基于MC法的PLC控制器辐射屏蔽研究

边狄武,邹树梁

(1.南华大学 资源环境与安全工程学院,湖南 衡阳 421001;2.南华大学 核设施应急安全作业技术与装备湖南省重点实验室,湖南 衡阳 421001)

0 引 言

能源对于经济发展有重大的促进作用，随着人口和经济的快速增长，人类逐渐将获取能源的途径转向核电。核电作为一种清洁高效能源，是我国增加能源供应、优化能源结构、应对气候变化最重要的选择之一。经过数十年的发展，我国原先有的核设施、铀矿山等到达了使用年限，进入了退役期，这时候就需要进行核设施退役处理，单纯地靠人力进行退役处理无疑会对健康造成伤害，这就需要核设施退役机器人的协助。除了核设施退役，放射性事故也不容忽视。核电站一旦发生核事故及泄露，它所造成的灾难可以说是巨大的，如前苏联切尔诺贝利、美国三哩岛、日本福岛核事故[1]。核事故发生后，由于事故现场有较强的放射性，救援人员无法第一时间进入事故现场，因此核应急机器人的开发就显得尤为重要。就目前而言，我国的核电建设运行数量位居世界前列，利用核应急机器人完善救援体系已成必然趋势。

经过研究表明，核应急机器人耐辐射性能主要取决于最薄弱的电子器件箱，而控制系统中可编程序逻辑控制器控制器(programmable logic controller,PLC)等电子元器件的耐辐照性能又最为薄弱[2]。电子器件箱控制着整个机器人的运作以及完成一系列复杂的工作，相当于是机器人的大脑，故对于电子器件箱的屏蔽设计显得尤为重要。机器人内部由复杂电子器件及控制系统组成，在高放射性环境中，如果不对内部电子器件、传感器及通信系统采取防护措施，机器人将无法正常工作[3]。本文采用仿真模拟的方法，对PLC控制器的屏蔽进行研究，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，分析屏蔽材料排布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。

1 材料与方法

1.1 MCNP5程序

仿真模拟使用MCNP5程序。MCNP程序还可以处理电子输运，包括原始电子输运和由伽马射线相互作用所产生的次级电子输运[4]。

1.2 SFm-2424 PLC控制器

本次仿真实验选用SFm-2424 PLC控制器，如图1，主要功能为实现对机器人工作装置、行走装置控制并实时监控机器人状态信息。控制器采用CANOPEN总线协议进行数据通讯，工作电压为直流电DC(direct current)24 V，工作电流为5 A及以上，尺寸为179 mm×100 mm×48 mm。

图1 SFm-2424 PLC控制器Fig.1 SFM-2424 PLCcontrollerr

1.3 耐辐照实验

根据国际原子能机构(International Atomic Energy Agency,IAEA)官方公布数据以及核电站相关设计标准，如表1所示，为耐辐照实验的实验条件，满足核环境作业机器人或机器人系统耐辐照性能测试要求的参考标准主要有：中国军用标准、美国军用标准和欧洲宇航局标准。

表1 实验条件Table 1 Experiment condition

实验在湖南省浏阳市辐照中心进行，放射源为60Co。将处于无负载工作状态的控制系统依次置于剂量率为20 Gy/h、50 Gy/h、100 Gy/h的位置进行辐照，通过安装在电脑中的CoDeSys-2.3软件实时监测控制器的运行时间、比例阀反馈电流、电路连接状态。如图2所示为观测软件截面图，如图3所示为实验连接示意图。若电流幅值变化不超过10 mA，则设备正常工作，若电流幅值变化超过10 mA或出现连接中断，则表明控制器已损坏失效，记录正常工作时长，并计算出累积剂量。表2为控制器耐辐射工作时长，表3为控制器耐辐照总剂量，实验结果可以得出控制器耐辐照平均剂量为156.925 Gy。

