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基于声音传感器在高剂量^60Co源辐照条件下的一种辐射屏蔽筒的设计

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第27卷第2期 2013年6月 南华大学学报(自然科学版) Journal of University of South China(Science and Technology) VoL 27 No.2 Jun.2013 文章编号:1673—0062(2013)02—0004—07 基于声音传感器在高剂量60Co源辐照条件下 的一种辐射屏蔽筒的设计 赵曼 ,邹树梁 ,唐德文 (1.南华大学核科学技术学院,湖南衡阳421001;2.南华大学核能经济与管理研究中心,湖南衡阳421001) 摘要:本文以在高辐射剂量场下设计一种声音传感器的辐射屏蔽筒为主要目的.在总活 度为10 Bq数量级的钴源环境下,以筒状屏蔽体的材料体积限值Vo=960 cm 为条件,对 屏蔽体的相关长度、角度参量值进行合理优化,通过MCNP程序的运算,得出探测器的壁 厚z、窗厚s、传声孔夹角届与其内部传感器受照辐射剂量率D的对应关系,并依据模拟结 果,初步验证了柱状屏蔽筒作为高辐射场下屏蔽 射线的模型所具有的合理性. 关键词:圆柱屏蔽筒;MCNP模拟;吸收剂量;减弱倍数 中图分类号:TL75 文献标识码:B The Design of a Radition Shielding Column for an Acoustic Sensor at Condition of∞Co a High・radioactive ZHAO Min ,ZOU Shu.1iang ,TANG De.wen (1.School of Nuclear Science Technology,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China; 2.Nuclear Energy Economics and Management Research Center,University of South China, Hengyang,Hunan,421001,China) Abstract:In this paper,we designed a radiation sheilding column for an acoustic sensor used at high intensity radiation circumstance.MCNP is being used as a simulation-computa— tion software to set up the model of the irradiation chamber and calculate absorb dose rate of the sensor(D)corresponding to each parametry array of wall thickness(1),window thick- ness(s),soundhole angle(f1)on the premise hatt colunm volume Vo equals to 960 cm ,itwh ∞Coas the source which radioactivity reaches to 10 Bq orders of magnitude.Finally ration. .ality of the column in sheilding ̄/-rays was proved by the calculated results. key words:radioactive shielding column;MCNP simulation;absorbed dose;reduction mu1. tiple 收稿日期:2013—03—23 作者简介:赵曼(1987一),男,湖南衡阳人,南华大学核科学技术学院硕士研究生.主要研究方向:核技术应用 通讯作者 第27卷第2期 赵曼等:基于声音传感器在高剂量砷co源辐照条件下的一种辐射屏蔽筒的设计 5 随着核技术应用领域的不断扩展,常规条件 下的各类仪表、传感器开始广泛应用于各类辐射 场工况中.如在核反应堆运行环境或乏燃料后处 数量级的∞Co源作为辐射源,优化屏蔽筒各项参 量以满足屏蔽设计要求.为了更大程度接近实际 应用,以圆柱筒的质量限值为前提,对探测器各项 尺寸、孔径夹角进行优化.通过MCNP程序计算出 理条件下,各类传感器能将声音、图像等信号经过 转换、传输等一系列过程,使得远程控制人员能够 实时了解现场情况.然而极高辐射水平使得传感 器的性能以及工作寿命大大降低,且维修与更换 困难 .为了保证传感器能够在高辐射环境下能 具有较长的稳定工作时间,在研究开发新型抗辐 屏蔽体内传感器接受剂量,得出其与屏蔽体尺寸、 孔径夹角的部分对应关系,依据所得结果,初步验 证在高辐射环境下,采用该种屏蔽体的合理性. 1 实验条件 本次模拟实验条件的辐照室如图1所示,其 为一长方体的空间区域,东西走向为13 Ill,南北 走向为5.8 in.