曾弟明,龍 昆,邱興勇,劉詩宇
(有友食品重慶制造有限公司,重慶 402760)
在實際生產(chǎn)過程中,為了保證生產(chǎn)效率,大型鈷-60工業(yè)輻照裝置需要每年補充12.5%活度的鈷源,同時需要對放射源進行重新排列,以使輻照箱中產(chǎn)品吸收劑量達到合理的不均勻度。利用模擬材料進行劑量場實際測量的過程較復雜,因此利用蒙特卡羅程序MCNP5建立空氣參考面模型對每次排源方案進行驗證具有很好的參考價值。單賢芻等[1]提出了判定最佳源棒排列標準;劉江平等[2]利用MCNP程序模擬得到了源架表面附近(10 cm)的劑量分布圖,實際劑量監(jiān)測和模擬計算的結果相差在15%以下,驗證了鈷源在確定排布下的劑量分布效果。
利用MCNP程序對大型工業(yè)輻照裝置空間劑量場及輻照產(chǎn)品吸收劑量的模擬研究較多,且見于使用點源、線源和體源的形式對源排布、輻照室空間劑量場分布和輻照產(chǎn)品吸收劑量分布的模擬[3-7]。在使用點源和體源對比模擬時,當源的體積和活度比較大時,把體源假設成點源來計算會存在一定的誤差,所以,想要了解實際源的劑量分布時,用體源模擬更加接近實際[8]。
MCNP模擬計算效率與模擬參數(shù)有關,包括記數(shù)方法、記數(shù)柵元尺寸、截止能量以及γ致電子的處理方式等[9]。采用MCNP進行模擬計算時,采取能量沉積計數(shù)*F6(jerks/g)與乘子FM卡組合使最后輸出結果為柵元的吸收劑量率,再乘以輻照裝置的主控時間換算成柵元的吸收劑量,單位為kGy;使用點探測器計數(shù)F5(particles/cm2),并通過劑量率轉換,使模擬點的輸出結果為吸收劑量,單位為kGy[10]。MCNP輸入文件描述鈷源時,采用CN-101D型鈷-60密封放射源的圓柱體型體源[11]。鈷源在源架上的分布采用獨立源模塊為單元,利用LATTICE卡和FILL卡填充真實的源棒和空氣,實現(xiàn)源棒的不同位置排布。對不同源排布方案模擬,只需修改FILL卡內(nèi)的相關參數(shù)和數(shù)據(jù)卡中源相關參數(shù)。
本研究通過MCNP5程序建立輻照裝置模型,模擬輻照室內(nèi)空氣參考面(即平行于源架且距源的幾何中心平面1 m,面積與源的幾何面積相等的空氣平面)的吸收劑量,并分析其劑量分布以驗證源排布方案;再根據(jù)輻照裝置的特點和實際生產(chǎn)經(jīng)驗,分別模擬8對、16對、24對和48對輻照箱(由于源架兩側各3排輻照工位且對稱分布,此處選擇輻照室內(nèi)1排輻照工位、2排輻照工位、3排輻照工位和所有6排輻照工位;每個工位懸掛兩個輻照箱),完成相應輻照主控時間后的產(chǎn)品吸收劑量。從而使產(chǎn)品吸收劑量在達到合格區(qū)間時,實現(xiàn)輻照裝置的懸掛鏈速度和主控時間的耦合,為實際工作提供參考。
輻照裝置設計裝源活度為1.48×1017Bq。輻照室是大體積現(xiàn)澆混凝土屏蔽結構,采用水井貯源方式,人員迷道和貨物進出迷道采用迷宮形式。產(chǎn)品輸送系統(tǒng)為電機驅動懸掛鏈。輻照箱采用不銹鋼矩形框架結構,分為上下兩層,規(guī)格為89 cm×155 cm×61 cm。
輻照室內(nèi)源架兩側分別設3排,每排8個工位,總共48個輻照工位,輻照箱按照相同的時間從一個工位移動到下一個工位。輻照箱在輻照室內(nèi)從源架一側移動到另一側時進行換面,源架南側輻照箱A面面對源架,移動到北側時,B面面對源架(圖1)。輻照箱在輻照室外通過換層機構換層。
圖1 產(chǎn)品輸送系統(tǒng)的移動機構Fig.1 The moving mechanism of the product transport system
