MCNP程序?qū)δ晨邮綇U物庫貯存廢物放射性活度驗(yàn)證計(jì)算

1、第44卷增刊 原 子 能 科 學(xué) 技 術(shù) Vol. 44, Suppl. 2010年9月 Atomic Energy Science and Technology Sep. 2010MCNP程序?qū)δ晨邮綇U物庫貯存廢物放射性活度驗(yàn)證計(jì)算馬小強(qiáng)，李興義，劉登奎（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610005）摘要：某廢物庫退役源項(xiàng)調(diào)查是廢物庫退役工程前期工作，為退役設(shè)計(jì)提供源項(xiàng)輸入。根據(jù)現(xiàn)場輻射水平測量結(jié)果，利用點(diǎn)核積分原理，通過輻射水平與射線注量之間的關(guān)系，反推出廢物的放射性活度。為評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果，利用MCNP程序進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算。點(diǎn)核積分計(jì)算結(jié)果為6.4×1014 Bq，MCNP驗(yàn)證計(jì)算

2、結(jié)果為4.82×1014 Bq，表明點(diǎn)核積分計(jì)算結(jié)果偏保守，滿足工程設(shè)計(jì)需要。 關(guān)鍵詞：放射性廢物；活度；MCNP；驗(yàn)證計(jì)算中圖分類號(hào)：TL942 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-6931（2010）S0-0583-04MCNP Verification Calculation of Activityfor Waste Stored in a Trap RepositoryMA Xiao-qiang，LI Xing-yi，LIU Deng-kui（Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610005, China）Abstract: T

3、o offer the source for a trap repository decommissioning engineering, the activity of medium solid radioactive waste was calculated by point-kernel ray-tracing technique and the result is 6.4×1014 Bq. To appraise the result, a verification calculation was performed by MCNP and the result is 4.8

4、2×1014 Bq. It shows that point-kernel result is a little bigger than MCNP result. Therefore, point-kernel result is satisfied for engineering design. Key words: radioactive waste；activity；MCNP；verification calculation某坑式廢物庫建造于20世紀(jì)60年代，現(xiàn)已停止使用。多年來，存放了某反應(yīng)堆及配套設(shè)施運(yùn)行、檢修活動(dòng)中所產(chǎn)生的低、中放射性固體廢物。廢物庫現(xiàn)已不滿足目前國家放射

5、性廢物暫時(shí)貯存法律法規(guī)的規(guī)定，更不符合放射性廢物的永久處置規(guī)定。為消除對(duì)環(huán)境的潛在危險(xiǎn)，對(duì)廢物庫實(shí)施退役。對(duì)廢物庫實(shí)施安全、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)的退役，須首先對(duì)廢物庫貯存廢物進(jìn)行源項(xiàng)調(diào)查，為廢物庫退役工程的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2005年底至2006年初，對(duì)廢物庫內(nèi)廢物貯存情況和輻射水平進(jìn)行了調(diào)查，采用點(diǎn)核積分方法估算了廢物放射性活度。為檢驗(yàn)點(diǎn)核積分計(jì)算結(jié)果的可靠性，對(duì)坑內(nèi)廢物利用MCNP程序進(jìn)行驗(yàn)證性計(jì)算。1 點(diǎn)核積分計(jì)算1.1 計(jì)算方法坑內(nèi)貯存廢物為輻照靶筒，主要材料為不銹鋼和鋁材，體積為15.3 m3，質(zhì)量為38.25 t，收稿日期：2010-04-27；修回日期：2010-07-21 作者簡介：馬小

6、強(qiáng)（1979），男，甘肅甘谷人，助理研究員，核工程與核技術(shù)專業(yè)584 原子能科學(xué)技術(shù) 第44卷主要核素為Co，廢物堆積尺寸約為2.12 m× m3；e/w，e為電子電荷，w為平均電離能，2.12 m×3.4 m，距廢物表面2.3 m處中心輻 5×1021 C/eV。 60射水平為536 mSv/h。根據(jù)現(xiàn)場輻射水平測量結(jié)果，利用點(diǎn)核積分原理，通過輻射水平與射線注量之間的關(guān)系，反推出廢物的放射性活度1-4。由于廢物坑內(nèi)廢物貯存非常復(fù)雜，輻射水平高，無法準(zhǔn)確弄清廢物在坑內(nèi)裝載情況，因此無法準(zhǔn)確建立模型，只能做近似處理。為簡化計(jì)算，在計(jì)算過程中，將廢物用等體積、等高的均