高为3.8 in;辐照室每个面均布置 射传感器的同时,设计一个符合要求的辐射屏蔽 体,减小单位时间内传感器所承受的辐射剂量,保 证传感器在放射性环境下的获取有效信号,成为 了一个较为可行的方法 j. 为此,本文以声音传感器作为研究对象,在高 辐射剂量场的条件设计一种符合其性能要求的辐 以2 m厚度的混凝土作为屏蔽层与外界隔开.源 板与屏蔽体内布置源板与受照体,当辐照停止时, 可由远程人员操控,将源板置于深达7 In的水 井内. 射屏蔽筒为主要目的.本次实验以总活度10 Bq a俯视图 b平视图 1源板;2受照体(屏蔽体);3混凝土墙;4辐照室空间(常温,空气) 图1 辐照室的整体模型图 Fig.1 Sheme of entire irradiation chamber 1.1 源项 辐射源以∞co棒为主.源棒呈圆柱体形,由六 个 13 mm×90 mm的源粒子上下叠加而成.源 粒与外围不锈钢包壳问存在5 mm空隙.源项共 源项由南北对立完全相同的两源板构成,两 板距西墙536 cm,距东墙660 cm,距地面20 cm, 距棚顶为238 cm.其中,北板最近距北墙为 330 cm,距南墙为420 cm.设以辐照室地面中心 为坐标原点,向东为 轴正向,向北为Y轴正向, 向上分布为z轴,并以1 cm为单位长度.则两板 以Y=O轴对称分布. 使用42根源棒.分别布置在南北对立、大小相同 的两块源板上,上下源棒沿板中心轴交错布置,源 棒之间相隔10 cm.源棒的编号与活度如图2与 表格1所示. a南源板 b北源板 图2源棒分布以及序号图 ig.2 DiFstribution and corresponding number of each source bar 第27卷第2期 赵曼等:基于声音传感器在高剂量∞co源辐照条件下的一种辐射屏蔽筒的设计 7 声传感器底面中心位于(69,0,0)情形下,测得的 有易加工成形、屏蔽性能好的特点 _l0],因此在此 吸收剂量值为1 208.139 6 Gy/h,相对误差为 处被采用. 0.0498.在MCNP中,相对误差小于10%的范围 屏蔽筒的尺寸描述由六部分组成:屏蔽筒整 内可认为一般可靠。故该结果予以采用 引。 体的长度 、半径尺;空腔的长度日与半径r,双道 2辐射屏蔽体尺寸设计 传声孔夹角 以及孔洞的半径r0. 从节省成本与重量等实际应用角度考虑,采 图4是忽略后端开口的双传声孑L屏蔽筒的简 取材料使用的体积(即质量)限值 来考察抗辐 要模型图. 射性能最大化. 屏蔽筒的体积如下所示: V=.rrR 日一1Tr h一2 dh0le一竹( H—r2h) 因此r,h一定时,屏蔽体半径范围与对应长 度分别为: r< R一=√ V+,r rr2h H:—o————一图4屏蔽筒整体示意图 尺 Fig.4 Sheme of radiation shielding colunm 1)屏蔽孔的设定:设定传声孔的夹角为 180。,两传声孔孔轴位于屏蔽体轴上方0.3r与 如图所示,该屏蔽筒的空腔与整个屏蔽体共 0.7r处,并设孔的半径/'0=0.1r. 轴分布,传感器置于空腔内并距空腔前端2.5 cm 2)屏蔽体依据厚度不同,大致分为两部分: 处探测声信号.传声孔作为声波信号的传递通道 即屏蔽体前(后)端与空腔前(后)端之间前(后) 贯于前窗.并设计一定夹角,目的是在使用大体积 窗部分,在空腔部分与屏蔽筒中心重合情形下,其 声音探测体时,避免粒子经过传声孑L直射而引起 厚度为Z=(日一 )/2.另一部分为圆柱筒的周围 的受照体受照剂量明显增加,同时也可保证声音 部分,即屏蔽体的壁,厚度5=R—r. 信号的传输.前窗前端贴有滤膜,以过滤特定高放 3)各项长度尺寸单位均为cm,v0=960 em . 环境下存在的放射性尘埃.该屏蔽体是由90%的 4)传感器采用自然放置处理,即传感器底面 W、6%的Ni以及4%的c的钨镍碳合金制成.该 材料既能克服铅的笨重难以结构化,也避免了纯 与pz R一 ̄/r2—0.188 重合.并对此数据结果中 钨极坚硬、易碎,无法用常规工具加工的特点.钨 小于0.001以下的部分做+0.001处理. 根据上述原则,得出表2所示结果. 镍合金目前作为国际上使用广泛的 射线材料具 表2不同尺寸条件下的放射屏蔽筒的计量计算结果 TabIe 2 Calculation results of absorbed dose of colunms in various sizes 8 南华大学学报(自然科学版) 2013年6月 ^ q.J(0一\ 碍咖 4 3 2 1 愁 ∞ ∞ ∞ ∞ 0 屏 图5是依据表2中r=4与r=5计算结果绘 制的z—S—D三维函数图,随着Z的增加,s在数 现指数性下降.这与 射线在介质中的指数性衰 减理论有很好的理论符合性 “]. 值上不断减少,传感器所受的吸收剂量率值D呈 ;、 \ j粤 哥 咖 图5 吸收剂量随窗厚与壁厚变化的三维函数图 Fig.5 graphof absorbed dose VS the sickness of front window and wal1. 为了进一步考察上述结论,图6的口选取不 同r值条件下z=2.5值的点,b线选取不同r值 条件下s=2.5值的点,分别作图说明.图6a曲线 表明,窗厚一定,随着壁厚的增加,传感器所受照 射剂量率值降低并不明显.图6b曲线表明,增加 窗厚,传感器所受照射的剂量率值出现近指数性 的下降.故而在此例中,前窗的设计对于改善屏蔽 体具有关键作用. 