CSNS质子束窗及其上部屏蔽体的活化分析以及屏蔽计算 高能物理研究所 东莞分部 张刚 2016.9.22

报告内容 模拟背景 质子束窗及屏蔽体的活化分析及屏蔽计算 参数及计算方法 束损模型 活化分析及屏蔽计算 总结

模拟背景 CSNS简介 中国散裂中子源（CSNS）是我国正在建设的大型中子科学实验装置，其一期主要由一台80 MeV负氢直线加速器、一台1.6 GeV快循环质子同步加速器(RCS)、两条束流输运线(LRBT和RTBT)，一个靶站和三台谱仪组成，设计的打靶功率为100kW。CSNS二期的注入能量将提升到250MeV,打靶功率将升级到500kW。

模拟背景 质子加速器的活化 CSNS加速器在运行过程中不可避免的将发生束流损失，损失的束流打到靶和加速器部件上将会产生中子，γ等次级粒子形成瞬发辐射。同时，在这个过程之中，这些初始和次级粒子会和加速器部件发生一系列的核反应，如高能中子散裂，热中子俘获和光核反应等产生活化核素，这些活化核素一般具有放射性通过放出β，γ等完成衰变。

模拟背景 CSNS质子束窗及其上部屏蔽体的活化和屏蔽需求 为了隔绝质子加速器真空系统和靶站氦气系统，CSNS在靶前2米位置设置质子束窗。 质子在打靶之前，需要穿过质子束窗，经过长时间的作用，质子束窗将会产生很高的活化剂量并且发生形变，结构缺陷等影响其使用寿命，以至于每隔一段时间必须对其更换。 在质子束窗上部有可以拆卸的屏蔽体，在更换束窗时需要先取出屏蔽体然后再进行更换。 在进行更换操作时，质子束窗及其上部屏蔽体的活化剂量对周围的人有辐射伤害作用，需要把活化了的束窗和屏蔽体放到专用的容器中用来屏蔽掉其活化剂量来保证CSNS维护人员的安全。 束流方向

活化分析及屏蔽计算 参数和计算方法 CSNS靶站主要包括了靶体，三个中子慢化体和反射体以及屏蔽体，如图1所示。其中，质子束窗（PBW）位于靶前2米的位置，垂直于真空管道方向，其厚度为 2mm，质子束窗处的真空管道直径φ为3.5cm。质子束窗上方设置用于更换时拆卸的屏蔽体总共有7块，其尺寸如表1所示。 表1 质子束窗上部屏蔽体尺寸 名称 屏蔽体尺寸 屏蔽体1 50cm×60cm×60cm 屏蔽体2 95 cm×75 cm×69cm 屏蔽体3 120cm×75cm×97cm 屏蔽体4 50cm×85cm×103cm 屏蔽体5 150cm×75cm×45cm 屏蔽体6 28cm×77 cm×15cm 屏蔽体7 148cm×77cm×30cm 图1 CSNS靶站结构图

活化分析及屏蔽计算 参数和计算方法 以束流方向为z方向，上下方向为x方向，前后方向为y方向建立几何模型如图1所示,其中质子束窗位置为（0，0，-200)。建模时，各部位的材料密度和元素成分如表1所示。 表1 模拟时各部件采用的密度和元素成分参数 部件名称 密度（g/cm3） 元素成分 质量含量（%） 束流管，屏蔽体 7.874 Fe 100   靶体 19.35 W 氦气 0.000166 He 液态氢 0.0708 H 质子束窗 2.66 Cr 0.11 Mn 0.66 Si 0.14 Mg 4.62 0.19 Al 94.28 空气 0.001225 N 75.558 O 23.159 Ar 1.283 水 1.0 11.111 88.889 反射体 9.01218 Be 图1 质子束窗及其屏蔽块活化分析几何模型

活化分析及屏蔽计算 束损模型 模拟时束流能量为1.6GeV，散裂一期打靶功率为100kW,散裂二期打靶功率为500kW。模拟时以三种束损方式对质子束窗及上部屏蔽体进行活化分析： 1）1W/m均匀损失模型：束流以10mrad角度打厚度为1cm的真空管道内壁均匀损失掉，相当于束流打到1m厚的铁靶上。 2）质子打靶模型：质子束窗及屏蔽体离靶体较近，在高能质子打钨靶之后会产生大量的次级粒子以靶体为中心向四周扩散。 3）质子穿过质子束窗模型：高能质子与2mm的铝合金薄靶相互作用。 模拟方法 由于FLUKA源输入卡片BEAM不能准确描述束损模型，调用自定义用户程序SOURCE.F完成辐射源项描述。考虑到几何模型尺寸较大且结构较为复杂，为减少运行时间和减方差，调用自定义用户程序USIMBS.F。