7、勻圓柱體源代替，核素為60Co。 對(duì)無屏蔽的均勻圓柱體源（圖1），當(dāng)源強(qiáng)為常數(shù)時(shí)，在不考慮源自吸收時(shí)，在圓柱體源中心軸線上，距端面a的P點(diǎn)，光子輻射注量率為：SVp'4(h+a)ln(1+R2(h+a)22Rh+a（1h+aarctanR） aln(1+R22Raa2+aarctanR式中：P為P點(diǎn)的輻射光子注量率，m2·s1；Sv為源強(qiáng)度，m3·s1。令：f+a)ln（+1R2(h(h+a)2aln（1R2a2Rarctanha（2） R-2RarctanaR則：Sv4P/f （3）根據(jù)照射量率Xi、吸收劑量率Di、粒子注量率之間的關(guān)系，可得到用吸收劑量率Di表示

8、的體積源強(qiáng)度Sv的表達(dá)式：DifixX （4）其中：fx為照射量到吸收劑量的轉(zhuǎn)換系數(shù)，為37 Gy·C1ii·kg；D，Gy/s；X，C/kg。XiEk （5）其中：E為粒子的能量，eV；ken/，為質(zhì)量能量吸收系數(shù)，m2·kg1；為物質(zhì)密度，kg·聯(lián)立式（4）、（5）可得：Dif （6） xEk聯(lián)立式（3）、（6）可得： S4Divf （7）xEkf考慮到源自吸收時(shí)，源強(qiáng)度Sv的計(jì)算公式為： S4Dif（8） sfxEkf其中，fs為源自吸收系數(shù)。圖1 圓柱體幾何源 Fig. 1 Cylinder source1.2 計(jì)算結(jié)果在估算過程中，將廢物用等體

9、積、等高的均勻圓柱體源代替，核素為60Co，利用式（8）對(duì)廢物的活度進(jìn)行了估算。60Co能譜有兩個(gè)能峰，E取兩個(gè)能峰的和，近似計(jì)算可取E2.5×106 eV；自吸收系數(shù)fs選取0.05；能量吸收系數(shù)取0.003 m2·kgen/1。估算結(jié)果為：體積比活度為4.2×1013 Bq/m3，質(zhì)量比活度為1.7× 1010 Bq/kg，總活度為6.4×1014 Bq。2 MCNP計(jì)算2.1 MCNP程序簡介MCNP程序是一計(jì)算中子、光子和電子輸運(yùn)的三維幾何的蒙特卡羅代碼。MCNP是由美增刊 馬小強(qiáng)等：MCNP程序?qū)δ晨邮綇U物庫貯存廢物放射性活度驗(yàn)證計(jì)算

10、 585國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一套模擬中子、光子和電子在物質(zhì)中輸運(yùn)過程的通用蒙特卡羅方法計(jì)算程序。該程序目前可用于計(jì)算與中子、光子和電子相關(guān)的粒子輸運(yùn)問題，在核武器的研制、反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)以及保健物理等方面都有很廣泛的應(yīng)用。由于它的通用性和強(qiáng)大的功能，在國際上得到了廣泛的應(yīng)用。在核科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，都給出了權(quán)威的計(jì)算結(jié)果。MCNP不同于其他蒙特卡羅程序的一最大特點(diǎn)是使用連續(xù)能量截面數(shù)據(jù)。它可解決任意三維幾何模型的中子、光子和電子有關(guān)的輸運(yùn)問題，無論問題多么復(fù)雜，它都可給出滿意的結(jié)果。輸入文件由用戶編寫，由描述問題的幾何、材料、源項(xiàng)、計(jì)數(shù)、輸出等描述的各種卡片組成。 2.2 計(jì)算模型M

