乏燃料后处理厂能够减少放射性废物量，是核燃料循环中的重要一环[1]。后处理厂源项和工艺复杂，某些场所具有很强的中子或γ辐射，橙区可达14 μSv/h[2]；且在进行进出料或更换手套箱手套等操作时，极易造成厂房内的放射性气溶胶污染[3]。在我国动力堆乏燃料后处理中间试验厂热试期间，部分工艺人员和维修人员个人剂量超过1.0 mSv/a，在正式运行期间这一值可能达到5 mSv/a[4]。目前在进行检维修作业时，主要通过控制单个人员的作业时间，不同工作人员轮换作业来控制每个人的受照剂量；同时为放射工作人员配备工作服、铅围裙及防护气衣等辐射防护装备[4-5]。但无论使用何种辐射防护作业装备，目前都无法实现外照射与内照射的同步防护。对此，本文提出了一种移动式人员辐射作业防护装备，底盘带动屏蔽体在厂区内移动，将人员保护在屏蔽体内，减弱中子和γ辐射；同时用气瓶向舱内充气，保证舱内正压，隔绝放射性气溶胶；并通过呼吸维持系统保障工作人员作业时间[6-7]，该装备可极大降低人员负重和受照辐射剂量，为后处理厂检维修人员提供辐射安全保障，保障工作时间，提高工作效率。
1 材料与方法移动式人员辐射防护作业装备主要由移动底盘、屏蔽舱、呼吸维持系统和安全系统等部件组成（图1），核心部分为屏蔽舱与呼吸维持系统，用于保障人员辐射安全与作业条件。系统将实现γ、中子辐射与放射性气溶胶的同步防护，系统可满足作业人员在厂房内作业2 h的需求。
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图 1 移动式人员辐射防护作业装备系统框图 Figure 1 Block diagram of the mobile personnel radiation protection equipment system |
乏燃料后处理厂房内的中子、γ辐射可通过屏蔽舱屏蔽，以减少工作人员的受照剂量。屏蔽舱的材料和厚度要从防护效果、重量、成本等方面多重考虑[8]。
利用蒙卡程序进行模拟分析，模拟时以平面源垂直入射屏蔽体，如图2所示，比较有无屏蔽体时的剂量率。使用控制变量法，通过改变屏蔽体的材料及厚度，比较聚乙烯、含硼聚乙烯（5.11%）、有机玻璃、水4种材料在相同厚度下屏蔽效果，根据模拟结果选取最合适的材料作为屏蔽舱材料。
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图 2 屏蔽体模拟计算示意图 Figure 2 Schematic diagram of shield for simulation and calculation |
为实现放射性气溶胶防护，屏蔽舱将采用正压密封设计，维持舱内正压，隔绝外部空气进入屏蔽舱。在舱门处使用密封固定板，并通过闭锁装置压紧，保障屏蔽舱密封性良好。
在屏蔽舱内工作属于密闭环境作业，必须保障人员作业环境安全[9-10]。环境中氧气体积分数低于19%会导致人员工作效率降低，有缺氧感觉；二氧化碳体积分数超过1000 ppm将导致作业人员感到空气浑浊、精神不振，超过2000 ppm会导致作业人员无法集中注意力、严重影响作业效率[11]。为保证屏蔽舱内空气质量能满足人员作业要求，需将屏蔽舱环境内氧气体积分数控制在19%以上[12]，二氧化碳体积分数控制在1000 ppm以下[13]。
设计呼吸维持系统以保证人员作业环境安全。呼吸维持系统利用高压气瓶载带压缩空气在屏蔽舱上方释放，来维持工作人员呼吸；使用有害气体吸收装置控制屏蔽舱内的有害气体浓度；通过屏蔽舱底部的单向阀将舱内气体排出，保障舱内压力平衡的同时维持舱内微正压，隔绝放射性气溶胶进入屏蔽舱。
有害气体吸收装置可有效降低屏蔽舱中的有害气体浓度[14-15]，其主要由高效吸附剂、鼓风机、风道、过滤器、气体含量传感系统组成，鼓风机将屏蔽舱内空气鼓入风道，使其中的有害气体与高效吸附剂接触并吸收，经过滤器过滤后回到舱内，保护人体不受二氧化碳等有害气体的影响。有害气体吸收装置同时起到保持舱内气体流动，使气体混合均匀等作用。
1.3 移动底盘移动式人员辐射防护作业装备整机质量约为750 kg，载带作业人员后整体质量不超过900 kg。设计移动底盘负载达到1.3吨，采用舵轮加万向轮组合实现大负载下的移动，舵轮负责驱动，万向轮辅助转向，并在驱动轮部分进行平衡设计，防止驱动轮在因为不能有效接触地面而出现的设备驱动轮空转，从而实现前后运动、左右平移、复合运动和差速旋转运动（图3）。同时为满足不同高度的作业需求，使用电动缸和举升支架组成举升机构，实现对屏蔽仓的升降。
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图 3 底盘平衡设计 Figure 3 Chassis balance design |
