建筑机械操作间防核辐射设备的设计

摘要：采用了MCNP粒子输运程序建立模型，研究了一些影响工程机械操作室核辐射防护装置屏蔽效果的因素。通过仿真模拟计算、分析了γ辐射源不同形状、不同屏蔽材料、屏蔽材料不同排列顺序、其他成分材料等对防护装置屏蔽效果的影响。研究结果为设计出具备更加优良的核辐射屏蔽能力、综合性能更加完善的工程机械操作室核辐射防护装置提供了一定的技术指导和理论依据，有利于这些工程机械能够更好地保障作业人员健康安全、更高效地完成工作任务。

关键词：退役处理;事故应急;核辐射;屏蔽

1引言

能源是现代经济社会发展的基础[1]。核电作为一种清洁高效的能源，是中国增加能源供应、优化能源结构、应对气候变化最重要的选择之一。经过几十年的发展，中国有越来越多的核设施、铀矿山等进入退役期，而且伴随着核设施运行、核科学技术实验等涉核活动的不断进行，放射性事故不容忽视。不论是核设施退役处理还是放射性事故应急处置，特别是在事故情况下，时间就是生命，稍有不慎将会造成大范围的严重灾难。在相关的现场处置过程中，核辐射直接威胁着作业人员的生命健康，一些普通作业技术和装备无法可靠地工作，需要具有核辐射屏蔽功能的工程机械，以满足在放射性环境下工作的严苛要求[2]。但额外的屏蔽装置将增加设备整体质量，这不仅增大承重结构的静载荷，还产生运行过程中的应力、应变、震动、共振等动力学影响[3]，如不予以重视，将可能损坏设备，进而影响作业人员和作业进程。故研究屏蔽材料、屏蔽装置的核辐射防护性能及其影响因素，研发具备核辐射防护能力的大、中、小型装备，提高操作室屏蔽能力，并使屏蔽装置轻量化、小型化，对保障作业人员的生命健康和保证顺利高效完成工作任务具有重要的意义和价值。

为了减少对原装备本身的改动，尽可能使屏蔽装置能直接套用于各型工程机械，优化防护装置的屏蔽材料、结构等方面对更大范围、更低难度的设备防辐射改装、核辐射环境下作业机械化非常有意义。本文采用仿真模拟的方法，研究工程机械操作室核辐射防护装置的屏蔽性能，对屏蔽装置的材料、组合、材料放置顺序等进行选型、计算、优化。使用MCNP程序建立模型进行仿真模拟，分析源项、屏蔽材料等因素对防护装置屏蔽性能的影响，为后续深入研究提供思路、依据。

2方法与模型

2.1MCNP程序简介

蒙特卡罗方法(MonteCarloMethod，简称MC)，又称随机抽样或统计试验方法，是一种以概率和统计理论方法为基础的计算方法。在粒子输运、量子热力学、空气动力学计算等领域应用十分广泛，并被用于材料制备工艺研究和可靠性分析。在核科学领域，蒙特卡罗方法被广泛用于粒子输运计算，国际上目前有多种成熟的蒙特卡罗粒子输运计算程序，如MCNP、Geant4、EGS、FLUKA等，其中MCNP最广为熟知和使用。MCNP，即MCNP粒子输运程序(MonteCarloN-ParticleTransportCode)，由美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室(LosAlamosNationalLaboratory，简称LANL)开发，是可用于计算复杂三维几何结构中粒子输运的大型多功能程序，能够解决中子、光子、电子以及中子/光子/电子耦合的输运问题，计算临界系统的特征值。

MCNP程序需要的输入信息主要有INP文件、截面数据库文件以及XSDIR文件，其中INP文件由用户构建，采用卡片结构，主要由标题卡、栅元卡、曲面卡、数据卡等几部分组成。曲面卡和栅元卡主要用来定义几何模型，其中曲面卡定义组成栅元的曲面，栅元卡定义整个系统的各个基本封闭单元以及相应的物理信息，栅元之间不能重叠，并且研究空间必须由栅元填满。数据卡部分主要用于描述问题类型、源、材料、计数及问题截断条件等，同时这部分还可以使用一些降低方差的技巧[4]。

