1.5 MeV电子辐照平台屏蔽改造

李长园，蔡 军，张国庆，王建华，张志宏，徐 杰，夏晓彬

（中国科学院上海应用物理研究所，上海 201800）

1.5 MeV电子辐照平台屏蔽改造

李长园，蔡 军，张国庆，王建华，张志宏，徐 杰，夏晓彬＊

（中国科学院上海应用物理研究所，上海 201800）

针对一台功率为15 kW的1.5 MeV电子辐照平台，进行了屏蔽计算分析与改造设计工作。根据辐照平台厂房布局建立三维模型，使用蒙特卡罗方法进行了相应屏蔽计算。通过对辐照平台主屏蔽体外光子剂量率的计算，对已有建筑物墙体的屏蔽效果进行评估。评估结果表明，建筑物四周墙体厚度满足设计要求。对辐照室和门洞等局部位置进行了屏蔽计算设计，通过对不同屏蔽厚度的计算结果进行比较，给出了满足设计要求的合理可行的设计方案。为验证屏蔽计算结果，在工程验收阶段，对周围人员活动区域进行了现场测量。测量结果表明，辐照平台原有主体屏蔽及新增局部屏蔽可使光子剂量率低于设计目标值，满足防护要求。

电子加速器；屏蔽计算；蒙特卡罗；剂量率

钍基熔盐核能系统（TMSR）电子束辐照平台是中国科学院上海应用物理研究所为所承担的TMSR战略性先导科技专项建设的一台电子加速器装置，主要用于核电站反应堆设备及电缆材料的β辐照实验［1］。在加速器上进行β辐照实验时，电子与物质发生相互作用产生电离辐射，对周围人员及环境造成影响，因此需进行合理的屏蔽防护。该辐照平台位于中国科学院上海应用物理研究所嘉定园区的实验大厅内，辐射防护工作需对该实验大厅主体屏蔽墙的屏蔽效果进行评估，并在此基础上进行局部屏蔽改造设计。本文对原有实验大厅的主体屏蔽墙屏蔽效果进行计算与评估及在此基础上进行主要局部屏蔽计算与设计工作，在工程验收阶段通过对周围人员活动区域剂量率水平的现场测量，对屏蔽设计效果进行验证。

1 加速器参数及辐照平台建筑物概况

TMSR电子束辐照平台加速器是一台高频、高压电子加速器，主要由钢桶、高频电极、高频变压器、冷阱、加速管、扫描器、振荡管、高频机、调压装置及控制系统等组成，如图1所示。其主要参数列于表1。

图1 加速器结构Fig.1 Accelerator structure

表1 加速器主要参数Table 1 Main parameter of accelerator

辐照平台所在楼体为已有建筑，该建筑大厅南、北墙外侧长15.6 m，东、西墙外侧长20.6 m，内高14.9 m，四周墙体厚1.3 m，楼顶厚0.3 m，建筑物楼体材料为普通硅酸盐混凝土，密度为2.35 g／cm3。建筑物大厅入口位于北墙东侧，原门洞高3.55 m、宽2.95 m。辐照室位于建筑物大厅的西南角，其东西长9.1 m，南北长6.1 m，其中西、南两面墙为原建筑物墙体，东、北两面墙为铅夹板结构。辐照平台位于辐照室中心位置，整个电子加速装置均装在一竖直向下的圆形钢筒中，电子在加速管中被加速，由上向下竖直打在辐照平台上。

2 屏蔽设计目标

根据国家标准，放射性工作人员年平均有效剂量不超过20 mSv［2］。遵循合理可行尽量低（ALARA）原则［3－4］，TMSR电子束辐照平台的屏蔽设计目标值取国家标准剂量限值的1／4，其屏蔽设计目标是保证任何放射性工作人员年平均有效剂量不超过5 mSv。放射性工作场所控制区中的常规工作区，如控制室、四周墙体外围及防护门口等位置，居留时间按工作人员年工作时间2 000 h计算，其光子剂量率（以下简称剂量率）不超过2.5μSv／h。放射性工作场所控制区中的间断工作区，如楼顶位置，居留时间按200 h／a计算，其周围剂量率不超过25μSv／h。

