四.专题报告 HI-13串列加速器升级工程的辐射防护设计 王峰 中国原子能科学研究院 2016.9.22.

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1 四.专题报告 HI-13串列加速器升级工程的辐射防护设计 王峰 中国原子能科学研究院

2 目录 概述 辐射防护设计输入 屏蔽设计 安全联锁与剂量监测 个人剂量评价

3 Beijing Rare Ion-beam Facilities (BRIF)
工程包括一台100MeV /200μA的紧凑型质子回旋加速器、一台分辨率为20000的ISOL和一段2MeV/q 超导直线增能段 主要用于产生短寿命放射性核素束流、核数据测量、空间辐射效应研究等领域. 2003年7月确定立项 2014年7月4日完成出束 2015年5月4日与ISOL系统完成联调出束 目前已经完成各项验收 Here is Beijing Tandem Accelerator Upgrading Project, Beijing Radioactive Ion-beam Facilities (BRIF),here is a tandem accelerator, we will add a cyclotron in front of it and add a super-conductor behind it, in order to improve energy.

4 目录 概述 辐射防护设计输入 屏蔽设计 安全联锁与剂量监测 个人剂量评价

5 辐射防护设计输入 辐射 辐射剂量管理目标值 职业人员年平均有效剂量：5mSv； 公众年平均有效剂量：0.01mSv。
职业人员每年工作时间为3300小时，实行3班制，每班8小时。 主要区域的居留因子 监督区：1/3 非放射性区域：1/16

6 辐射防护设计输入 升级工程的放射性工作场所分区 放射性工作场所分区地下室平面图 放射性工作场所分区一层平面图

7 目录 概述 辐射防护设计输入 屏蔽设计 安全联锁与剂量监测 个人剂量评价

8 屏蔽设计 升级工程的辐射源项 瞬发辐射主要考虑了中子的透射剂量 残余剂量主要为活化加速器部件引起的伽马外照射 主要辐射源项的中子产额 位置
靶材料 出射中子 产额(p-1) 平均能量(MeV) Al 8.29E-02 4.73E+00 Fe 1.47E-01 2.67E+00 Pb 3.21E-01 1.74E+00 C 4.64E-02 7.54E+00 Pb（75MeV） 1.76E-01 1.61E+00 主要辐射源项的中子产额 位置 源项 靶材 入射能量MeV 束流强度μA 束流时间h 回旋厅 北引出口束流损失 Al 100 20 1980 南引出口束流损失 1320 杂散束流损失 10 3300 ISOL厅 ISOL靶 Pb 90 1650 同位素厅 同位素靶 75 50 330 大实验厅 准单能中子源 Li 质子捕集器 C 白光中子源 强中子源 200

9 屏蔽设计 主要采用MCNPX软件配合LA150评价截面库对质子轰击厚靶产生的中子源项进行计算 通过与实验值进行比对
通过与其他程序（FLUKA）进行比对 源项计算结果是偏保守的 100MeV质子入射厚靶的中子产额比较 材料 厚度(cm) 中子产额（n/p） 实验值 本工作 本工作与实验值偏差 7Li 17.4 0.123 0.160 30.5% Fe 1.6 0.115 0.122 6.1% Cu 0.145 0.169 16.6% Pb 0.343 0.363 6.2% 100MeV质子轰击铝厚靶的中子能谱

10 屏蔽设计 验证计算 计算结果的修正 大厚度的屏蔽透射率MCNPX计算结果比实验值的偏低，但优于其他程序的结果。
大厚度屏蔽的2倍修正因子 屏蔽外中子俘获光子引起的剂量率：2倍修正因子 52MeV质子轰击碳靶产生的中子透射混凝土的实验布置图 透射中子注量率计算值与实验值的比较

11 屏蔽设计 采用的屏蔽材料 重混凝土的设计 普通混凝土（主屏蔽） 重混凝土（主屏蔽） 铸铁 铅 纯铜 聚乙烯
由于建筑面积限制、设备工艺限制部分区域的普通混凝土无法满足屏蔽要求 需设计屏蔽效率高于普通混凝土的重混凝土屏蔽

