放射性物质的常见屏蔽形式

邵睿+李云华+姚琳

摘要：在合理利用核能的同时，更应该关注放射性物质发出的α射线，β射线，γ射线和中子射线所产生的辐射效应。为了减弱辐射危害，除了远离辐射源，减少受辐射时间外，选择恰当的屏蔽形式尤为重要。本文调研了常见屏蔽材料和结构，探究了其应用场景，并对比分析了各种屏蔽形式优缺点。

Abstract： In the rational use of nuclear energy， at the same time people should pay attention to the radiation effects generated by α-ray， β-ray， γ-ray and neutron radiation of radioactive material. In order to reduce the radiation hazards， in addition to away from the radiation source and reducing the radiation time， the choice of appropriate shielding form is particularly important. This paper investigates the common shielding materials and structures， explores their application scenarios， and compares the advantages and disadvantages of various shielding forms.

关键词：放射性物质；辐射防护；屏蔽；材料；乏燃料

Key words： radioactive material；radiation protection；shielding；material；spent fuel

中图分类号：X591 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）15-0160-04

0 引言

原子能科学成果与技术应用在人类发展史具有划时代的意义[1-3]，在医疗应用、国家安全、工业探伤等领域得以广泛应用，并展现出来广阔的美好前景。技术的两面性在生活中无处不在，原子能也不例外。人类在享有原子能技术带来的美好成果的同时，辐射作用也会带来某些直接或者间接的危害[4，5]。

原子核从一种结构转变为另一种结构，或者一种能量状态转变为另一种能量状态过程中，释放出来微观粒子流[6-8]。这种能自然的向外辐射能量，发出射线的物质，称为放射性物质，一般都是相对原子质量较高的金属，如钚，铀等。放射性物质发出的射线可分为α射线、β射线、γ射线和中子射线[9]。射线对人类正常的生产生活影响很大，应努力避免和减少其危害。辐射防护作为原子能科学与技术领域的重要组成部分，在合理利用原子能的同时，为保护环境和人类健康提供了科学依据。辐照防护的三原则有[10，11]：

①时间防护：累计剂量的大小与受照时间成正比。受辐射时间越短，危害越小。

②距离防护：由辐射引起的剂量率水平与该处到放射源距离的平方近似成反比。距离越远，该处的剂量率越低，危害越小。

③屏蔽防护：在人与放射源之间增加一道或几道防护屏障。屏蔽设计应根据辐射水平的高低、辐射分区的要求、操作的性质以及对空间大小的要求等，选择适宜的屏蔽材料和屏蔽體设置的形式，通过计算分析并考虑合理的裕量来确定屏蔽体的厚度。

常用的屏蔽材料有金属、混凝土等，如表1所示。

1 常见屏蔽方案

美国核管理委员会（NRC）对屏蔽的定义为：屏蔽是任何能吸收辐射的材料或屏障，有助于保护人员或材料不受电离辐射的影响。选择合适的屏蔽材料，确定屏蔽的结构形式和参数，有助于妥善处理放射性问题。

1.1 水

在核电站乏燃料的后处理中，从反应堆卸出的乏燃料组件，具有较强的放射性，必须贮存一段时间后才能运输。依据GB 11806-2004的规定[15]，正常运输条件下，在运输容器外距表面2m处任意一点的剂量率值不得超过0.1mSv/h。为使其放射性和衰变热降低，必须在反应堆的贮存水池中存放并冷却一段时间。同时，一定厚度的水可以保障人员在水池上方的观测安全和环境安全。如图美国核能协会给出了水池的三个关键液位[16]。

使用水作为屏蔽材料，缺点也比较明显，乏燃料水池冷却系统需要持续工作[17，18]，废液属于二次污染物，运行和维护成本较高。水池贮存周期一般为5～10年，随着我国核电站运行时间的增加，水池的贮存能力趋于饱和，有待于采用其他方式进行最终处置或处理。

1.2 钢-铅

大多数的辐射屏蔽采用金属铅，辅以钢结构支撑。铅的优点为成本低、容易成型、屏蔽性能好。铅属于重金属，缺点是对人体有害，操作时需要注意防护，处置方式也会受限制。

中国核电工程有限公司设计的GY-40型运输容器[19]，是运输工业用钴60放射源而设计的铅屏不锈钢容器，主要屏蔽材料为铅，外层采用不锈钢支撑，主体外形示意见图2。辐射屏蔽采用不锈钢-铅-不锈钢结构，通过严格的试验验证，容器的各项功能均满足国家法规标准的要求。这样的屏蔽结构能保证在放射源运输途中，人员和环境的安全。