3辐射屏蔽体的孔道夹角设计 传声孔形成夹角的目的是防止放射性粒子通 过传声孑L径直进入屏蔽体内部,以降低这部分粒 子对于受照剂量的贡献.孔道夹角形成的弯道能 够有效阻挡部分辐射.理想的孔道夹角,不仅能有 效降低屏蔽体内放射性剂量的设计,也能较大程 度上保留有效的声波信号. 第27卷第2期 赵曼等:基于声音传感器在高剂量卯Co源辐照条件下的一种辐射屏蔽筒的设计 9 \ 褂 删 熏 窗/壁厚/em a一窗厚度固定为2.5 cm改变壁厚度.b一壁厚度固定 为2.5 cm改变窗厚度 图6窗/壁固定情形下吸收率随着变化的情况 iFg.6 Absrbed dose changing in an fixed value of sickness offront window or wall 从直观上认为,孔道夹角设计越小,防辐射效 应越好.但根据几何特征,孔道的夹角不可能无限 小,这是由于孔道夹角接近0时其径向偏离距离 接近无穷大.因此,孔道的夹角在实际设计中通常 存在一个最小的临界角.即其偏离范围接近屏蔽 体表面的最大范围.不考虑孔形畸变,所形成的最 小临界角如下式所示: y , 2上—tan—/ ̄ 一 i 圭 一2arctanf 2× } 其中,,表示为孔道偏离的径向长度, 为设定的最 底/顶层孔的孔心的轴线距底/顶面的高度值, rn为孔分布方向的径向半径, 为前窗厚度.由此 可见,Zi越大, 越小,可使得考察范围最大化.当 窗厚度为2.5 cm,壁厚为2.5 cm,空腔半径为7 时,可使卢mi =12.966。,可得出如表格3所示 结果. 根据表3所得结果进行三次样条插值计算, 并得出如图7所示的p—D对应关系图,该图反映 的是,在70。~80。之间存在着一个特定成形角度 值,可使剂量值达到最低,说明设计屏蔽筒孔道角 度的理论出发,13存在降低辐射剂量率合理性.并 且 与D之间并不存在必然的单调递增/减关系. 表3单一尺寸下多孔道夹角的剂量计算结果 Table 3 The calculation results of absorbed dose of columns in various sizes 角度值/(。) 图7孔成形角度与吸收剂量三次样本插值函数图 Fig.7 The three sample interpolation function sketch of soundhole angel VS absorbed dose 4结论与展望 1)从第二部分得出的尺寸优化的模拟结果 以及第三部分的角度参考结果,采用s=1.06,Z= 2.5,JB=74。的模型作为优化模型进行计算,得出 D值为98.026 Gy/h,即半径r=6的情形下,屏蔽 体的减弱倍数达到了12.324 68,其结果业已满足 辐射屏蔽设计的要求. 2)本次模拟从壁厚,窗厚两角度讨论,且增 加前窗厚度设计明显优于壁厚设计.此方法使得 屏蔽筒的尺寸设计可以简化为壁厚设计与窗厚设 计两部分,更为灵活与简便. (下转第l5页) 第 卷第2期 秦勉等:改进型快谱超临界水冷堆子通道CFD数值模拟 l5 3结论 本文采用CFD软件FLUENT模拟对比Yama— gata垂直上升圆管的流动与换热实验,验证了 RNG k—s湍流模型配合增强壁面函数处理以及 Y ≤1的网格模拟计算超临界水的传热特性的准 确性,并用该方法研究了SCFR.M两种组件子通 道稳态工况下的热工水力特性,得到SCFR—M堆 芯设计增殖组件与点火组件燃料芯块中心线温 度、包壳表面最高温度均小于安全设计限值 1 900 oC与650 oC,内冷式、典型三角形两种子通 道内冷却剂流动稳定性均在可接受范围内,符合 安全设计要求. 参考文献: [1]Yoo J,Ishiwatari Y,Oka Y,et a1.Conceptual design of (上接第9页) 3)从结果而言,特定孔道夹角可以起到降低 屏蔽体所遭辐射剂量率的作用,但夹角与传感器 受照剂量之间并不存在必然的单调递增/减关系. 本次模拟证明了辐射屏蔽筒在高能量^y射线 设置屏蔽的可行性,也证明了孔道夹角对于提高 屏蔽体性能的合理性.然而对于』B影响D之机理, 以及影响因素等内容的探讨与分析,本文未能予 以完善.但该部分内容的完成,不仅能使设置孔道 夹角增加屏蔽体性能这一理论更具有说服性,同 时也为减小工作量,提高设计的工作效率具有重 要的意义. 参考文献: [1]Gordon R H, i M,Reno H S.Radiation efects on a radi・ ation—tolerant CMOS active pixel sensor[J].IEEE Trans. on Nuclear Science,2003,51:2753-2762. [2]景涛.电子与^y射线辐照损伤与抗核加固机理研究 [J].中国核科技报告,2000(00):12984—1294. [3]宋钦歧.国外电子器件核加固动向[J].微电子学, compact supercritical water。cooled fast reactor with ther- mal hydraulic coupling[J].Annals of Nuclear Energy, 2006,33(2):945-956. 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