12 屏蔽外的剂量率（μSv/h/μA/cm2）
屏蔽设计 重混凝土屏蔽材料的元素组成表及屏蔽效果 重混凝土配比的设计 需要计算最合适的铁氢元素比 硼含量的添加最优化 总核密度 (1024atom/cm3) case1 case2 case3 8.80E-02 8.88E-02 8.30E-02 铁氢比（质量比） 79.4 78.3 79.7 元素比例% H 1.17E-01 1.18E-01 B-10 4.32E-04 8.55E-04 9.16E-04 B-11 1.59E-03 3.15E-03 3.37E-03 O 5.76E-01 5.75E-01 Al 1.33E-02 1.31E-02 1.25E-02 Si 1.19E-01 Ca 7.30E-03 7.90E-03 7.70E-03 Fe 1.66E-01 1.64E-01 屏蔽效果计算 最优的铁氢质量比约为80:1 硼含量最优的添加量为0.02% 重混凝土的屏蔽效果 屏蔽效果为普通混凝土的1.5倍 屏蔽外的剂量率（μSv/h/μA/cm2） case1 case2 case3 侧向 136.88 125.27 214.13 正向 893.90 822.69 重混凝土的施工配比（单位千克） 水泥 粉煤灰 赤铁矿砂 赤铁矿石 水 硬硼钙石 外加剂 304 76 1170 1620 172.7 40 3.42

13 屏蔽设计 升级工程各工艺房间主屏蔽厚度表 位置 东墙(m) 南墙(m) 西墙(m) 北墙(m) 顶层(m) 同位素靶室
2.5HC[-4,-1] 回旋大厅北墙 2.0HC[-4,-1] 2.6HC[-4,-1] 2.0HC[-1,1] 上部同位素转运间 ISOL靶室 3.5HC[-4,1] 同位素靶室东墙 2.8HC[-4,1](密度4.3g/cm3) 2.6HC[1,3.6] 上部为靶源转运间 第一分析段 1.8OC[-4,0.85] ISOL东墙 1.2OC[-4,0.85] 1.4OC[0.85,2.25] 上部为ISOL电源间和剂量检测室 转换段 0.3OC[-4,-0.3] 第一分析段东墙 0.3OC[-0.3,0] 上部为剂量检测室 电源间 0.3OC[2.25,8.55] ISOL靶源转运间东墙 0.3OC[8.55] ISOL靶源转运间 1.2OC[-4,10.3]不包括靶室东墙 回旋大厅北墙和顶层 1.0OC[-4,10.3]不包括靶室西墙 1.2OC[-4,10.3] 0.7OC[10.3,11] 同位素转运间 ISOL外厅西墙 1.0OC[-4,10.3] 回旋大厅* 3.6OC[1,9.5] 3.0HC[-4,1] 3.6OC[-6.8,-4] 碉堡区及其东侧3.0HC[-4,1] 碉堡区西侧3.6OC[-4,1] 3.6OC[-4,9.5] 3.0OC[-4,0]+3.6HC[0,4]+3.6OC[4,9.5](同位素部分) 3.0OC[-4,0]+3.6HC[0,4]+3.6OC[4,9.5](ISOL部分) 2.5OC[9.5,12] 大实验厅 1.9OC[-4,5] 回旋大厅南墙 1.4OC[5,6.4] 小实验厅 0.5OC[-4.5,-0.5] 大实验厅南墙 0.5OC[-0.5,0.5]

14 屏蔽设计 其他屏蔽设计 屏蔽门 通风管道 贯穿件 回旋大厅屏蔽门 回旋大厅通风管道计算模型 最重32吨 回旋大厅通风管道剂量率分布
防护门类型、材料和厚度 其他屏蔽设计 屏蔽门 通风管道 贯穿件 位置 类型 屏蔽材料和厚度(cm) 衰减系数 参考屏蔽墙 参考衰减系数 回旋厅 转门 60cmFe+60cmHC +60cmFe+60cmHC 1.18E-06 300cmHC 1.31E-06 大实验厅 60cmFe+70cmHC 3.15E-04 190cmOC 7.65E-04 同位素靶室 塞门 260cmHC —— 同位素外厅 33cmFe+42cmOC 6.46E-03 100cmOC 7.39E-03 ISOL外厅 33cmFe+55cmOC 3.17E-03 120cmOC 3.38E-03 ISOL热室 36cmFe 2.51E-05 2.79E-05 第一分析段 180cmOC ISOL电源间 30cmOC 小实验厅 50cmOC 回旋大厅屏蔽门 回旋大厅通风管道计算模型 最重32吨 回旋大厅通风管道剂量率分布