2.2模型建立

利用MCNP程序构建防护装置模型，进行屏蔽装置设计，并对屏蔽性能进行初步模拟评估。本文对几种屏蔽材料

的γ射线屏蔽效果做了分析。仿真模拟中使用的简易模型如图1所示，在γ射线入射方向垂直放置屏蔽材料，在屏蔽材料之后放置探测器。辐射源采用常见的钴-60各向同性γ源。

3仿真实验与分析

3.1辐射源种类对屏蔽效果的影响

在实际情况下，若机械设备作业位置距离放射源较远，放射源可近似为点源;而距离较近时，应近似为线源或者面源。分别模拟钨板对点、线、面三种形状放射源在一定距离的屏蔽效果，发现屏蔽效果相差不大。为简化计算，仿真实验中的放射源为点源。

3.2屏蔽材料对屏蔽效果的影响

辐射源采用的是钴-60点源，这里选取厚度相同的钨、不锈钢、铅，分别计算以它们作为屏蔽材料在离源相同距离时，辐照剂量率的大小，以此评估这三种材料的屏蔽性能。不同材料的屏蔽效果如图3所示。当分别选用钨、铅、不锈钢为屏蔽材料时，测得辐照剂量率分别为0.0023mSv/h，0.0149mSv/h，0.132mSv/h，故钨的屏蔽性能最好，其次为铅，再次是不锈钢。三种材料中钨的密度最大，原子序数为74，Z值较高，其屏蔽γ射线的效果最好。铅的原子序数82，在三种材料中Z值最高，是一种常用的γ射线屏蔽材料，具有极佳的屏蔽效果，但其结构强度差，用作屏蔽材料时须有支撑框架[5]，而且铅是有毒重金属，易对环境造成严重的污染。钨的物理化学性质良好，γ射线的屏蔽能力优于铅，无毒无害，对环境影响小，但价格远高于铅。不锈钢机械性能好，硬度高，耐高温，耐腐蚀，广泛用于加工制造机械设备零部件，但是其屏蔽性能不及铅、钨。

3.3组合屏蔽的材料排列顺序对屏蔽效果的影响

γ射线与物质的主要相互作用过程包括光电效应、康普顿效应和电子对效应，如果γ射线与物质发生光电效应或电子对效应，则射线被吸收，这些效应的发生与吸收物质的原子序数有关，因此γ射线与不同的物质发生这些效应的截面不同，故需要对屏蔽材料的前后顺序进行排列布置。多层组合屏蔽装置模型如图4所示，各层屏蔽材料相互平行。

选用铁和铅作为屏蔽材料，计算结果如图5所示，从图5中可以看出，如果各材料之间屏蔽性能差距明显，采用高原子序数物质在前、低原子序数物质在后的非均匀组合方式的屏蔽效果较好。当射线能量持续增加时，高原子序数物质在前、低原子序数物质在后的顺序与相反顺序两者之间屏蔽性能比值有减小的趋势，但始终大于1，说明了高原子序数物质在前、低原子序数物质在后的排列顺序屏蔽性能优于与之相反的排列顺序。不同能量下两种排列顺序的对比如图6所示。

换用钨和铅进一步研究屏蔽材料的排列顺序对屏蔽性能的影响，结果如图7所示。在高能量下(1.25MeV)，屏蔽材料的排列顺序对核辐射屏蔽效果影响较小。而当能量为100keV时，采用高原子序数物质铅在前、低原子序数物质钨在后的排列方式能有效提高装置对射线的屏蔽效果。实际核事故环境中的γ射线能量分布范围通常较广，因而适宜采用这种高原子序数物质在前，低原子序数物质在后的材料排列方式，以兼顾更大能量范围的γ射线辐射环境。

3.4材料成分对屏蔽效果的影响

屏蔽装置设计是一个带有约束条件的多目标优化过程。一方面，屏蔽效果与射线类型和能谱分布密切相关，另一方面，在实际工程中还受到质量、体积、价格、结构性能等因素的限制[6]。在常见材料中，铅是传统的核辐射屏蔽材料，屏蔽效果好，但机械强度差，是一种对人体有害的重金属，可在人体内积累。出于环境保护、人员健康、防止污染的考虑，研究少铅、无铅的核辐射屏蔽材料，寻找更加健康环保的屏蔽材料具有重要意义。而且，加装核辐射屏蔽装置将增加设备的整体重量，改变原本的受力状态，因而对屏蔽材料带来更复杂的要求。