此外，因辐照室外围有大量控制仪表电缆，根据国家核电站用1E级（K3类）控制和仪表电缆标准规定，控制仪表电缆长期处于辐照环境中，其累计吸收剂量应控制在250 k Gy以下［5］。为保障辐照室周围的电缆使用寿命，辐照室外辐照大厅内剂量率不超过1 Sv／h。

屏蔽设计中为安全保守考虑，大部分理论计算数据均考虑了两倍安全系数。但对于需经常移动的屏蔽体，如内、外防护门，为兼顾其灵活轻便，不宜设计得过于保守。这些位置的理论计算值均与设计目标值较为接近，在加速器调试验证过程中需对这些位置进行重点关注，若出现剂量率超过设计目标值的情况，需进行局部屏蔽或控制缩减在这些位置的居留时间。

3 屏蔽计算方法与模型

本文屏蔽计算使用基于蒙特卡罗方法的三维粒子输运MCNP程序［6－8］。屏蔽计算中电子束能量取最大值1.5 Me V；束流强度取10 m A，即电子发射率为6.25×1016s－1。为减少轫致辐射，在辐照平台上铺设1层5 mm厚的铝板，即电子辐射靶为铝靶。采用点探测器F5计数卡对粒子进行统计计算。使用蒙特卡罗方法计算深穿透问题时，为降低统计误差，采用全窗生成器计算给出各几何块的最佳权重，采用写曲面源和读曲面源进行分层抽样。同时，为节约计算时间，提高计算效率，使用多个CPU进行并行运算。

根据TMSR电子束辐照平台的物理参数及结构布局，建立相应的计算模型，如图2所示。计算模型选择水平地面为z＝0平面（图2a）。南墙墙根外边线为x轴，西墙墙根外边线为y轴（图2b）。

图2 辐照平台计算模型Fig.2 Calculation model of irradiation platform

4 计算结果与分析

4.1 主体屏蔽计算评估

实验大厅原有的四周墙体及楼顶构成TMSR电子束辐照平台的主体屏蔽，其材料均为普通硅酸盐混凝土，密度为2.35 g／cm3。辐射防护工作需对1.3 m厚的四周墙体和0.3 m厚的楼顶的屏蔽效果进行计算评估。表2为四周墙体及楼顶外剂量率的计算结果，其中总剂量率包含0.2μSv／h的环境本底。

表2 主屏蔽体外剂量率Table 2 Outside dose rate of main shield

由表2可看出，TMSR电子束辐照平台四周墙体厚度可满足屏蔽设计要求。辐照平台楼顶剂量率为6.9×102μSv／h，超过了设计目标值25μSv／h，表明0.3 m厚的混凝土楼顶不足以满足屏蔽设计要求，整个辐照平台楼顶面积较大，增加楼顶厚度工程量大、成本高，屏蔽改造工作选择在辐照实验大厅内面积相对较小的辐照室顶部进行局部屏蔽。北墙东侧有一高3.55 m、宽2.95 m的门洞，该处剂量率为9.2×104μSv／h，超过了设计目标值2.5μSv／h，屏蔽改造工作选择在该位置设置防护门进行局部屏蔽。

4.2 辐照室屏蔽计算与分析

TMSR电子束辐照平台进行材料β辐照实验时，在加速器周围将产生大量臭氧等有害气体，因此需搭建辐照室将其隔离，同时辐照室周围有大量控制仪表电缆，为防止电缆辐照老化，需辐照室有一定的屏蔽能力。为确定辐照室屏蔽材料厚度，使用MCNP程序对多组屏蔽方案进行计算比较。表3、4分别列出了辐照室侧面和顶面的不同屏蔽方案所对应的剂量率计算结果。