屏蔽舱中子屏蔽模拟效果如图4所示，可以发现聚乙烯与含硼聚乙烯屏蔽效果几乎一致，均优于有机玻璃与水，聚乙烯成本低于含硼聚乙烯。根据模拟结果，移动式人员防护作业装备将采用8 cm厚的聚乙烯作为防护材料，可实现屏蔽舱内中子剂量水平为外部环境的1/5。
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图 4 归一化中子屏蔽模拟结果 Figure 4 Normalized neutron shielding simulation results |
目标应用场所中的伽马射线主要源于超铀核素产生的低能射线，8 cm厚度的聚乙烯对低能伽马射线也有良好的防护效果，模拟效果如表1所示，模拟结果表明屏蔽舱内伽马剂量率为外部环境的1/2甚至更低。
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表 1 归一化伽马屏蔽模拟结果 Table 1 Normalized γ shielding simulation results |
对中子屏蔽模拟结果进行验证，所用屏蔽体为聚乙烯板材，厚度8 cm、长宽各50 cm，放射源采用中子发射率为2.4 × 105 s−1的Am-Be中子点源，使用中子雷姆仪对屏蔽体后的剂量率进行测量。实验数据如表2。
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表 2 聚乙烯板中子屏蔽实际效果 Table 2 Actual neutron shielding effectiveness of polyethylene sheets |
屏蔽舱内辐射强度为外部环境的1/5，实现了优良的中子屏蔽效果。
2.2 呼吸维持系统测试 2.2.1 屏蔽舱密封性能测试使用正压密封检漏法对屏蔽舱密封性进行测试。首先将屏蔽舱预留的进气口与出气口堵死，仅保留一个进气口用于测试时加压；将烟饼置于屏蔽舱内，关闭屏蔽舱门；通过进气口向舱内充入气体，保持舱内压力高于外部环境气压。在2 h内每隔5 min定时观察屏蔽舱外部是否有烟雾泄露。
在2 h的实验过程中，未观察到烟雾泄露出屏蔽舱的现象，测试结果表明屏蔽舱密封性能良好。
2.2.2 屏蔽舱内气体含量模型经计算，密封舱内氧气的体积分数（x）随时间的变化规律为：
| $ x=\frac{0.21·V + \left(0.21n-0.05m\right)·t}{V + n·t} $ | (1) |
密封舱内二氧化碳的体积分数（y）随时间变化的规律为：
| $ y=\frac{0.0003·V + \left(0.0003n + 0.0397m\right)·t}{960 + n·t} $ | (2) |
其中，V为屏蔽舱容积，n为通过气瓶每分钟进入舱内的气体量，m为作业人员在工作时每分钟呼吸所消耗的空气量，t为作业时间。
屏蔽舱容积为960 L，作业人员在屏蔽舱内进行轻度活动时，每分钟消耗空气量约为20 L/min[16]，比较不同进气量（n）下屏蔽舱内氧气体积分数变化，如图5所示。
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图 5 m=20L/min时，不同进气量（n）下氧气体积分数变化曲线 Figure 5 Oxygen volume fractions at different inlet flow rates （n） and m=20 L/min |
由图5得知，在作业人员消耗空气量较低的情况下，加大进气量可以有效控制屏蔽舱内氧气体积分数的下限，60 L/min的进气量可保障作业人员的作业需求。下面将进一步分析作业人员在屏蔽舱内进行中等强度作业时，即消耗空气量增加到40 L/min时，不同进气量下屏蔽舱内氧气体积分数的变化，如图6所示。
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图 6 m=40 L/min时，不同进气量（n）下氧气体积分数变化曲线 Figure 6 Oxygen volume fractions at different inlet flow rates （n） and m=40 L/min |
由图5，6可知，当作业人员在屏蔽舱内进行中等强度工作时，可以通过增加进气量的方式实现舱内氧气的体积分数高于19%。
下面对屏蔽舱内二氧化碳体积分数变化进行分析，当作业人员每分钟消耗空气量为20 L/min，不同进气量（n）下屏蔽舱内二氧化碳体积分数如图7所示。
