近年来, 我国⁶⁰Co放射性同位素辐照加工技术在食品保鲜、医疗制品灭菌消毒、材料改性等应用方面得到了广泛的发展。随着辐照装置数量的增多、装源活度的不断增加, 强γ辐照装置的外照射屏蔽防护设计日益凸现其重要性。本文参考有关文献, 对某水池型⁶⁰Co辐照装置γ外照射屏蔽防护设计进行计算验证与评价, 并对其中的关键问题进行了有益探讨。

1 辐照装置设计概况

该⁶⁰Co辐照装置设计装源活度为3.7×10¹⁶Bq, 辐照室设计长约30m, 宽约13m, 高约8.1m (包括屏蔽体墙厚), 其平面示意图见图 1。三侧主防护墙和防护顶设计厚度均为2m, 采用密度为2.35g/cm³混凝土一次性浇注成型。货物和人员分别进出, 并采用迷路结构降低出入口处的辐射水平。储源主井设计深度为7.5m, 面积约24m², 设计最低水位警戒线为1m。储源副井设计深度为7.5m, 直径为1.5m, 倒装源时储满水。拟采用的γ辐射源为C-188型⁶⁰Co密封源, 放射源外形呈棒状圆柱体, 源棒直径为11.1mm, 长度为451mm。

2 防护设计的验证与评价 2.1 验证与评价的依据

设计装源活度3.7×10¹⁶Bq水池型⁶⁰Co辐照装置的源架尺寸偏大, 考虑到辐照室内空间较大, 在本文中我们采取了偏保守的点源近似方法。按照《钴-60辐照装置的辐射防护与安全标准》(GB10252-1996)的要求^[1], 工作人员与该源相关的剂量应控制在5mSv/a以内。《水池贮源型γ辐照装置设计安全准则》(GB17279-1998)中细化了该项要求, 描述为监督区内距屏蔽体的可达界面30cm处, 由贯穿辐射所产生的平均剂量率应不大于2.5×10^-3 mSv/h, 并以此值作为屏蔽设计验证依据^[2]。

2.2 主屏蔽墙的设计验证

辐照装置正常运行期间, 源架处于储源水井上方, 主防护墙屏蔽的主要对象是贯穿射线。根据文献[3]中推荐使用剂量减弱倍数方法(以下简称K方法)和屏蔽衰减十分之一层(以下简称TVT方法)分别进行估算, 对运行时辐照室的三侧主防护墙和防护顶外30cm处的剂量率进行估算。屏蔽衰减物质TVT方法概述为, 距源r米处的剂量率由下式计算^[4]:

(1)

式中:Ḋ是关注点的剂量率; Ḋ₀是距辐射源1m处剂量率; r是关注点到辐射源点的距离; d_i是第i种屏蔽体的厚度; TVT_i第i种屏蔽体的十分之一层厚度。⁶⁰Co射线在密度为2.35 g/cm³的混凝土内第一个TVT层值约为30cm, 平衡TVT层值约为20.3cm。两种估算方法的剂量率估算结果如表 1所示。估算数据表明, 两种计算方法验证了采用2m主防护墙, 均可以满足国家标准剂量限值的要求。其中, K方法估算的结果偏大, 比较保守, 具体原因有待于进一步研究。

2.3 储源水井的防护设计验证

储源水井的屏蔽估算应考虑为在水层上方可能存在最大剂量率的状态。根据实际运行情况, 以⁶⁰Co源棒处于不同的具体位置做防护设计验证。

2.3.1 源架在水底储存位

假设源棒均匀分布在共分三层的源架上, 源架总高度为2.2m。井水外表面最大可能剂量处限值(GB17279-98)为2.5×10^-3mSv/h, 采用尝试法对源架在不同储存位置时, 井水最小深度进行估算, 估算中取空气同一点处水的比释动能率常数为9.414×10^-17Gy·m²·Bq^-1·s^-1。结果做内插处理。

设水层厚度为R, 估算得到, 无水层屏蔽时剂量率H₀和有水层屏蔽时的剂量率H的关系可表示为:

(2)

考虑1.25MeV能量γ点源光子在水中的积累因子B可由Berger公式表示为:

(3)