图2 观测软件界面图Fig.2 Observe software interface diagram

图3 实验连接示意图Fig.3 Diagram of experimental connection

表2 控制器耐辐射工作时长Table 2 Radiation-resistant working hours of the controller

表3 控制器耐辐照总剂量Table 3 Total radiation dose of the controller

1.4 材料的选取

屏蔽材料在选取时希望满足要求的情况下，尽量使屏蔽体的体积和质量更小，并一定程度上考虑经济性。基于反应堆的屏蔽材料可知，目前可用的屏蔽材料很多，可在以下材料中选择：

1)中子兼γ屏蔽材料：W合金、Re合金、ZrH2、ZrB2、含硼不锈钢等；

2)中子屏蔽材料：LiH、B4C、LiBH4、Be、BeO、石墨、水等；

3)γ屏蔽材料：Pb、贫铀、Ni合金、不锈钢等。

表4对比了几种典型的γ射线屏蔽材料的密度及特点。根据γ射线与物质的相互作用原理，铅这类重元素通过光电效应、康普顿散射和电子对效应等原理，吸收、散射γ射线，常用铁和铅等作屏蔽材料[5]。

表4 几种典型的γ射线屏蔽材料Table 4 Several typical gamma ray shielding materials

为了进一步探究和比较这些材料的屏蔽性能，设计验证计算，设定γ射线能量为1 MeV，采用MCNP5对屏蔽材料的屏蔽性能进行模拟比较，按式(1)计算得到线性衰减系数μ和质量衰减系数μm，并进行比较如表5所示。

表5 γ射线能量为1 MeV，屏蔽材料的线性衰减系数和质量衰减系数Table 5 γ-ray energy is 1 MeV, linear attenuation coefficient and mass attenuation coefficient of shielding material

式中，μ——线性衰减系数；

I——有屏蔽材料射线透过率；

I0——无屏蔽材料射线透过率；

R——屏蔽材料厚度。

由表5可知，钨的线衰减系数最大，说明单位长度下，材料的屏蔽性能与密度有关，其次是钽、铅、铁。铅的质量衰减系数最大，钨和钽的质量衰减系数相差不大，单位质量的铅屏蔽效果最好，其次为钨和钽。

核救灾机器人电子器件局部屏蔽的空间有限，对线性衰减系数和质量衰减系数的对比分析可知，釆用金属钨作为屏蔽材料可以节省空间和质量。电子器件在运行过程中会产生热量需要散出，因此还需要考虑屏蔽体的导热性能，Pb、W、Ta的热导率分别为35、180、60 W/mK，钨作为屏蔽材料的同时也具有很好的导热性能。

机器人在中子环境作业时，屏蔽材料通过共振俘获和非弹性散射与中子相互作用，会产生二次γ。不过钨只有6%的中子会产生高于5 MeV的γ，且γ最高能量为7.42 MeV。与之相比，Fe、不锈钢中有超过25%的中子会产生高于5 MeV的γ，且最高能量为10.16 MeV。但纯钨的力学性能不够理想，工程上常用混合了镍、碳元素的W合金，一般为90%W+6%Ni+4%C。

综上所述，在对纯金属的屏蔽性能指标：线性衰减系数μ、质量衰减系数μm对比探究后，确定了以钨为基体材料，混合其他元素的钨合金来提升钨的力学性能、导热性能、屏蔽性能的路线，最终实现核救灾机器人电子器件屏蔽箱的材料优化设计。

1.5 模型构建

本次实验采用柱状60Coγ射线放射源，柱状放射源高度设置为180 cm，直径15 cm。如图4所示为辐照室俯视图和平面图，设以辐照室地面中心为坐标原点，向东为x轴正向，向北为y轴正向，向上分布为z轴；放射源平均活度为90 kCi，辐射场不均匀度小于10%，环境温度约为19 ℃，模拟真实大气环境。

1—柱源;2—屏蔽体;3—混凝土墙。图4 辐照室俯视图和平面图Fig.4 Top view and plan of the irradiation chamber

根据SFm-2424 PLC控制器装置的原始尺寸179 mm×100 mm×48 mm建立仿真模型，按照如图5所示，对屏蔽箱体的内外共12各面进行标号，通过对MCNP5的F2面通量计数卡对通过各个表面的γ辐射量进行统计，对比各个面的γ面通量数据进行屏蔽效果分析：