輻照主控時間由驅動懸掛鏈的電機的頻率及輻照箱在每個輻照工位上的時間共同控制。鈷源架采用獨立雙板源架結構,材質為304型不銹鋼。單個板源架尺寸為312.1 cm×232.6 cm×5 cm,包含18個源模塊,每個模塊裝鈷源35枚,鈷源孔道630個。雙板源架共36個源模塊,鈷源孔道總共1 260個。輻照采用產(chǎn)品超蓋模式,即上、下兩層輻照箱內(nèi)的產(chǎn)品高度超過源活性區(qū)域高度。建立模型時,雙板源架上總共有鈷源232枚,總活度為9.11×1016Bq。
所有模型均以雙板鈷源源架在工作位時的幾何中心為坐標原點(0 ,0 ,0),建立笛卡爾直角坐標系,平行源架平面方向為x軸方向,垂直源架平面方向為y軸方向,豎直方向為z軸方向。輻照廠房的產(chǎn)品進出方位為東向(正x軸方向),主屏蔽墻厚度為210 cm;西側主屏蔽墻厚度為220 cm;北側(正y軸方向)屏蔽墻由兩層構成,厚度為80.4 cm和149.4 cm;南側(負y軸方向)屏蔽墻由三層構成,厚度為77.9、50.1、146.9 cm;屋頂(正z軸方向)厚度為200 cm。輻照室長2 000 cm,寬1 000 cm。貯源井為“凸”字型結構,井深795 cm。MCNP建立模型時,忽略懸掛鏈和地下風道。Co-60 γ射線輻照裝置模型示于圖2。
CN-101D型鈷源棒結構示于圖3。CN-101D型鈷-60密封源由兩個內(nèi)裝鈷棒(裝有源芯和墊塊)、墊塊和外包殼密封組成,其內(nèi)裝鈷棒為2枚C-186N。整個放射源外形尺寸Φ11.1 mm×451.4 mm。外包殼和C-186N包殼材料為O22Cr17Ni12Mo2(316 L)不銹鋼。墊塊采用α-Al2O3陶瓷或O22Cr17Ni12Mo2不銹鋼。
根據(jù)實際情況進行近似處理,通過MCNP建立的鈷源棒柵元模型示于圖4。設源棒活性區(qū)為材質均勻的鈷金屬圓柱體,直徑6.22 mm,高度398.71 mm;加上雙層304型不銹鋼包殼后直徑9.68 mm,高度451 mm。根據(jù)鈷源在源架上的排布,兩根源棒中心之間距離為20 mm,加上外層空氣圓柱后的直徑為20 mm,高度為451 mm。由這三者組成一個鈷源棒柵元。
a——x-y平面;b——-y-z剖面圖2 Co-60 γ射線輻照裝置3D模型a——x-y plane;b——-y-z sectionFig.2 3D model of the Co-60 γ-ray irradiation facility
圖3 CN-101D型鈷源Fig.3 CN-101D cobalt-60 source rod
圖4 鈷源棒柵元模型Fig.4 The cell model of the Cobalt-60 source rod
雙板源架是“試管架”式結構。沿正x軸方向尺寸為235.6 cm,沿正z軸方向尺寸為320.6 cm。MCNP模擬時作近似處理,忽略板源架的不銹鋼框架結構。單個源模塊(源模塊指源架上相同數(shù)量裝源孔道組成的單元)長70 cm,高45.1 cm,寬5 cm。源模塊在左側板源架1(定義沿x軸方向,原點左側板源架為板源架1,原點右側板源架為板源架2)上從左到右,從下到上編號1-18;源模塊在右側板源架2編號19-36。
以源模塊1為例,其裝有三根鈷源棒,由鈷源棒柵元和空氣柵元構成鈷源棒格子柵元。MCNPX Visual Editor Version 730X_23z(MCNP繪圖軟件)模擬100 000個源粒子軌跡歷史后,鈷源模型用深藍色表示,空氣用淺藍色表示,不銹鋼用綠色表示,護源罩用橙色表示,源粒子用紫紅色表示,示于圖5。
a——剖面;b——平面圖5 板源架1源模塊1柵元模型a——Section;b——PlaneFig.5 The cell model of module 1 of the Cobalt-60 source rack 1