表3 辐照室侧面剂量率Table 3 Dose rate at side of irradiation chamber

表4 辐照室顶面剂量率Table 4 Dose rate at top of irradiation chamber

由表3、4可看出，辐照室在不进行任何屏蔽的情况下，其四周及顶面剂量率分别为2.4× 107μSv／h和1.2×107μSv／h，当加上铅夹板屏蔽体后，其剂量率水平快速下降，但随屏蔽体厚度的增加，剂量率下降速度变缓。主要是因为电子与物质相互作用所产生的X射线包括两部分，一部分为电离激发产生的低能X射线，另一部分为韧致辐射产生的高能X射线。当未经过任何屏蔽时，低能X射线在总剂量率中占有较大比重，而当设置一定厚度铅夹板屏蔽体后，低能X射线衰减速度相对较快，从而导致总剂量率下降较快。当低能X射线经过一定屏蔽体后，所占比重下降，而不易屏蔽的高能X射线越积越多，即出现能谱硬化［9］，表现出随屏蔽体厚度的增加剂量率下降速度变缓的现象。图3a、b分别为辐照室外侧无屏蔽体和设置10 mm厚钢板加10 mm厚铅板屏蔽体后的光子能谱图。可看出：10 mm厚钢板加10 mm厚铅板可使光子注量率降低两个量级以上；低能X射线在铅夹板中的下降速度较快，整个能谱经过铅夹板屏蔽体后峰值相对右移。由电离激发产生的X射线能量较低，为使其在整个能谱中得以体现，计算中将整个能谱从0 Me V到1.5 Me V均匀分成300个细小的能量段群，能量段宽度为5 ke V，在未设置屏蔽体的情况下，各能量段的相对误差均低于5%；当加上屏蔽体后，在总计模拟跟踪的粒子数n＝9×108时，大部分能量段的相对误差低于5%，但有少量能量段的相对误差在10%左右，所以图3b中某些能量段出现细微锯齿形波动。

根据表3中辐照室侧面不同屏蔽体厚度剂量率的计算结果，将侧面铅夹板厚度设定为10 mm钢加10 mm铅。辐照室铅夹板侧面剂量率为2.2×105μSv／h，小于设计目标值1 Sv／h。根据表4中辐照室顶面不同屏蔽体厚度剂量率的计算结果，遵循ALARA原则，将辐照室顶面铅夹板厚度设定为10 mm钢加20 mm铅，辐照室顶面剂量率为5.1×103μSv／h，小于设计目标值1 Sv／h，楼顶剂量率为9.8μSv／h，小于设计目标值25μSv／h。

图3 辐照室侧面光子能谱Fig.3 Photon energy spectrum at side of irradiation chamber

4.3 防护门两侧及顶部屏蔽计算与分析

辐照平台实验大厅原门洞高3.55 m、宽2.95 m，若按此预留空间设计防护门，防护门总重量将超过10 t，开关不方便，且造价高昂。因此，将门洞缩小为高2 m、宽1.2 m，对其两侧及顶部进行屏蔽防护。因存在大型设备出入的可能，防护门两侧及顶部均采用可拆卸的铅夹板进行屏蔽，分别对称安装在门洞内外两侧，具体布局设计如图4a所示。为方便安装，同时保证防护门两侧及上、下外表面均在同一垂直平面，屏蔽门两侧及顶部铅夹板均采用同一厚度。为找出合理可行的厚度，分别计算多组不同厚度铅夹板的屏蔽效果，表5列出了部分计算结果，该计算数值包含周围0.2μSv／h的环境本底。

图4 门洞两侧及顶部屏蔽设计Fig.4 Shielding design on two sides and top of door

表5 门洞外侧剂量率Table 5 Dose rate at outside of door

根据表5中的计算数据，遵循ALARA原则，铅夹板厚度设计为20 mm钢加50 mm铅，即表5中方案3。为保证铅夹板屏蔽体的结构稳定性，将其设计成5层结构，从中间向两侧依次为10 mm厚的钢支撑结构、25 mm厚的铅屏蔽体结构和5 mm厚的钢封面，如图4b所示。

4.4 防护门屏蔽计算与分析

防护门由钢板和铅板组合而成，针对其不同厚度组合方式，使用MCNP程序对门外剂量率进行计算，表6列出了部分计算结果，其中门外剂量率包含周围0.2μSv／h的环境本底。

表6 防护门外剂量率Table 6 Dose rate at outside of shielding door

根据表6中的计算数据可看出，当钢板厚度为40 mm左右时，防护门铅板厚度至少需60 mm。设计中为避免防护门过重造成开关不便，将防护门分成内、外两扇，其中内防护门为20 mm厚的钢加20 mm厚的铅，共计5层结构，如图5所示；外防护门为22 mm厚的钢加40 mm厚的铅，共计5层结构，如图6所示。两扇防护门总厚度为42 mm的钢加60 mm的铅，即表6中的方案6组合方式。