15 屏蔽设计 年有效剂量总表(mSv/a) 实验厅 方位 同位素 运行 ISOL 准单能 强中子 源运行 白光中子 生物医学 靶站运行 辐射效应
年剂量率 备注 回旋厅 东 2.6E-02 1.0E+00 2.2E-02 4.3E-03 1.7E-02 1.1E+00/7.06E-1 监督区/实测值 南 8.2E-09 5.5E-04 8.8E-03 4.7E-03 9.3E-04 3.7E-03 2.3E-02 非放射性工作区 西 1.6E-02 6.2E-01 1.1E-02 2.2E-03 8.9E-03 6.8E-01/LLD 非放射性工作区/实测值 北 4.4E-03 1.3E-01 3.5E-03 7.1E-04 2.8E-03 1.5E-01 顶 5.2E-01 1.2E+01 3.7E-01 7.5E-02 3.0E-01 1.4E+01 运行期间顶层禁止人员停留 同位素厅 3.6E-08 监督区 7.7E-06 4.3E-02 1.4E-03 ISOL厅 8.3E-02 1.5E-07 1.1E-03 5.1E-03 1.9E+00 第一分析段 1.3E-07 9.7E-02 2.4E-02

16 屏蔽设计 年有效剂量总表(mSv/a) 实验厅 方位 同位素 运行 ISOL 准单能 强中子 源运行 白光中子 生物医学 靶站运行 辐射效应
表4-1加速器运行时的辐射源项 屏蔽设计 年有效剂量总表(mSv/a) 实验厅 方位 同位素 运行 ISOL 准单能 强中子 源运行 白光中子 生物医学 靶站运行 辐射效应 年剂量率 备注 转换段 东 1.2E-02 监督区 南 7.5E-03 非放射性工作区 北 顶 7.1E-03 电源间 中子厅 1.6E-02 5.5E-03 1.8E-03 7.4E-03 4.3E-02 5.2E-02 3.0E-02 3.2E-04 5.9E-04 9.8E-02 西 3.2E-03 1.3E-03 1.0E-03 5.2E-05 2.1E-04 5.8E-03 3.7E-11 1.6E-06 8.8E-08 1.4E-11 5.5E-11 1.7E-06 3.3E-01 1.2E-01 8.3E-02 2.7E-03 1.1E-02 5.5E-01 运行期间顶层禁止人员停留 小实验厅 1.8E-02 4.9E-02 7.8E-03 2.6E-02

17 残余辐射的防护 残余辐射的防护： 源项数据分别采用MCNP配合CINDER90耦合计算以及FLUKA软件计算得到。
加速器部件选择活化水平较弱、较容易衰变的材料 通过局部屏蔽对确定的残余辐射源项进行屏蔽 100MeV 质子轰击不同材料的活化水平

18 残余辐射的防护 升级工程的局部屏蔽列表 局部屏蔽名称 源项 粒子能量 流强 靶材料 屏蔽材料 所需的屏蔽厚度（cm） 南引出口局部屏蔽 p
100 20 Al 普通混凝土 50-70cm 北引出口局部屏蔽 开关磁铁屏蔽碉堡 Fe 重混凝土 白光中子源屏蔽碉堡 200 Pb 准单能中子源局部屏蔽 10 Li 准单能中子源屏蔽墙 300 中子捕集器A 铸铁+普通混凝土 60+40 中子捕集器B 30+160 质子捕集器 45+160 第一分析段-ISOL工艺管道中子捕集器 - 束流收集器局部屏蔽 Cu 铅、普通混凝土 30+170 同位素靶站局部屏蔽 75 50 铜 30 15m中子管道局部屏蔽 n 铸铁 30m中子管道局部屏蔽 主分析段-ISOL穿墙管道局部屏蔽 D 24MeV Mo/Cu 聚乙烯 回旋电源间电缆穿墙管道局部屏蔽 铁砂聚乙烯混合 高频馈管穿墙管道局部屏蔽 加速器大厅及大实验厅通风管道 无需屏蔽