忽略輻照箱的框架結構,只考慮輻照箱底厚0.25 cm的304型不銹鋼底盤。兩個輻照箱內(nèi)的輻照產(chǎn)品在正x軸方向上距離為17 cm,輻照產(chǎn)品與板源架在正y軸方向上距離為31.5 cm,兩個輻照箱內(nèi)輻照產(chǎn)品之間在正z軸方向上距離為22 cm。輻照箱在輻照室內(nèi)的積放工位分布為上下兩層,各6排,每排8個工位,共96個輻照工位。每個輻照箱內(nèi)裝輻照產(chǎn)品9層,每層4件,編號為1#、2#、3#和4#,共36件產(chǎn)品,示于圖6。
根據(jù)產(chǎn)品種類,選擇具有代表性的180 g泡鳳爪(山椒味)產(chǎn)品作為模擬輻照對象。每件產(chǎn)品的包裝規(guī)格為長44.5 cm,寬27.5 cm,高17 cm,單袋產(chǎn)品重量為180 g,一件含有40袋,一個輻照箱裝36件。產(chǎn)品僅考慮雞爪成分,容重取平均值為0.33 g/cm3。MCNP模擬時忽略每袋產(chǎn)品的塑料包裝,每件產(chǎn)品的瓦楞紙包裝材料取厚度為0.25 cm。
沿正y軸方向上,距板源架100 cm處,取平行于板源架平面的空氣參考面,規(guī)格為長470 cm,寬310 cm,厚度5 cm。把整個空氣參考面分成5 cm×5 cm×5 cm的矩形格子,共5 828個,示于圖7。在不考慮有輻照產(chǎn)品的情況下,對這些矩形格子采取*F6的計數(shù)方式進行模擬,計算空氣的吸收劑量率,以驗證排源方案的合理性。
a——平面;b——剖面圖6 輻照產(chǎn)品模型a——Plane;b——SectionFig.6 The model of the irradiated products
圖7 空氣參考面模型Fig.7 Air reference surface model
鈷-60源主要是βˉ衰變并釋放兩個γ光子,能量分別為1.17 MeV和1.33 MeV,概率近似為1∶1。MCNP輸入文件采用Mode P模式(僅考慮光子輸運)。鈷源棒為各向同性的圓柱體源,半徑為0.311 cm,高為39.871 cm。源的信息卡中,源模塊由分布D描述,每個分布的概率為模塊上源的總活度,源棒也由分布D描述,其概率為源棒的活度,MCNP會歸一化處理。
MCNP計數(shù)選擇F5和*F6。對輻照產(chǎn)品和空氣參考面柵元采用*F6計數(shù)(jerks/g),對B3劑量計位置采用F5計數(shù)(particles/cm2)。
截面庫文件采用MCNP自帶的ENDF/B-VI.8(評價核數(shù)據(jù)庫第8版)。問題截斷采用NPS歷史截斷卡,輸運的歷史數(shù)目為10 000 000,即模擬源發(fā)射10 000 000個粒子后程序結束。
只考慮空氣參考面模型時,MCNP輸出文件的波動圖表箱結果均通過10項統(tǒng)計檢驗和所有的誤差檢驗,5 828個計數(shù)箱的相對誤差均小于1%。對應圖7各個空氣矩形格子的劑量率(Gy/h)繪制等高線圖,*F6計數(shù)結果示于圖8。由圖8結果可知,左側板源架1比右側板源架2的中間區(qū)域劑量率略高,左側板源架1下部的劑量率比左側板源架1上部的值略高。*F6計數(shù)結果變化規(guī)律整體符合板源架中間劑量率高,四周劑量率逐漸降低的規(guī)律, 整體近似一圓簇線,具有較好的均勻性和對稱性效果。
4.2.1GEX測量結果 采用GEX的B3劑量計測量系統(tǒng)對裝源后輻照產(chǎn)品進行8次劑量測量。正常生產(chǎn)時,B3劑量計安放在第1層、第5層和第9層靠近輻照箱左側位置的產(chǎn)品包裝外側,即2#和4#位置產(chǎn)品之間,編號為a、b和c,示于圖9。GEX劑量計測量結果列于表1。
4.2.2結果對比 使用MCNP的F5計數(shù)模擬結果驗證B3劑量計位置的劑量值,求得實測值對MCNP模擬值的平均修正系數(shù)。
圖8 空氣參考面模型*F6計數(shù)結果Fig.8 *F6 tally for the air reference surface model