11、CNP程序無法直接計(jì)算源項(xiàng)，但可方便計(jì)算某點(diǎn)注量，根據(jù)放射性活度、注量成正比原理，通過注量計(jì)算結(jié)果反推放射性活度，即源項(xiàng)。由于廢物坑內(nèi)廢物實(shí)際貯存情況比較復(fù)雜，各種尺寸的廢物不規(guī)則地堆放在一起，“微觀”上無法準(zhǔn)確用數(shù)學(xué)模型描述，“宏觀”上，廢物堆積在一起近似為2.12 m×2.12 m×3.4 m的立方體，體積為15.3 m3，總質(zhì)量為38.25 t，主要材料為不銹鋼和鋁材（其中Fe與Al的質(zhì)量含量比為73），主要核素為60Co。距廢物表面（中心）2.3 m處中心輻射水平為 536 mSv/h。根據(jù)廢物坑結(jié)構(gòu)和廢物貯存情況，建立圖2所示模型5。假設(shè)中放坑內(nèi)廢物為Fe、Al和

12、60Co均勻分布。以廢物表面中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。柵元1為中放廢物，柵元2為廢物坑內(nèi)廢物上部沒有裝載廢物的空間，柵元3為外圍水泥屏蔽體，柵元4為柵元1、2、3以外的空間。根據(jù)射線（能量3 MeV）與空氣以及混凝土作用機(jī)理，光子進(jìn)入柵元4后，對(duì)計(jì)數(shù)點(diǎn)（0，0，570）注量貢獻(xiàn)可忽略，因此，假設(shè)光子進(jìn)入柵元4后，全部被物質(zhì)吸收（在輸入文件中，定義光子進(jìn)入柵元4后重要性為0）。選用F5點(diǎn)注量計(jì)數(shù)器和DEn/DFn劑量卡，在距廢物表面（中心）2.3 m處計(jì)數(shù)。為減小方差，計(jì)算中采用了幾何分裂技術(shù)。 2.3 計(jì)算結(jié)果通過計(jì)算，在距離廢物表面（中心）2.3 m處的劑量率（1個(gè)光子的貢獻(xiàn)）為：Di=5.55

13、6×1013mSv/h計(jì)算誤差為：=0.001 1根據(jù)點(diǎn)探測器記數(shù)誤差<0.05的要求，該計(jì)算結(jié)果可信。圖2 計(jì)算模型 Fig. 2 Model of problem1、2、3、4表示柵元，其余數(shù)字為坐標(biāo)值2.4結(jié)果處理在距離廢物表面（中心）2.3 m處實(shí)測劑量率為：Di0536 mSv/hMCNP模擬結(jié)果為5.556×1013 mSv/h（1個(gè)光子的貢獻(xiàn)）。 根據(jù)60Co的衰變機(jī)理，1次衰變放出2個(gè)光子，能量分別為1.173 MeV和1.332 MeV，分支比相等。MCNP計(jì)算中，2種能量的光子按照等概率抽取，且進(jìn)行了歸一處理。因此，廢物的活度A（數(shù)值上等于光子數(shù)的

14、一半）為： A12D04.82×1014 BqD586 原子能科學(xué)技術(shù) 第44卷3 結(jié)果分析根據(jù)點(diǎn)核積分原理，廢物放射性活度估算結(jié)果為A6.4×1014 Bq。MCNP計(jì)算結(jié)果為A4.82×1014 Bq。點(diǎn)核積分原理計(jì)算結(jié)果偏大，MCNP結(jié)果偏小。其原因是點(diǎn)核積分模型和計(jì)算參數(shù)選擇都偏保守，因此，計(jì)算結(jié)果比實(shí)際偏大。二者的差異為：AA（A+A）/228% 點(diǎn)核積分計(jì)算結(jié)果偏大的原因是： 1）模型。實(shí)際情況中放坑中的廢物是一立方體源，將廢物用等體積、等高的均勻圓柱體源代替，模型建立是保守的，計(jì)算結(jié)果會(huì)筆實(shí)際值偏大。2）參數(shù)選擇。式（8）中參數(shù)選擇偏保守，尤其是自吸收系數(shù)fs的選擇較保守。因此，點(diǎn)核積分計(jì)算結(jié)果比實(shí)際值偏大。MCNP計(jì)算模型更接近于實(shí)際情況