活化分析及屏蔽计算  

图1 CSNS运行10个月停机1周时不同束损模式下，y=0cm处，zx平面的剩余剂量率色图 活化分析及屏蔽计算 质子束窗和屏蔽体的活化分析 加速器运行时，工作人员受到的辐射剂量主要来源于活化剂量，为了评估停机后在更换质子束窗时操作人员所受到的辐射剂量率，模拟得到在CSNS运行10个月停机1周时不同束损模式下，y=0cm处，zx平面的剩余剂量率色图如图1所示， CSNS制定工作人员受到的辐射剂量管理目标值为每年不超过10mSv，按照每年工作2000小时，即不超过5μSv/h。 参照SNS的经验，CSNS质子束窗在停机一周之后进行检修。 1w/m束损模式 高能质子打靶模式 质子穿过质子束窗模式 图1 CSNS运行10个月停机1周时不同束损模式下，y=0cm处，zx平面的剩余剂量率色图

表1 运行10个月，停机一周后质子束窗表面和屏蔽体表面最大和最小的辐射剂量率（单位：mSv/h） 活化分析及屏蔽计算 表1 运行10个月，停机一周后质子束窗表面和屏蔽体表面最大和最小的辐射剂量率（单位：mSv/h）   1W/m束损模型 质子打靶模型 质子穿过质子束窗模型 总和 质子束窗表面剂量率 5.13E+00 3.78E+00 2.89E+04 屏蔽体1表面剂量率 最大面 1.61E-01 2.03E+00 1.61E+02 1.63E+02 最小面 3.30E-03 1.54E-01 1.32E+00 1.48E+00 屏蔽体2表面剂量率 2.09E-03 1.21E-01 1.25E+00 1.37E+00 3.46E-05 4.89E-03 3.08E-02 3.58E-02 屏蔽体3表面剂量率 5.45E-05 5.00E-03 3.65E-02 4.16E-02 2.04E-07 1.97E-06 2.22E-04 2.25E-04 屏蔽体4表面剂量率 6.51E-07 2.81E-06 1.46E-04 1.49E-04 6.52E-09 4.27E-06 3.49E-06 7.77E-06 屏蔽体5表面剂量率 3.93E-02 3.55E-01 1.70E+01 1.74E+01 2.70E-05 1.17E-03 1.87E-02 1.99E-02 屏蔽体6表面剂量率 6.23E-05 1.71E-03 4.93E-02 5.10E-02 2.46E-05 4.28E-04 1.54E-02 1.59E-02 屏蔽体7表面剂量率 1.19E-05 1.28E-03 7.31E-03 8.61E-03 3.04E-08 2.32E-07 2.92E-06 3.18E-06 三种束损模型对质子束窗和各屏蔽体表面贡献各不相同，相比于1W/m束损模型和质子打靶模型，质子穿过质子束窗模型对质子束窗和各屏蔽体表面的活化剂量贡献占有绝对优势。 质子束窗表面辐射剂量率高达104mSv量级。 屏蔽体1，2，5，6最大，最小面的辐射剂量率在10-2～102mSv均超过了安全辐射剂量限值。 屏蔽体3，7最大面辐射剂量率超出安全辐射剂量限值，最小面在安全辐射剂量限值内。 屏蔽体4最大最小面的辐射剂量率在安全辐射剂量限值内。

活化分析及屏蔽计算 在加速器运行10月后，质子束窗和屏蔽体1最大表面剂量率随冷却时间的变化曲线如图1，2所示。可以看出质子束窗表面剂量率衰减较屏蔽体1快，但经过1个月的衰减剩余剂量率两者剩余剂量率还处于10～104mSv/h。 图1 加速器运行10月后，质子束窗表面剂量率衰减曲线图 图2 加速器运行10月后，屏蔽体1最大表面剂量率衰减曲线图