圖9 B3劑量計布置位置及編號Fig.9 Location and number of the B3 dosimeter
60Co是能夠得到的接近單能光子能譜的放射源(光子平均能量1.25 MeV),60Co輻照的吸收劑量測量條件近似滿足帶電粒子平衡。在同一輻照條件下,不同材料的吸收劑量不同,由空氣的MCNP模擬吸收劑量值計算B3薄膜劑量計的模擬吸收劑量值可使用射線質量能量吸收系數(shù)比值法[12]。
D2=[(μen/ρ)2/(μen/ρ)1]·D1
(1)
式中:D2為B3劑量計吸收劑量,kGy;(μen/ρ)2為PVB(聚乙烯醇縮丁醛,polyvinyl butyral,C14H18ClN3S)的質量能量吸收系數(shù);(μen/ρ)1為空氣的質量能量吸收系數(shù);D1為MCNP模擬空氣吸收劑量,kGy。
通過插值法得到空氣的質量能量吸收系數(shù)(μen/ρ)1=2.660×10-3(m2/kg)(密度ρ=1.205×10-6kg/m3,溫度T=20 ℃,壓強P=760 mmHg)[13]。
如果吸收體為化合物或均勻混合物,其質量能量吸收系數(shù)μen/ρ可根據(jù)組成該物質各元素的重量百分比近似估算:
表1 GEX測量結果Table 1 GEX measuring results
(2)
式中,μen/ρ為化合物或均勻混合物的質量能量吸收系數(shù),ωi為第i種元素的重量百分比,μi/ρi為第i種元素的質量能量吸收系數(shù)。
B3劑量計主要材質為PVB(C14H18ClN3S)。在γ射線能量為1.25 MeV時,通過插值法得到各元素的質量能量吸收系數(shù),分別為:μen/ρC=2.670×10-3(m2/kg),μen/ρH=5.315×10-3(m2/kg),μen/ρCl=2.550×10-3(m2/kg),μen/ρN=2.670×10-3(m2/kg),μen/ρs=2.655×10-3(m2/kg)[14]。
B3劑量計的質量能量吸收系數(shù)可近似為PVB的質量能量吸收系數(shù),(μen/ρ)2通過公式(2)得出:
(2.655×10-3)=2.815×10-3(m2/kg)
(3)
圖10 F5模擬值與B3測量平均值Fig.10 F5 simulated value and B3 measured average value
通過公式(1)求得B3劑量計模擬吸收劑量值。下層輻照箱10 Hz速度(即驅動電機頻率10 Hz對應的懸掛鏈速度,簡稱10 Hz速度,下文類似)加上層輻照箱18 Hz速度的情況下,對比結果示于圖10。通過F5計數(shù)模擬測量點空氣的吸收劑量值計算B3薄膜劑量計位置的模擬值,模擬計算結果的統(tǒng)計誤差控制在5%以內(nèi),各層位置的吸收劑量比實測值略高。計算模擬值相對實測值的整體平均相對偏差為+30.84%,該值作為MCNP模型模擬結果的修正比例值。
正常生產(chǎn)時,輻照室內(nèi)48個工位的輻照箱均裝滿產(chǎn)品。根據(jù)MCNP對重復結構柵元的計數(shù)規(guī)則,對每層產(chǎn)品的計數(shù)指針(-1 -1 -8)(計數(shù)指針僅指計數(shù)格子柵元的位置)編號為1#、計數(shù)指針(0 -1 -8)編號為2#、計數(shù)指針(-1 0 -8)編號為3#和計數(shù)指針(0 0 -8)編號為4#,從下到上每層編號為第1層到第9層,輻照產(chǎn)品分布示于圖11。
圖11 輻照產(chǎn)品分布Fig.11 Distribution of irradiated products
MCNP模擬每層每個位置上整件產(chǎn)品的平均吸收劑量,模擬計算結果的統(tǒng)計誤差均控制在5%以內(nèi)。根據(jù)B3劑量計布置的位置特點,*F6計數(shù)取第1層、第5層和第9層的2#和4#位置產(chǎn)品的平均吸收劑量值作為對比值。
