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在手套箱中操作放射性物料时的辐射防护分析

范文

李晓轲+尹天罡

摘要：在处理乏燃料时，一般都会在手套箱中将对具有较强放射性的物料进行操作和处理。由于物料具有较强的放射性和污染性，因此，我们需要对手套箱中的源项以及辐射屏蔽进行适当地处理和分析，将手套箱中的操作源项总活度以及不同类型的射线强度范围进行精确的测定，对操作人员的时限进行评估，以在最大程度上保证人员人身安全。通过一定的分析和计算，我们得到这样的结果，粒子对带有一定厚度且完好无损的手套的手以及人整体的辐射是可以忽略不计的，为了进一步降低中子对人员的辐射，我们需要将手套箱中的中子产额较高的核素以及整体的操作量进行严格控制。除此之外，我们应该要对90Sr、90Y、137Cs等纯X射线核素的净化效率进行科学、严格地控制，这样才能够在一定程度上保证人员在操作的过程中不受到射线对手部的过量照射剂量以及其轫致辐射产生的光子对人体的二次辐照的伤害。

关键词：手套箱辐射屏蔽；辐射剂量；辐射；手套箱

中图分类号：TL752 文献标识码：A

在手套箱中进行放射性物料的操作和样本的分析过程中，进行辐射防护必须要从各个方面的因素进行考虑，比如穿戴的手套的厚度、手套箱的辐射屏蔽防护、燃料对手部的辐射等。由于在手套箱中的放射性物料的组成元素较为复杂，其中有铀、钚、镎等锕系元素，同时还会有其他的放射性核素，90Sr、90Y、137Cs、59Fe等。其中，放射性核素放射出的射线有不同的粒子和中子，甚至有时候还会出现X射线。所以，我们必须要在进行手套箱的防辐射设计时，要根据不同的具体情况进行具体分析和设计。

一、手套箱中的物料源项分析

通常情况下，在手套箱中的放射性物料的组成元素较为复杂，会涉及到多种元素，每种元素都有自己的辐射特性，需要根据情况对其进行具体分析。在进行辐射防护设计的过程中，我们通常会选择不同辐射类型、对剂量贡献较大的物料源项进行分析计算。一般我们根据物料的物质形态进行不同的设计，如在某些场合中用于沉淀、过滤、干燥烘焙的手套箱。在计算中，假定手套箱中锕系元素组成与物料参数见表1。

在进行放射性物料的处理过程中，我们首先必须要把溶液形态的物料通过沉淀手套箱进行沉淀，将沉淀之后的浮在上层的具有放射性的溶液进行去除，然后将底层的沉淀物放入过滤手套箱，这样就能将物料总活度降低一半。然后再将过滤之后的物料在干燥烘焙箱进行焙烧处理，此时的放射性核素组分和活度与过滤手套箱的源项整体基本相同。

二、进行手套箱屏蔽计算的相关参数

前面提到的3种手套箱都是长70cm，宽70cm，高100cm的箱体，材质一般都是碳钢，其中碳钢的密度必須在7.8g·cm-3之上，操作放射性物料的人员在工作过程中应该要穿戴密度1g·cm-3以上、厚度为1mm的铅橡胶手套。在进行操作的过程中，人员离放射性物料的距离要在30cm之上，每天约生产200g产品，每个手套箱每天处理物料的时间为1h，一般每年工作100天。

三、手套箱辐射屏蔽

1.手套箱辐射屏蔽的计算方法程序

进行手套箱辐射屏蔽的计算，我们采用MCNP程序，这个程序是在蒙特卡洛算法基础上进行中子、光子、电子的输运问题计算的程序。MCNP可以将模型几何进行准确地描述，还可以将模拟粒子运输的过程进行确定，最终得到较为准确的计算结果。

2.手套箱物料源项分析

手套箱中源项辐射出的射线主要有α粒子、β射线、I射线和中子。α粒子就是铀、钚、镎等锕系放射性元素的衰变时出现的，α粒子没有较强的穿透能力，会直接被手套箱屏蔽掉，因此在进行计算的过程中，可以将其直接忽略。中子的产生主要是铀、钚、镎等锕系放射性元素自发裂变和（α，n）反应的，我们可以在表2中看出，其中自发裂变的中子平均能量有2MeV。这样根据表1中的质量和表2中给出的数据就可以将中子能谱进行计算，得出辐射屏蔽的数值然后进行输入。

γ射线是由137Ba和60Co以及U、Pu、Np元素的各同位素衰变得来的，α射线主要由物料中90Sr、90Y、137Cs和60Co衰变辐射出的，同理可以根据表1得出最后的β射线的能谱，最后作为辐射屏蔽计算并输入数据。

β射线被放射源物质本身或者周围的物质阻止时就轫致辐射就会出现光子（x射线），也会对照射剂量有一定的贡献。在进行辐射屏蔽分析的过程中，由于其具有一定的保守性，可以采用埃文斯公式：（k）=C（E-k）。

其中，k代表轫致辐射光子能量；E是α粒子的初始能量；C是由轫致辐射固有强度决定的常数。在计算的过程中由于具有一定的保守性，没有考虑到轫致辐射和考虑轫致辐射的光子能谱比较。

3.手套箱辐射屏蔽计算

根据手套箱对中子的辐射屏蔽计算的结果，我们可以知道，手套箱外的中子剂量在0.06v·h之内，因此，对于手套箱外总剂量的贡献较小，可以通过表1和表2进行分析，得到中子的产额较高的Pu元素质量份额很小，因此，贡献也较小。

根据手套箱对α射线的辐射屏蔽计算结果，其中我们可以了解到，各手套箱外的β射线的剂量率为0，因此，手套箱本身的碳钢材质能够将α射线屏蔽，一般来说，我们通常使用Katz和Penfold经验公式进行计算。

针对手套箱对光子的辐射屏蔽设计，由于轫致辐射的光子和未考虑轫致辐射的光子不同的两种情况，要进行分别计算。在考虑轫致辐射的情况下，剂量率会直接提高增加约20%～25%，因此，轫致辐射对光子剂量的贡献较大。在手套箱中物料包含有90Sr、90Y、137Cs等纯β放射性核素强源的情况下，因此，在这种情况下，必须要考虑β射线的照射因素，还要充分考虑β射线引起的轫致辐射。此时如果将屏蔽后的剂量率设定为小于5v·h，不考虑轫致辐射，过滤手套箱和干燥烘焙手套箱就能够进行屏蔽，如果要将实际存在的轫致辐射的情况考虑进来的话，就必须要对手套箱的屏蔽进行相应加强。

结语

综上所述，我们应该要将各种类型的射线对工作人员的辐射伤害进行分析和说明，将放射性物料中中子产额较高的核素的含量和总体的操作量进行严格控制。除此之外，我们应该要对90Sr、90Y、137Cs等纯β射线核素的净化效率进行科学、严格地控制，这样才能够在一定程度上保证人们在操作的过程中不受到α射线对手部的照射剂量以及其轫致辐射产生的光子对人体的二次辐照的伤害。

参考文献

[1] NB/T20194-2012，压水堆核电厂辐射屏蔽设计准则[S].

[2]霍雷，刘剑利，马永和.辐射剂量与防护[M].北京：电子工业出版社，2015.

[3] Frank Herbert Attix著，雷家荣，催高显译.辐射物理和辐射剂量学导论[M].北京：原子能出版社，2013.

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