作为铅屏容器，灌铅质量直接关系到乏燃料的屏蔽能力[20，21]，因而制造过程中的灌铅工艺是关键。

1.3 球墨铸铁

20世纪八十年代，原西德Siempelkanmp铸造公司研发了一种100t重的球墨铸铁容器，并根据核燃料容器可能遇到的事故工况，进行了9m跌落，800℃火烧以及大型飞射物撞击等试验，在充分考虑密封和屏蔽性能的条件下，该球墨铸铁容器满足了安全贮存核反应堆乏燃料的严格要求，开创了球墨铸铁容器的先河[22]。

西德核服务公司（GNS）开发了一套MOSAIK铸铁容器，根据内容物的比活度，有适当厚度的铅内衬，制造成本比钢-铅容器降低很多[23]。

球墨铸铁具有良好的力学性能和铸造性能，在制成容器时不同于不锈钢需要焊接。球铁容器通过铸造直接成型，可保证容器本体的完整和可靠密封，以及良好屏蔽作用，铸铁的缺点是制造工艺复杂，需要考虑厚壁浇铸可能出现的缺陷，并采用恰当的冷却系统，保证良好的金相组织。

1.4 贫铀

贫铀中的U235含量低于天然铀，是一种密度大，中子俘获截面大[24，25]，屏蔽作用强的物质。同时具有辐照稳定性良好，熔点高，导热性好，机加工性能好等优点，贫铀对γ及X射线的吸收能力很强，是一种性能优异的屏蔽材料。采用贫铀作为屏蔽材料的缺点是，贫铀本身具有一定的放射性，需要为其再次设置屏蔽材料，国内能加工贫铀的厂家也较少。相对于铅，贫铀的价格较高[26]，比较适合局部需要屏蔽作用较强的屏蔽容器。

用于轉运秦山三期重水反应堆生产的钴调节棒转运容器，采用了贫铀作为屏蔽材料。容器从内到外的主要屏蔽结构包括：内筒体，贫铀屏蔽层、铅屏蔽层以及外筒体。容器底部设有屏蔽门，材料也是贫铀。该型容器主要是考虑了空间大小限制，在较小的空间形成较好的屏蔽作用，具体结构如图4所示。

1.5 混凝土

虽然金属材料的屏蔽能力较好，但对于核电厂等大型屏蔽体，需要考虑工程造价和实用性。最常用的辐射屏蔽材料是混凝土，主要包括重混凝土、蛇纹石混凝土等[27，28]。

重混凝土的骨料一般选取赤铁矿或重晶石，蛇纹石混凝土容重大，化学结合水含量高，应用于高温条件下的生物屏蔽。在配合比设计中，需要考虑容重和化学结合水率以及现场施工要求[29]。

混凝土以其成本较低，制作方便，耐腐蚀等优点，在条件适合的情况下，可开发混凝土贮存容器。典型代表有美国Holtec公司研制的HI-STORM容器和法国AREVA TN公司的NUHOMS混凝土贮存模块。混凝土容器一般位于地面之上[30]，如图5所示。混凝土容器可以垂直或水平方向贮存。

混凝土是良好的结构材料和辐射屏蔽材料，但导热性能不佳。为了及时排出热量排出的要求，设计上大多采用通气式结构。通过专用管道可以排出混凝土容器中的热量。

1.6 复合材料

两种或两种以上的不同材料，通过物理化学方法形成复合材料，其整体性能优于单一基体，目前已有复合材料应用于中子屏蔽的研究成果。

韩仲武等人[31，32]研究了钨镍组合及合金，建立了三种材料组合模型——镍前钨后、钨前镍后及钨镍合金，使用MCNP程序模拟透射率和透射能谱，获得了三种模型的屏蔽性能，对屏蔽材料选择和结构设计有一定的指导意义。

李晓玲等[33]研究了一种铅硼聚乙烯新型复合屏蔽材料，对其成分配比进行优化设计，最终完成了样品试制并通过相关考核。

柴浩等人[34]设置基体为SEBS热塑性弹性体，功能填料为碳化硼，研发了新型柔性复合材料——B4C/SEBS，经过受力分析和传热计算及中子屏蔽试验，发现该复合材料具有良好的柔韧性能和中子屏蔽性能。

2 小结

本文介绍了常见的放射性物质屏蔽用结构形式和材料。混凝土主要用于核电厂的大型屏蔽体，以及乏燃料贮存领域。乏燃料水池主要用于在堆短期贮存，为后处理创造条件。铅、贫铀，球墨铸铁等金属大多用于放射源和乏燃料的运输和贮存。复合材料现也逐步进入放射性物质的屏蔽领域，特别是中子屏蔽。选择并确定屏蔽材料和布置，同时要充分结合使用空间位置关系、工艺要求和技术经济等条件。

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