⁶⁰Co释放的γ射线的平均能量为1.25MeV, 则水中与光子能量有关的常数a和b分别取1.0343和0.0767, μ是线衰减系数, 查有关资料为0.063cm^-1。

由(2)式及(3)式, 考虑到散射的影响, 并在计算中取2倍安全系数, 则点源γ射线在水层中的剂量减弱可表示为下述超越方程:

(4)

由于, 按照(μR)_i=6.3+2.0 ×(n_i-1), (n=1, 2, 3, …)取值规则分别计算, 结果如表 2所示。

根据表 2中估算结果内插取值可知, μR=25.5时, 水层厚度R约为4.04m, 此时水面的估算剂量率约为2.42×10^-3 mSv/ h。可知, 储源水井的井水最低液面应在4.0+2.2=6.2m处。

2.3.2 单根源棒的倒装

单根源棒的活度约为3.7×10¹⁴Bq/根。参考2.1节相同的估算方法, 按照GB17279-98要求, 倒源时水面的剂量率限值取2.0×10^-2 mSv/h。估算可以得到uR =18.6时, 水面的估算剂量率约为1.95×10^-2 mSv/h, 符合标准要求, 此时屏蔽所需最少水层厚度约为2.95m≈3.0m。

2.3.3 副井屏蔽的斜贯穿修正

由于钴源衰变的影响, 辐照装置正常运行时, 每年度都需倒装约10%~15%的钴源棒, 以维持剂量率输出水平。假设每次倒装源操作换取约10根左右的源棒(约3.7×10¹⁴Bq/根), 选取如图 1所示的关注点作为关键的估算点, 副井中γ射线斜贯穿的屏蔽估算如下:

倒源时, 无屏蔽铅盖情况下, 副池周围距屏蔽体的可达界面1m处以内, 属于控制区域。此时, 在屏蔽体的任何100cm²表面积上的平均剂量率允许达到2.0×10^-2 mSv/h^[1]。此例中副池直径约为1.5m, 总活度约为3.7×10¹⁵Bq, 考虑在水层中的γ射线斜贯穿修正, 在计算中取2倍安全系数。

(5)

根据式(5)估算可以得到, 介质(水)屏蔽厚度约3.4m时, 表面剂量率约为1.97×10^-2 mSv/h。满足GB17279-1998的要求, 则水层的实际厚度约为3.3m。

2.4 迷路设计验证

辐照室运行时, 出入门侧的主要剂量贡献来自经多次散射后的γ射线。根据ICRP33号报告, 如果射线直接入射进迷路的拐角, 则掩蔽段1m处以后的剂量是拐角处剂量的10%, 并近似随拐角中心距离的平方反比减小^[5]。此例中, 辐照室内γ射线在散射主路径上经过4次散射(见图 1), 结果参见表 3, 出入口总剂量率为1.49×10^-5+4.54×10^-5 =6.03×10^-5 mSv/h。

3 结果与讨论

以K方法或TVT方法都验证了主墙的屏蔽防护设计是满足辐射防护要求的。从设计的角度来看, TVT方法更符合辐射防护最优化设计的原则, 对选择适宜的防护墙厚度是有益的。当然, 屏蔽体后人员居留也是影响屏蔽防护设置的一个重要因素, 一般情况下, 辐照室外一侧只是偶尔有人经过, 在主墙屏蔽设计中可考虑乘以一个值为1/16的修正因子。此外, 在施工时, 应做好质量控制工作, 保证各种建筑材料到达设计要求, 以达到辐射防护目的。

根据验证结果可以看出, 储源主井的最低水位警戒线应为7.5-6.2=1.3m >设计值1m, 满足防护要求。倒装源棒时, 主井单根源棒应距离装满水储源井口最少约7.5-3.0=4.5m, 而副井液面则至少为7.5-3.4=4.1m (10根源棒情况)。考虑到源棒的尺寸(长为0.45m), 贮源主、副井的设计满足要求。在进行倒装源时, 应注意源棒的高度, 不可提升超过规定的最低液面。

从估算结果可以看出, 经过4次散射后, 迷路出入口处的总剂量率约为6.03×10^-5 mSv/h, 射线能量也比较低, 约在0.1 MeV左右, 可以满足GB17279的剂量限值要求, 迷路设置合理。