根據(jù)輻照產(chǎn)品吸收劑量的要求,正常生產(chǎn)時采用運行一圈10 Hz速度,換層后再運行一圈18 Hz速度,輻照周期為2.71 h和1.51 h。經(jīng)過48個工位(不考慮輻照室內(nèi)鏈條轉彎處的4個工位)后,每個輻照箱在每個工位上的時間分別為0.052 12 h和0.029 04 h。每個輻照箱內(nèi)各個相同位置產(chǎn)品的吸收劑量相加得到經(jīng)過完整的輻照周期后各個位置的吸收劑量值。
下層輻照箱經(jīng)過10 Hz速度后,再換層到上層經(jīng)過18 Hz速度輻照后,得到一個輻照箱經(jīng)歷完整輻照周期的吸收劑量,修正后各值列于表2。
表2 下層10 Hz加上層18 Hz的*F6計數(shù)結果Table 2 *F6 tally result of the lower 10 Hz plus the upper 18 Hz
上層輻照箱經(jīng)過10 Hz速度后,再換層到下層經(jīng)過18 Hz速度照射后,得到一個輻照箱經(jīng)歷完整輻照周期的吸收劑量,修正后各值列于表3。
表3 上層10 Hz加上下層18 Hz的*F6計數(shù)結果Table 3 *F6 tally result of the upper 10 Hz plus the lower 18 Hz
在10 Hz速度下,輻照時間長,輻照產(chǎn)品吸收劑量比18 Hz速度下各個位置的值略大;下層10 Hz速度加上層18 Hz速度的計數(shù)結果表明輻照箱上部產(chǎn)品的吸收劑量略大,而上層10 Hz速度加下層18 Hz速度的計數(shù)結果與前者相反。
根據(jù)B3劑量計位置特點,取每個輻照箱第1層、第5層和第9層的2#和4#位置輻照產(chǎn)品的平均吸收劑量與實測吸收劑量平均值對比,對比結果示于圖12。由圖12結果可知,正常工況下,48對輻照箱中各位置的模擬值與實測值有較好的符合,前者比后者略小,平均相對偏差小于10%。
圖12 48對輻照箱的*F6模擬值與B3測量平均值Fig.12 *F6 simulated value and B3 measured average value of the 48 totes
正常工況下,輻照室內(nèi)輻照箱占滿所有輻照工位。在輻照箱沒有占滿工位的情況下,部分輻照箱前或后有空的輻照工位,若按照正常工況設置運行參數(shù)和輻照參數(shù),那么產(chǎn)品的吸收劑量會出現(xiàn)不同情況。模擬計算8對、16對和24對輻照箱工況下的產(chǎn)品吸收劑量,以獲得合理的鏈速使輻照產(chǎn)品吸收劑量在合理區(qū)間。
4.4.18對、16對和24對輻照箱模擬結果 8對、16對和24對輻照箱經(jīng)歷輻照后,得出單個輻照箱的各個位置的平均吸收劑量。把48對輻照箱完成一個輻照周期4.22 h后,單個輻照箱的模擬值作為正常工況下產(chǎn)品的吸收劑量參考值。在相同的輻照工藝和其他條件不變的情況下進行對比,見圖13。
各工況下單箱的模擬結果表明,從第1層到第9層各位置的值,8箱、16箱與48箱相比,8箱、16箱吸收劑量大于48箱吸收劑量,平均相對偏差分別約為+39.09%和+27.52%;24箱與48箱相比,24箱吸收劑量略小于48箱吸收劑量,平均相對偏差約為-2.85%。
4.4.28對、16對和24對輻照箱模擬各頻率結果 為了比較準確的估算8對、16對和24對輻照箱工況下的產(chǎn)品吸收劑量,耦合懸掛鏈速和主控時間在合理區(qū)間,分別模擬上述3種裝箱模式在各頻率運行參數(shù)下的結果。
圖13 8對、16對、24對與48對輻照箱模擬值Fig.13 Simulated values of 8 totes、16 totes、24 totes and 48 totes