图5 内侧防护门Fig.5 Inner shielding door

根据防护门两侧、顶部及防护门最终的屏蔽设计，对屏蔽后的门洞外侧周围剂量率分布进行计算，其各点位置的剂量率列于表7，包含周围0.2μSv／h的环境本底。其中各计算点的位置坐标与上述计算模型的坐标轴对应，坐标单位为m。

图6 外侧防护门Fig.6 Outer shielding door

5 现场测量结果

TMSR电子束辐照平台在工程验收阶段，以15 k W最大功率正常运行时，分别使用便携式451P电离室探测器和6150AD-b碘化钠探测器［10－11］对加速器周围人员可能活动区域的关键位置点进行现场测量，两种探测器各测3组数据，将6组数据的平均值作为现场测量值，其测量结果列于表8。其中，四周混凝土墙体外侧的剂量率测量值为0.2μSv／h，接近环境本底水平，说明四周原有混凝土墙体厚度满足屏蔽要求；防护门东、西两侧及顶部铅夹板外的剂量率测量值均在0.2～0.4μSv／h范围内，满足设计要求；外防护门外侧周围的剂量率测量值为1.8μSv／h，低于设计目标值2.5μSv／h，满足设计要求。表8中计算数据与现场测量数据对比，二者存在一定偏差，计算数据均略大于现场测量数据，说明理论计算中所假定的计算条件相对安全保守。对于固定的屏蔽体如辐照大厅墙体、防护门东西两侧及顶部固定铅夹板，其外侧剂量率水平远低于设计目标值，符合屏蔽工程设计中ALARA原则。对于需频繁移动的屏蔽体，如内、外防护门，屏蔽设计中在保障安全的前提下尽量轻巧灵活、方便使用。门洞外侧剂量率水平的计算值与测量值均略低于屏蔽设计目标值，满足辐射屏蔽的安全要求，同时两扇防护门的重量均小于2 t，可方便地手动打开。

表7 门洞外侧光子剂量率分布Table 7 Dose rate distribution at outside of door

表8 电子束辐照平台关键位置点剂量率Table 8 Dose rate at important location of electron beam irradiation platform

6 结论

1）TMSR电子束辐照平台大厅四周主屏蔽墙体厚度满足要求。加速器以最大功率正常运行时，墙体四周剂量率均在0.2μSv／h左右，低于设计目标值2.5μSv／h，满足屏蔽设计要求。

2）TMSR电子束辐照平台辐照室铅夹板设计合理可行。加速器以最大功率正常运行时，其侧面铅夹板外和顶面剂量率均低于设计目标值1 Sv／h，可保障四周电缆的使用寿命。

3）防护门及其两侧、顶部铅夹板设计合理可行。加速器以最大功率正常运行时，门洞外侧最大剂量率低于设计目标值2.5μSv／h，满足屏蔽设计要求。

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Shielding Structure Modification of 1.5 MeV Electron Irradiation Platform

LI Chang－yuan，CAI Jun，ZHANG Guo-qing，WANG Jian-hua，ZHANG Zhi-hong，XU Jie，XIA Xiao-bin＊
（Shanghai Institute of Applied Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201800，China）

The shielding calculation and design modification work were performed for a 1.5 Me V electron irradiation platform of 15 k W.Based on the structure of irradiation platform，a three-dimensional model was constructed for shielding calculation using Monte Carlo code.The shielding ability of the walls was evaluated through calculation，and it is found that the design meets requirements.The shielding structure of the irradiation chamber and the door was determined based on the comparison of different shielding calculation results.Measurements were carried out to verify the calculation results at the end of project phase.The measured results show that the wall and new shielding structure provide proper shielding，which reduces the photon dose rate below the design goal.

electron accelerator；shielding calculation；Monte Carlo；dose rate

TL77

：A

1000-6931（2015）09-1715-07

10.7538／yzk.2015.49.09.1715

2014-05-29；

2014-10-21

李长园（1984—），男，湖北襄阳人，工程师，硕士，核技术及应用专业

＊通信作者：夏晓彬，E-mail：xiaxiaobin＠sinap.ac.cn