高放废液玻璃固化厂中屏蔽窗辐射屏蔽的工程计算

高放废液玻璃固化厂中屏蔽窗辐射屏蔽的工程计算

屏蔽窗是高放废液玻璃固化厂房中的重要设备，它被安装在热室和操作廊之间的热室墙体中。作为厂房运行人员通过远距离操作系统操作热室设备时视觉的主要路径，屏蔽窗应具备密封、屏蔽和防护的功能。根据辐射防护管理规定，厂房运行人员所受剂量必须控制在安全范围内，因此必须考虑对屏蔽窗的辐射屏蔽进行工程计算。文章采用MicroShield程序，计算得出了屏蔽窗的最小厚度，使其满足运行人员在操作廊上所受的剂量的控制范围，从而保障运行人员的辐射安全。

标签：玻璃固化厂；屏蔽窗；辐射；计算

1 引言

在高放废液玻璃固化厂房中，屏蔽窗主要安装在熔炉热室、产品容器转运热室、产品容器处理热室以及干法尾气处理等热室与操作廊之间的墙体中，是高放废液玻璃固化厂房中重要的机械设备，起到了屏蔽和防护的作用。在实际的工程设计中，屏蔽设计人员单凭经验是很难找到满足辐射安全的屏蔽设计方案，因此需要进行大量的屏蔽设计方案的搜索与计算[1]。

在放射性废物中，高放废物包含了绝大多数的放射性核素，具有相当高的放射性、毒性和衰变热[2]，即使经过玻璃固化处理后，依旧会放出α、β、γ和中子等射线，以此造成对操作人员的放射性危害。由于厂房内的中子通量远小于γ通量，而且经过厂房厚重的混凝土结构以及屏蔽窗后，中子剂量率不予考虑。因此在文章模型中只考虑γ辐射。文章以产品容器转运热室中的屏蔽窗为例，通过MicroShield程序模拟计算，设计出能够保障运行人员职业照射安全所需的最小厚度[3]。

2 物理模型

2.1 屏蔽窗模型

屏蔽窗主体结构包括屏蔽窗玻璃体、屏蔽窗框和包络屏蔽窗的屏蔽板。屏蔽窗玻璃体的主要构成组份为10B、11B、O、Na、Si、K和Fe，调整这些组份在屏蔽窗玻璃体中所占的比例，使屏蔽窗具有不同的密度。屏蔽窗玻璃体一般由三部分屏蔽玻璃构成，从热室内部到操作廊前区的玻璃分别为防护玻璃、屏蔽玻璃以及密封玻璃，由上述部分组合在一起最终起到屏蔽窗的密封、可视和辐射屏蔽作用。作为玻璃固化厂房中产品容器转运热室中的屏蔽窗玻璃体的密度为2.6g/cm3。

另外屏蔽窗框由铸铁构成，而包络屏蔽窗的屏蔽板由不锈钢构成。

2.2 辐射源模型的建立

2.2.1 辐射源

在产品容器转运热室中，唯一的辐射源为装有玻璃产品的产品容器。根据本厂房的工艺要求，在产品容器转运热室内的主要任务为将产品容器转运至产品容器装载机，最终由产品容器装载机将产品容器送入暂存库存放。

该辐射源主要为137Cs的γ辐射（0.662MeV，0.184MeV），其它放射性核素的γ辐射可忽略不计。同时由本厂房的物料平衡及放射性平衡，计算出存在于本热室内的辐射源的活度浓度约为1.7E+12Bq/kg。

2.2.2 辐射源模型

产品容器转运热室的放射源位置不固定，为移动源，因此将移动源的位置设为距离屏蔽窗最近的工况（紧靠屏蔽窗前的主从机械手）来进行屏蔽计算所需屏蔽窗的最小厚度。其中，移动源的尺寸为高1100mm、Φ420mm的圆柱体。