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图 7 m=20 L/min时，不同进气量（n）下二氧化碳体积分数变化曲线 Figure 7 Carbon dioxide volume fractions at different inlet flow rates （n） and m=20 L/min |
由图7可以观察出当人在屏蔽舱内的耗气量一定时，加大进气量可以有效降低二氧化碳体积分数在后期达到的最大值。但是单纯的加大进气量不能阻止二氧化碳体积分数在初期的迅速上升超过2000 ppm，不能满足人员在屏蔽舱内作业需求。
为了控制屏蔽舱内的二氧化碳体积分数，必须在屏蔽舱内增加有害气体吸收装置。增加有害气体吸收装置后，屏蔽舱内二氧化碳体积分数（y）随时间变化的规律为：
| $ y=\frac{0.0003·V + \left(0.0003n + 0.0397m\right)·t}{V + n·t + R·\eta ·t} $ | (3) |
其中，R为每分钟通过有害气体吸收装置的屏蔽舱内空气体积，η为吸附效率。
当每分钟通过有害气体吸收装置的空气量为5000 L/min、吸附效率为0.5、作业人员在屏蔽舱内作业每分钟消耗空气量为40 L/min时，不同进气量下屏蔽舱内二氧化碳体积分数变化如图8所示。
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图 8 m=40 L/min时，不同进气量（n）下二氧化碳体积分数变化曲线 Figure 8 Carbon dioxide volume fractions at different inlet flow rates （n） and m=40 L/min |
由图8可知，理论上有害气体吸收装置可将屏蔽舱内的二氧化碳体积分数控制在650 ppm以下，满足作业人员需求。
2.2.3 呼吸维持系统测试结果选取5名成年男性分别在屏蔽舱内进行2 h的中等强度活动。控制进气流量为60 L/min，打开有害气体吸收装置，5名人员分别在屏蔽舱内进行2 h模拟作业。作业过程中舱内氧气及二氧化碳体积分数变化如图9所示。
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图 9 试验过程中屏蔽舱内氧气与二氧化碳气体体积分数变化 Figure 9 Volume fractions of oxygen and carbon dioxide gases in the shielding chamber during the experiment |
在5次2 h的试验过程中，屏蔽舱内氧气体积分数始终在19.5%以上，呈波动下降趋势；屏蔽舱内二氧化碳体积分数在试验初期上升至750 ppm，随后在550～750 ppm波动。试验结果满足屏蔽舱内氧气体积分数高于19%，二氧化碳体积分数低于1000 ppm的作业需求。
2.3 底盘测试对底盘进行移动测试、负载测试与续航测试。测试结果表明底盘可载带屏蔽体与作业人员实现平移、原地转向与屏蔽舱升降等功能，移动速度达到0.8 m/s，升降速度达到100 mm/s，续航时间超过4 h，满足作业需求。
3 讨 论本文设计了一种可载带人员在辐射环境下进行作业的移动式人员辐射防护作业装备，其创新之处在于实现中子、放射性气溶胶和γ射线的同时防护，一定程度上解决了在辐射环境中，中子、γ及放射性气溶胶防护难以同时实现的问题[5]。在设计时模拟射线垂直入射情况，偏保守，在实际使用中屏蔽效果会更好。同时，该装备减轻了放射工作人员负载，并且在紧急情况下相对其它穿戴式防护措施可更快部署[17]。呼吸维持系统测试结果表明该装备可满足人员驾驶装备在后处理厂房等强辐射环境中作业2 h的需求，在保障人员辐射安全的同时兼顾屏蔽舱密闭空间内作业环境安全。该套系统可由单人独立使用，能够有效减小放射工作人员的受照剂量，预计可将年个人剂量降低一半。
该装备可载带人员进入乏燃料后处理厂等强辐射环境中对厂房内的设备进行检维修，能够为乏燃料后处理厂生产设备的安全运行提供支持与保障，提高工作效率，减少人员的受照剂量，对于乏燃料后处理厂等高辐射场所的设备运行和维护具有重要意义。该设备已交付某厂房使用，并得到良好的反馈。
该装备在设计上具有一定的灵活性，可根据应用场景中的辐射种类及强度对屏蔽舱厚度及材料进行调整以获取更优的屏蔽效果，也可根据作业时间需求调整呼吸维持系统参数以保障人员作业时间，适应不同强辐射场景和作业条件需求。后续将在保证防护效果的情况下提高该套装备的通过性，也将对装备内作业人员的舒适性进一步考虑。
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