輻照裝置的運行鏈速和主控時間列于表4。
表4 運行參數(shù)Table 4 Process parameters
考慮懸掛鏈的運行速度,工人裝卸貨速度,以及生產(chǎn)效率等因素,擬定換層后鏈速18 Hz速度不變,僅調(diào)整第一圈懸掛鏈的運行速度。
對每種運行頻率進行模擬。對于8對輻照箱工況,采取下層輻照箱經(jīng)過18 Hz速度后,再換層到上層經(jīng)過18 Hz速度;對于16對輻照箱工況,取下層輻照箱經(jīng)過14 Hz速度后,再換層到上層經(jīng)過18 Hz速度;對于24對輻照箱工況與48對輻照箱工況相同,在下層輻照箱經(jīng)過10 Hz速度后,再換層到上層經(jīng)過18 Hz速度。結果見圖14。
圖14 8對、16對和24對輻照箱修正模擬值與48對輻照箱模擬值Fig.14 Modified simulated value of 8 totes, 16 totes and 24 totes and simulated value of 48 totes
經(jīng)過上述方式調(diào)整后,各位置的值相近。8對箱與48對箱平均相對偏差為-0.18%,16對箱與48對箱平均相對偏差為4.45%,24對箱與48對箱平均相對偏差為-2.85%。所有工況下,單輻照箱的產(chǎn)品與48箱正常工況下的產(chǎn)品的吸收劑量值的平均相對偏差均小于10%。因此,可以認為上述運行模式能滿足不同數(shù)量輻照箱進入輻照室進行輻照的實際生產(chǎn)要求,保證產(chǎn)品吸收劑量在合理的區(qū)間內(nèi)。
對于同一輻照裝置,采取合適的MCNP編程方法對重復結構進行描述,在輻照室屏蔽體、產(chǎn)品及裝置相關結構不變的情況下,只修改源位置、活度和源數(shù)量信息即可實現(xiàn)不同排源方案的模擬,可節(jié)約多次編程的時間。
空氣參考面模擬結果表明,*F6計數(shù)結果變化整體符合源架中間劑量率高,四周劑量率逐漸降低的規(guī)律,整體近似一圓簇線,具有較好的均勻性和對稱性。左側源架比右側源架的中間部位劑量率略高,左側源架下部的劑量率比上部的值略高。建議左側源架下部的高活度源棒與右側源架相應低活度的源棒適當調(diào)換位置。
MCNP5模擬結果的實驗驗證表明,通過F5計數(shù)模擬測量點空氣的吸收劑量計算B3薄膜劑量計位置的模擬值,各層位置的吸收劑量比實測值高。計算模擬值相對實測值的整體平均相對偏差為+30.84%,此值作為MCNP模型模擬結果的修正比例值。
48對輻照箱的模擬結果表明,MCNP建立的輻照裝置模型正確。*F6計數(shù)各值的變化規(guī)律符合該輻照裝置輻照產(chǎn)品吸收劑量的變化規(guī)律。經(jīng)歷兩個輻照周期后,上、下層單箱內(nèi)的產(chǎn)品在高度方向不均勻度符合相關要求,變化規(guī)律符合該輻照裝置的特性。同時,排源為中間高,四周逐漸降低的規(guī)律。在正常的生產(chǎn)工況下,輻照室內(nèi)48個輻照工位均占滿輻照箱,輻照箱中每個位置產(chǎn)品的累積吸收劑量是所有輻照工位上各輻照箱中相同位置產(chǎn)品的吸收劑量之和。模擬值與實測值符合較好,前者比后者略小,平均相對偏差小于10%。
考慮懸掛鏈的運行速度,裝卸貨速度,以及生產(chǎn)效率等因素,8對箱工況采取18 Hz加上18 Hz速度;16對箱工況采取14 Hz加上18 Hz速度;24對箱與48對輻照箱運行參數(shù)一致,采取10 Hz加上18 Hz速度。8對、16對、24對輻照箱的模擬結果表明,8對箱、16對箱、24對箱與48對箱平均相對偏差分別為-0.18%、4.45%、-2.85%,表明上述運行模式能滿足實際生產(chǎn)要求,保證產(chǎn)品吸收劑量在合理的區(qū)間內(nèi)。