活化分析及屏蔽计算 为了分析质子束窗中活化水平，采用RESNUCLEI卡片记录的活化核素浓度 表1加速器运行10个月停机1周时，质子束窗活化核素浓度与 距离质子束窗50cm处各核素的辐射剂量贡献   半衰期（s） 核素浓度（Bq/cm3） 距离质子束窗表面50cm处的辐射剂量率（mSv/h） 占总剂量的百分比 55Fe 2.70E+07 4.90E+06 54Mn 4.64E+07 1.88E-01 1.06E-02 52Mn 4.83E+05 6.39E+06 9.23E-02 5.40E-03 51Cr 2.39E+06 6.91E+07 1.28E-02 7.49E-04 49V 2.92E+07 3.51E+07 48V 1.38E+06 3.28E+07 4.38E-01 2.56E-02 46Sc 7.24E+06 2.00E+07 1.85E-01 1.08E-02 37Ar 3.03E+06 2.15E+07 35S 7.55E+06 7.82E+06 33P 2.19E+06 7.05E+06 32P 1.23E+06 1.67E+07 2.49E-02 1.46E-03 22Na 8.21E+07 1.51E+09 1.58E+01 9.24E-01 7Be 4.60E+06 3.38E+09 9.34E-01 5.46E-02 3H 3.89E+08 1.24E+09 总和 1.77E+01 从表1中可以看出在总的活化剂量率中，22Na（一次衰变放出1个1.27MeV的γ射线和1.8个511keV的γ射线）给出的贡献达到了92%以上，7Be（一次衰变放出0.1个511keV的γ射线）给出的贡献达到了5%以上，剩下其余的核素给辐射剂量的贡献约为2%，3H（β-衰变），37Ar（ε轨道电子俘获）等比活度较高，但对活化剂量率的贡献可以忽略不计。

活化分析及屏蔽计算 其中，核素每次衰变在距离核素R（cm）所产生的辐射剂量率 （mSv/h）可以由公式1得到，其中n为核子发射的γ数，Si为每个γ的发射概率，Ei为γ射线的能量（MeV），D(Ei)为通量剂量转换系数（mSv/h）*(cm2*s)。 忽略质子束窗本身的自屏蔽，将质子束窗作为点源，得到离质子束窗不同距离处的辐射剂量率。 图1 离质子束窗不同距离处的辐射剂量率 从图中看出在距离质子束窗20cm时，辐射剂量为110mSv/h,50cm时为17.7mSv/h，100cm时为4.4mSv/h

图1 CSNS二期，运行10个月停机1周，距离质子束窗50cm处的辐射剂量率随屏蔽容器厚度衰减曲线 活化分析及屏蔽计算 质子束窗屏蔽容器厚度 参照SNS屏蔽模式，质子束窗采用铅作为材料进行屏蔽。 CSNS运行时，在散裂一期质子束窗每3年更换一次，在散裂二期每一年更换一次。可以得到，在散裂二期运行时，质子束窗和屏蔽活化核素浓度更高产生的活化剂量也更高。 距离质子束窗R(cm)屏蔽容器厚度为d(cm)时屏蔽容器表面剂量率可以由公式得到， 其中d1/2，i为能量为Ei时铅的半值层衰减厚度。 可以得到在散裂二期，运行10个月停机1周时，距离质子束窗50cm处的辐射剂量率屏蔽到安全辐射剂量率的屏蔽容器厚度为15.2cm。 图1 CSNS二期，运行10个月停机1周，距离质子束窗50cm处的辐射剂量率随屏蔽容器厚度衰减曲线

活化分析及屏蔽计算 屏蔽体1的活化分析及屏蔽计算 屏蔽体1从最大面（最下面）到最小面（最上面）分为10层，每5cm为一层，记录每一层的活化核素浓度（Bq/cm3）。 屏蔽体1体积较大，且最大面（最下面）和最小面（最上面）活化剂量相差2个量级。 建立图1几何模型来分析不同层不同核素对表面剂量率的贡献以及表面剂量率随不同屏蔽容器厚度的变化关系。 调用SOURCE.F设置辐射源项4π立体角各项同性发射 可以看出，在屏蔽体1深度达到15cm的时候，表面剂量率达到饱和，其中前5cm的活化核素对表面剂量率的贡献达到95%以上。 图1 屏蔽体1活化分析和屏蔽计算模型 图2 表面剂量率随屏蔽体1深度的变化关系