镍原子序数大，密度大，具有良好的力学、物理和化学性能，添加合适的元素可提高其抗氧化性、耐腐蚀性、高温强度并改善某些物理性能，镍具有无毒、环保、易加工等特点，对γ射线质量吸收系数大，在一定程度上可作为屏蔽材料。仿真模拟时采用的Inconel600质量浓度为8.4g/cm3，含镍72%、铬17%、铁10%和其他微量元素，Monel400质量浓度为8.83g/cm3，主要含镍65%、铜30%和铁2%。

铅与两种镍合金对不同能量γ射线的质量吸收系数曲线如图8所示。从图8中可以看出：①随着γ射线能量的增加，铅的质量吸收系数起初下降明显，后来趋于平缓;②两种镍合金质量吸收系数相差很小，随γ射线能量的增加，变化比较平缓;③γ射线能量较高(大于1.2MeV)时，镍合金和铅的质量吸收系数相差不大。因此可考虑使用镍合金代替铅作为屏蔽材料，特别是在有高能γ射线的辐射环境下。另外，Inconel600镍合金含有对人体有害的金属铬，而Monel400镍合金较健康环保，因此在屏蔽高能γ射线时可采用Monel400镍合金作为屏蔽材料。

在情况更为复杂的混合辐射场中还存在中子辐射，而硼元素具备吸收热中子并抑制(n，γ)辐射的能力，在钢中适当加入硼有利于改善材料的机械性能，因此硼钢也可用于制作屏蔽装置以提高设备屏蔽混合辐射的性能和机械性能，实现结构和功能一体化[7]。

4总结与分析

本文运用MCNP程序讨论了几种核辐射屏蔽材料用于工程机械操作室核辐射防护的屏蔽效果。通过对仿真模拟结果的分析讨论得出如下结论：①相同厚度的钨屏蔽体的屏蔽性能在钨、铅、不锈钢等常见材料中最好，铅次之，不锈钢最差;②对于不同类形核辐射源，将其简化成点源有助于分析、计算的简化;③当运用多层屏蔽设计理念时，在各种材料不同的前后排列顺序下，屏蔽装置整体的屏蔽效果差异明显;④基于健康环保的角度和力学性能、理化性能，可以考虑使用镍合金代替铅作为屏蔽材料;⑤可以采用含硼不锈钢加工制造工程机械以辅助提高设备包括屏蔽性能、机械性能在内的综合性能。

在实际涉核作业过程中，工程机械很可能工作在辐射场、工况等外界因素均较为复杂的环境，这些都对工程机械有更高更严苛的要求，而且加工制造过程和水平也属于制约因素，比如要求屏蔽材料具有稳定的力学性能、受到体积和质量限制等，这就要求兼顾材料的屏蔽性能、力学性能、耐辐照性能等。本次研究为设计出更加安全、完善的具备核辐射屏蔽能力的工程机械提供了一定的技术指导和理论依据，有利于工程机械能更加高效地屏蔽核辐射，保护操作人员的健康安全，从而更加高效、圆满地完成工作任务。

参考文献：

[1]江泽民.对中国能源问题的思考[J].中国石油和化工经济分析，2008(6)：4-16.

[2]张齐昊，赵伟，褚胜男，等.耐辐照核应急机器人研究现状及关键技术分析[J].核科学与工程，2019，39(4)：629-645.

[3]陈桂荣，任勇，邱长军，等.防辐射驾驶舱屏蔽层支撑座的结构分析与优化[J].南华大学学报(自然科学版)，2014，28(1)：59-62，68.

[4]蒋帅，陈晓，彭玉辉，等.舰船核辐射防护领域中的蒙特卡洛方法应用[J].船海工程，2017，46(3)：136-138.

[5]王建，邹树梁.钨和铅作为γ射线屏蔽材料的性能对比研究[J].南华大学学报(自然科学版)，2011，25(4)：19-22.

[6]