模型Ⅰ为：设定热室内产品容器在A点，（在屏蔽窗的轴线上），距离屏蔽窗为100mm。剂量率测量点设定为距操作廊屏蔽窗30mm的C点。

模型Ⅱ为：设定产品容器在B点，离屏蔽窗的垂直和水平距离为各100mm，剂量率测量点设定为距操作廊屏蔽窗30mm的C点。

屏蔽窗模型为块状立方体，安装在混凝土墙体内。其屏蔽计算模型如图1所示：

3 辐射屏蔽的工程计算

3.1 辐射防护剂量率分区要求

根据GB18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》及相关法律法规，设计规范：对于职业照射，连续五年的平均有效剂量不得超过20mSv。本工程考虑年有效工作时间250天，每天工作时间8小时。关于辐射防护剂量率分区要求及基于屏蔽设计计算过程中安全系数不低于2的考虑，详见表1辐射防护剂量率分区要求：

表1 辐射防护剂量率分区要求

3.2 计算方法

利用基于点源方法的MicroShield程序对屏蔽窗的厚度进行了透射率计算[5]，在程序计算过程中”build-up”因子用于对伽玛射线的通量进行修正。该程序能够自动修正一般情况将线源、面源及体源简化为点源计算时导致结果偏差的问题，因此文章在计算过程中采用将柱体放射源简化为点源的模型。

MicroShield程序由美国Grove Software公司开发，可用于包括了点源、线源、面源、体源等16种几何源模型的光子/γ射线的屏蔽剂量计算如屏蔽设计、辐射源强计算以及外照射最小化计算等。其适用的放射源能量范围为15KeV to 10 MeV，特点包括可以计算放射性核素的衰变热、具有多个案例可以同时计算的能力等。

3.3 计算结果及屏蔽窗厚度的确定

利用MicroShield程序对模型Ⅰ的屏蔽窗的厚度进行计算。模拟结果如图2所示，当屏蔽窗的厚度为100cm时，C点的剂量率为0.003mSv/h；当屏蔽窗的厚度为120cm时，C点的剂量率为0.002mSv/h；当屏蔽窗的厚度为130cm时，C点的剂量率为0.001mSv/h。由于操作廊在辐射防护分区中属于绿区，需控制该操作廊（绿区）的剂量率不超过0.002mSv/h，因此需选择屏蔽窗的最小厚度为120cm。

利用MicroShield程序对模型Ⅱ不同屏蔽窗厚度C点的剂量率进行了计算。模拟结果如图3所示，当屏蔽窗的厚度为50cm时，C点的剂量率为0.01mSv/h；当屏蔽窗的厚度为80cm时，C点的剂量率为0.0025mSv/h；当屏蔽窗的厚度为100cm时，C点的剂量率为0.001mSv/h。由于操作廊在辐射防护分区中属于绿区，需控制该操作廊的剂量率不超过0.002 mSv/h，因此在此工况下选择屏蔽窗的厚度为80cm即可。图3 模型Ⅱ屏蔽计算结果图

4 结束语

由模型Ⅰ和模型Ⅱ的计算结果表明，当产品容器位于距离屏蔽玻璃100cm 处轴线位置上时，处在操作廊屏蔽窗前工作的运行人员所受γ射线辐照的剂量率最大。因此屏蔽窗的最小厚度应选用对模型Ⅰ计算得出的产品容器转运热室屏蔽窗的厚度：120cm，此屏蔽窗厚度可以确保运行人员所受γ射线照射处于安全范围内。

文章通过MicroShield程序，确定了该热室屏蔽窗所需的最小设计厚度。这个设计满足辐射防护管理规定，保障了屏蔽窗前工作的运行人员的辐射安全。

参考文献

[1]贾小波，石秀安.屏蔽设计组合优化研究[J].核科学与工程，2010，

30（4）：338-349.

[2]马鸿宾，胡蓉，张威，李廷君，等.我国高放玻璃固化体地质处置的工程屏障方案研究[C].第三届废物地下处置学术研讨会论文集，367-365.

[3]中华人民共和国国家标准.GBl8871-2002.电离辐射防护与辐射源安全基