图5 屏蔽装置主观图与俯视图Fig.5 Subjective and top view of shielding device

1)对比6号面、5号面，获知正面屏蔽层厚度对屏蔽效果的影响；

2)对比9号面、1号面，获知左右两面屏蔽层厚度对屏蔽效果的影响；

3)对比11号面、3号面，获知上面屏蔽层厚度对屏蔽效果的影响。

2 仿真结果与讨论

结合对材料选取的研究，了解到以钨为基体的合金材料具有更好的屏蔽性能、力学性能、导热性能等。但这只是对于单层屏蔽结构而言，因此需要设计实验来进一步探究多层屏蔽结构下的材料排布顺序和厚度的优化选择。

首先对于单层屏蔽。选择应用广泛的钨镍合金，对比研究在同一厚度下的不同钨镍组合和钨镍合金单层屏蔽模型的透射率来获得材料的屏蔽性能，并且通过增加屏蔽层的厚度计算面通量，对比初始的面通量来确定能够满足屏蔽效果的屏蔽厚度，其结果对多层屏蔽结构设计方案具有指导意义。

对于多层屏蔽。根据单层屏蔽设计得出的屏蔽厚度，结合多种γ屏蔽材料，采用遗传算法对材料和厚度进行抽样，得到多种材料排布的屏蔽方案，并对其进行透射率的计算分析，找出重量最轻的方案作为屏蔽设计方案。

2.1 不同钨镍组合及合金的屏蔽性能探究

采用单能同向2 cm×2 cm面源γ射线垂直入射到长方体平板上，通过比较平板前、后面的粒子通量计算得到透射率。模拟γ源的活度设为108Bq，入射能量为1 MeV。如图6所示为透射率的实验设计图。

图6 透射性能模拟计算模型示意图Fig.6 Diagram of transmission performance simulation calculation model

根据透射率的实验计算模型，为了探究合金材料相较于分层材料屏蔽性能的优劣，如图7所示，设计了三种屏蔽结构模型：镍前钨后(Ni-W)组合、钨前镍后(W-Ni)组合、钨镍合金(Alloy)。三种模型厚度均为单位长度1 cm，且钨镍的体积比为1∶1，钨、镍密度分别为：19.25 g/cm3、8.9 g/cm3，合金密度为14.1 g/cm3。

图7 三种屏蔽结构模型示意图Fig.7 Three kinds of shield structure model schematic diagram

表6为γ射线入射到三种模型后透射率的计算结果。当W和Ni的体积比为1:1时，三种模型中W-Ni组合透射率最大，屏蔽效果最差，Ni-W组合屏蔽效果稍好于钨镍合金(Alloy)。故此次单层屏蔽结构实验选用Ni-W组合屏蔽方案。

表6 1 MeVγ射线入射到三种模型(1 cm)后透射率计算结果Table 6 Transmissivity calculation results of 1 MeV gamma ray incident into three models (1 cm)

2.2 增加屏蔽层厚度对屏蔽效果的影响

通过增加Ni-W组合屏蔽厚度，测量各面的通量来对比分析其屏蔽效果，最终用于确定满足要求的屏蔽层厚度。经MCNP计算得正面(5号)、侧面(1号)、顶面(3号)的初始通量分别为：9.837 5×109、7.547 8×109、9.536 3×109Bq/cm2。

如表7所示，由三个面的初始面通量可知，Ni-W屏蔽层厚度为1 cm时，正面的屏蔽效率为33.71%，侧面为49.10%，顶面为52.31%，MCNP的仿真误差为0.315%。当屏蔽层厚度达到5 cm时，屏蔽效率超过90%，屏蔽最难的正面也达到了93.67%。基本满足电子器件箱的屏蔽要求，能够保证机器人在辐照环境下的正常运转。