19 开关磁铁及白光中子源局部屏蔽剖面图，A为束流平面，B为南线束流线位置
残余辐射的防护 需要准直对中的束流管道 A B 开关磁铁及白光中子源局部屏蔽剖面图，A为束流平面，B为南线束流线位置 重混凝土块的设计精度达到了+-1.5mm 设备装配要求屏蔽体可移动； T型梁跨度要求达到9m 现场安装条件限制（重量限制）、装配难度高(配合束流管道精度要求，mm量级)

20 残余辐射的防护 PSI实验室使用的局部屏蔽块 安装照片 PSI实验室使用的局部屏蔽块 升级工程使用的局部屏蔽块 升级工程使用的局部屏蔽块

21 残余辐射的防护 100MeV 回旋加速器长期运行后的残余剂量分布（mSv/h）

22 通过设计真空室铝制内衬降低真空室内部的残余辐射剂量
(b) (a) (a) 内衬拆除前，(b) 内衬拆除后，真空室内部的辐射场(单位:mSv/h)

23 目录 概述 辐射防护设计输入 屏蔽设计 安全联锁与剂量监测 个人剂量评价

24 安全联锁与剂量监测 主要特点： 完成功能： 故障安全，即使装置出现故障，仍能保证系统安全
冗余性，PLC内部冗余、现场关键设备冗余(多层冗余，多重冗余) 多元性，多种特性的安全联锁设备，机械+电子 独立性，与其计算机控制系统相对独立。 完成功能： 防止人员进入有潜在照射可有的区域，防护门控制实现； 工艺房间的清场； 紧急情况下提供紧急停机按钮和退出通道 通过EPICS系统给操作人员提供信息

25 安全联锁与剂量监测 系统架构 顶层- 服务器和人机界面 中间层- 二次仪表 底层- 现场设备

26 安全联锁与剂量监测 系统架构 顶层- 服务器和人机界面 中间层- 二次仪表 底层- 现场设备

27 安全联锁与剂量监测 系统架构 顶层- 服务器和人机界面 中间层- 二次仪表 底层- 现场设备

28 安全联锁与剂量监测 场所监测 商用探测器无法满足 高能中子探测（En>20MeV ） 强剂量场下探测器寿命 剂量率量程宽
自主研发宽量程空气电离室探测器（能量响应150k到10MeV） 自主研发了GM管宽量程扩展技术（量程跨5个量级） 辐射监测项目及内容 监测项目 监测对象或地点 监测内容 监测方法 监测频度 个人剂量监测 运行、检修和实验人员 外照射:中子、γ 个人剂量计 每季度 个人中子剂量计； Χγ直读个人剂量计 每次维修与实验 外照射α、β 手脚表面污染测量仪 每次进出控制区 内照射:氚 尿氚分析 定期 场 所 监 测 辐射水平 控制区、监督区 中子、γ剂量率 固定式中子、γ剂量率仪 连续测量，信号传输到控制台 可携式中子、γ剂量率仪 不定期 表面污染 体表及实验场所物件表面 α、β 可携式α、β表面污染检测仪 气载放射性浓度 控制区 感生放射性核素等 气溶胶取样测量 流出物监测 气载排出物 总β 取样监测 冷却水 排放前 环境监测 设施外部 耐辐照空气电离室 高能中子探测器慢化体结构 宽量程GM管

29 目录 概述 辐射防护设计输入 屏蔽设计 安全联锁与剂量监测 个人剂量评价

30 个人剂量评估 职业人员的剂量评估 公众的剂量评估 加速器开机阶段：职业人员每年最大为1.1mSv，实测为0.706mSv；
加速器停机阶段：靶源操作室外（控制I区），该地区最大年剂量将小于2.4mSv； 累计加速器运行时的剂量，个人每年最大剂量为3.5 mSv。能够满足厂区内职业人员每年5 mSv的剂量约束值。 公众的剂量评估 院内其他工作人员累积年有效剂量0.293 mSv/a，实测该位置的年有效剂量为9.1μSv/a ； 院外公众可能受到最大剂量为1.1μSv，实测该位置的年有效剂量为8μSv/a；

31 谢谢