特卡羅（MCNP5）程序?yàn)榫o湊式水泥固化裝置建立了屏蔽計(jì)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(xì)計(jì)算，確定了工藝運(yùn)行時(shí)，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(gè)人劑量限值的要求，計(jì)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(gè)區(qū)域：（1）固化區(qū)，用于固化桶的進(jìn)出、料液加注及混合攪拌等，工作人員會(huì)在固化區(qū)固化桶出桶位處進(jìn)行固化桶轉(zhuǎn)運(yùn)；（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(jì)量廢液的計(jì)量槽；（3）排風(fēng)區(qū)，用于壓空運(yùn)行、排風(fēng)運(yùn)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(yuǎn)程操作的地點(diǎn)。

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(jì)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(jìn)行混合攪拌，攪拌好的固化體經(jīng)劑量檢測后轉(zhuǎn)運(yùn)至?xí)捍鎴龅剡M(jìn)行養(yǎng)護(hù)。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(jìn)行調(diào)研，核電站進(jìn)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(jìn)行計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)算。供料槽及計(jì)量槽具體信息見表2。

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

3 計(jì)算結(jié)果及說明

3.1 光子注量率計(jì)算

工藝運(yùn)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(jì)，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(jì)量槽進(jìn)行計(jì)量（按最大水灰比計(jì)算結(jié)果，計(jì)量槽每批次接收來自供料槽的廢液為0.2 m3），料液經(jīng)計(jì)量槽計(jì)量后，按設(shè)定好的工藝參數(shù)注入攪拌桶內(nèi)進(jìn)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(jì)量槽 0 m3廢液；（2）供料槽 1 m3廢液，計(jì)量槽 0.2 m3廢液；（3）供料槽 0.8 m3廢液，計(jì)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(jìn)行光子注量計(jì)算。

3.1.1 工況1：供料槽1.2 m3廢液，計(jì)量槽0 m3廢液

如圖3所示，將計(jì)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(jìn)行計(jì)數(shù)；計(jì)數(shù)器2設(shè)置在固化區(qū)出桶位置處，與計(jì)數(shù)器1設(shè)置相同，采用mesh卡將其分為24×23=552塊進(jìn)行計(jì)數(shù)，nps=E8。采用F4計(jì)數(shù)卡模擬穿過每個(gè)網(wǎng)格的注量。

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

計(jì)算結(jié)果如圖4所示。工況1下，無論是在計(jì)數(shù)器1還是計(jì)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(jì)數(shù)器1位置上的注量分布范圍為880～1320 cm-2，計(jì)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(jì)數(shù)器1位置注量；b：計(jì)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(jì)量槽0.2 m3廢液

工況2的計(jì)算與工況1計(jì)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(jì)數(shù)卡圖Figure 5 Source position and counting card diagram under working condition 2

計(jì)算結(jié)果如圖6所示。與工況1相比，工況2無論是在計(jì)數(shù)器1還是計(jì)數(shù)器2位置上，注量的分布均往上進(jìn)行了偏移，這是因?yàn)楣r2中的放射源為供料槽及計(jì)量槽，且計(jì)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(jì)數(shù)器1位置上的注量分布范圍為840～1220 cm-2，計(jì)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(jì)數(shù)器1位置注量；b：計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算與工況1計(jì)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(jì)數(shù)卡圖Figure 7 Source position and counting card diagram under working condition 3

計(jì)算結(jié)果如圖8所示。工況3中，計(jì)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(jì)數(shù)器1位置的貢獻(xiàn)；計(jì)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(jì)數(shù)器2位置的貢獻(xiàn)。

圖8 工況3下注量分布（a：計(jì)數(shù)器1位置注量；b：計(jì)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(jì)算

劑量計(jì)算是屏蔽設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通過de、df實(shí)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(xiàn)在計(jì)數(shù)器1位置的注量大，工況3貢獻(xiàn)在計(jì)數(shù)器2位置的注量大，因此分別對計(jì)數(shù)器1、計(jì)數(shù)器2位置的所受最大劑量進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 計(jì)數(shù)器1、計(jì)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(jì)、計(jì)算及工程驗(yàn)證

3.3.1 屏蔽設(shè)計(jì)

由于裝置高度集成于標(biāo)準(zhǔn)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(shí)盡可能減少屏蔽體重量。本文考慮僅對集裝箱兩側(cè)進(jìn)行屏蔽，以確保在裝置運(yùn)行時(shí)操作區(qū)及固化桶出桶位處（主要存在人員轉(zhuǎn)運(yùn)固化體）人員的輻射安全。對于裝置的另外兩側(cè)，可在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行圍擋，用避免人員靠近的工程措施進(jìn)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(dá)到 8.02～11.7 uSv·h-1，且在工藝運(yùn)行時(shí)，工作人員一直處于操作控制區(qū)，參考××公司對個(gè)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(jìn)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(dá) 7.12～9.90 uSv·h-1，在工藝運(yùn)行時(shí)，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(jì)算

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

結(jié)果見表4：在（-468.7，-35，95）點(diǎn)，當(dāng)鉛厚度增加到0.6 cm時(shí)，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(diǎn)處劑量率Table 4 Equivalent dose rate at points（-468.7，-35，95）under different lead thicknesses

本文統(tǒng)計(jì)了三種人員可能受照劑量最大的工況，計(jì)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(gè)人劑量限值要求，需對該位置進(jìn)行0.6 cm的鉛屏蔽，以達(dá)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(gè)人劑量限值的要求，因此不需要進(jìn)行屏蔽。

3.3.3 工程驗(yàn)證

對××罐區(qū)低放蒸殘液進(jìn)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(yàn)證屏蔽設(shè)計(jì)及計(jì)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(jì)算得到的數(shù)據(jù)相對較低，這是因?yàn)樗⒌哪Ｐ秃喕搜b置中的部分空間結(jié)構(gòu)，使得計(jì)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(jì)算得到的數(shù)據(jù)低，但實(shí)際測得的γ劑量率＜5 uSv·h-1，相對保守的計(jì)算能滿足人員的輻射屏蔽安全。

4 結(jié)論

本文統(tǒng)計(jì)了緊湊式水泥固化裝置運(yùn)行時(shí)，人員可能受照劑量最大的3種工況，計(jì)算了關(guān)注位置的射線通量分布及劑量范圍，并利用真實(shí)熱料進(jìn)行工程驗(yàn)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(shí)熱料進(jìn)行工程驗(yàn)證，測量得到的數(shù)據(jù)略低于采用蒙卡計(jì)算得到的劑量率，這是因?yàn)樗⒌哪Ｐ秃喕瞬糠挚臻g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(jì)提供必要的研究數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)依據(jù)，使得該裝置在處理放射性廢液時(shí)能夠有效地屏蔽γ射線，保護(hù)操作人員的輻射屏蔽安全。