表1 加速器运行10个月停机1周时，屏蔽体1活化核素浓度与各核素对最大表面辐射剂量率的贡献 活化分析及屏蔽计算 表1 加速器运行10个月停机1周时，屏蔽体1活化核素浓度与各核素对最大表面辐射剂量率的贡献   半衰期（s） 核素浓度（Bq/cm3） 对表面剂量率的贡献（mSv/h） 占总剂量率的百分比 59Fe 3.85E+06 7.61E+03 2.77E-01 3.40E-03 56Co 6.68E+06 6.75E+03 4.71E+00 5.78E-02 55Fe 2.70E+07 3.67E+05 54Mn 4.01E+05 4.11E+01 5.04E-01 52Mn 4.83E+05 2.99E+04 1.30E+01 1.60E-01 51Cr 2.39E+06 2.42E+05 7.43E-01 9.12E-03 49V 2.92E+07 5.84E+04 48V 1.38E+06 4.41E+04 1.83E+01 2.25E-01 47Sc 2.89E+05 1.14E+03 7.18E-03 8.81E-05 46Sc 7.24E+06 9.07E+03 3.07E+00 3.77E-02 45Ca 1.41E+07 8.99E+02 44Sc 1.41E+04 7.18E+02 2.66E-01 3.26E-03 37Ar 3.03E+06 5.79E+02 3H 3.89E+08 1.26E+03 总和 8.15E+01 可以看出54Mn，52Mn，48V三者对屏蔽体1表面剂量率的贡献约为90%，而且表面剂量率比前面 USRBDX记录给出的剂量率小一半左右，这主要是由于:1)模拟时采用核素浓度均匀分布，而实际 的活化核素浓度越接近屏蔽体1表面越高.2)未记录周围活化核素的剂量率贡献。

活化分析及屏蔽计算 屏蔽体1的屏蔽容器厚度 CSNS运行20年，停机1周，屏蔽体1表面最大活化剂量随屏蔽容器厚度变化曲线如下图所示，可以得到屏蔽到安全辐射剂量率的屏蔽容器厚度为26cm。 图1 CSNS二期运行20年，停机1周，屏蔽体1表面最大活化剂量随屏蔽容器厚度衰减曲线 对于屏蔽体2～7，活化分析和屏蔽计算类似于屏蔽体1，在此不再叙述。

结论 通过FLUKA构建几何模型对质子束窗以及上部屏蔽体进行了活化分析和屏蔽计算得到： 1）相对于质子穿过质子束窗模型，1W/m束损模型和质子打靶模型对质子束窗和各屏蔽体表面产生的活化剂量可以忽略不计，并且得到了质子束窗表面剂量率和屏蔽体1最大表面剂量率随冷却时间的衰减变化曲线。 2）质子束窗表面活化剂量率较高,即使在停机一周以后也达到104mSv/h量级，其中活化核素22Na，7Be对活化剂量的贡献为97%以上。 3）屏蔽体1最大表面活化剂量率在屏蔽体1厚度为15cm时达到饱和，其中前5cm对表面剂量率的贡献达到了95%以上，54Mn，52Mn，48V三者对屏蔽体1表面最大剂量率的贡献约为90%。 4）参照SNS屏蔽方式，通过屏蔽估算和蒙卡模拟得到了质子束窗和屏蔽体1所需屏蔽容器厚度给屏蔽容器机械设计提供参考。

PBW Replacement Operations PBW Top Block PBW Shield Block 6 (brown) PBW Shield Block 4 PBW Shield Block 3 PBW Shield Block 5 RTBT Flight Tube Monolith/Core Vessel PBW Module Replacement of a PBW module involves the following basic operations: Removal of five shield blocks (45 tons of shielding) Drying (water removal) of PBW module Cutting and removal of activated utility piping Withdrawel of PBW module from cavity Installation of new PBW module Connection of utility piping Leak testing of inflatable seals and piping connections Re-installation of shielding

PBW Replacement Operations Shield Block 4 Handling Container PBW Replacement Operations Shielded Containers Staged for Replacement Operations PBW Handling Container PBW Piping Handling Container Shield Block 3 Handling Container

Radiological Survey Information Radiological surveys were done during every aspect of PBW removal operations. The following are some of the findings:

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