表7 三面通量对比表格Table 7 Three-sided flux comparison table

2.3 基于确定厚度的屏蔽层优化设计

由前两节可知，材料的分层排布的屏蔽效果可能会优于单层的合金材料，且厚度达到5 cm时基本满足屏蔽要求。因此，可以采用遗传算法对5 cm厚度进行分层抽样，将其随机分为三层，并随机赋予材料，材料从钨、钽、铅、铁中抽取、编号。如图8所示为每层的厚度信息和材料信息，对其进行二进制编码。

图8 屏蔽方案遗传编码示意图Fig.8 Schematic diagram of genetic coding of shielding scheme

通过遗传算法的交叉、变异操作即可获得新的屏蔽方案，采用NSGA-Ⅱ算法，设置目标函数分别为：正面屏蔽层的面通量R、屏蔽体总质量W。初始方案为5 cm厚度的Ni-W组合，设置迭代次数为200代，种群大小为100，交叉概率为0.2，变异概率为0.1。如图9所示为1至50代迭代趋势和200代最终迭代计算结果。

图9 多目标遗传算法优化迭代收敛及最终结果图Fig.9 Multi-objective genetic algorithm optimization iterative convergence and final result diagram

从1至50代迭代趋势图(图9)中可以看出，由初始方案通过遗传操作产生的第1代100个种群是离散的，经过多目标非支配排序，第50代已初步往左下角收敛。第200代时已基本收敛为一条紧凑的前沿线分布，以初始方案的重量和面通量为基准，可以找出比其更优的左下角的10个优化方案，将邻近的方案看作为相似方案做删减，如图8所示，为最终取出的其中五个方案。

表8 优化结果Table 8 Optimized result

在以上五种屏蔽方案中，选择面通量最小的5号方案制成电子屏蔽箱体结构验证模型如图10所示。将控制器放入电子屏蔽箱内，重复第三节中的耐辐射剂量实验，依次置于剂量率为20 Gy/h、50 Gy/h、100 Gy/h的位置进行辐照，在经过3倍未屏蔽状态的辐照时间后，控制器依然能够正常工作，重铬酸银剂量计的平均累积剂量为107.182 Gy，小于耐辐照实验中的156.925 Gy，此屏蔽结构设计方案能够安全、有效的延长控制器的使用时间。

图10 屏蔽箱模型Fig.10 Shielded box model

3 结 论

本论文设计的辐射屏蔽装置结构简单、易于安装，可以根据实际工作环境进行整体设计，同时也可以为相类似几何尺寸物体设计屏蔽装置作参考。首先，对几种典型的γ射线屏蔽材料进行计算分析得出优选的屏蔽材料，其次，分别结合单能同向2 cm×2 cmγ面源和辐照室柱状60Coγ射线放射源对优选出Ni-W组合屏蔽方案且以Ni-W组合确定了满足要求的屏蔽厚度5 cm，最后，基于多目标遗传算法对5 cm厚度和材料排布顺序进行分段抽样、迭代计算，输出重量和面通量较初始方案更低的优化方案。

1)钨、钽、铅、铁四种屏蔽材料中，钨的线性衰减系数最大，射线屏蔽能力最强，单位质量的铅屏蔽效果最好，其次为钨和钽。在电子器件局部屏蔽的空间有限的条件下，釆用金属钨或钨合金等作为屏蔽材料可节省空间，且具有较好的导热性。

2)对镍前钨后(Ni-W)、钨前镍后(W-Ni)、钨镍合金(Alloy)三种模型的屏蔽性能模拟计算对比研究发现：镍前钨后(Ni-W)组合的屏蔽效果较好，在材料比例相同时，分层材料的屏蔽性能有时会优于合金材料。

3)以屏蔽性能最好的镍前钨后(Ni-W)组合进行辐照室柱状60Coγ射线放射源MCNP仿真计算，确定满足条件的屏蔽厚度。根据此厚度设计基于多目标遗传算法的屏蔽层优化设计，将厚度和材料进行抽样、排序、计算，最终输出较初始方案重量更轻、面通量更小的优化方案。

4)将得出的优化方案制成屏蔽箱，将控制器放入其中重复耐辐照实验，验证屏蔽箱的屏蔽性能。结果表明，此屏蔽箱设计能够有效的保护控制器，能够极大的延长工作时间。