CN101836130A - 确定辐射剂量的方法以及用于确定相关等剂量曲线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定由设施中的可裂变材料的源发出的辐射的剂量的方法，所述设施包括一组垂直于水平面的壁，其特征在于包括：根据所述设施的描述性几何数据，确定计算线与特征线之间交点的位置，所述特征线由一组特征平面形成，所述特征平面垂直于所述水平面，且每个特征面均包含可代表所述源的点源及垂直于所述源平面的两个壁之间的至少一个接合边缘。本发明应用于在包含可裂变材料的设施中可能会发生的临界事故。

Description

确定辐射剂量的方法以及用于确定相关等剂量曲线的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定辐射剂量的方法以及一种用于根据本发明的方法所确定出的剂量来确定等剂量曲线的方法。

背景技术

给定辐射的等剂量曲线是假想的线或面，在所述线或面上，辐射剂量实质上恒定。在以下说明中，术语“辐射(radiation)”将被理解为γ辐射、中子放射或α粒子放射。

包含可裂变材料的设施具有发生临界事故的风险，尽管存在用于限制此种风险的所有解决方案。发生临界事故的后果是大量地外部暴露于所放射的辐射的风险以及在设施及/或环境中因放射性产品的散布而发生内部暴露的风险。本发明适用于处理外部暴露风险。

当在设施中发生临界事故时，出于安全原因，确定由事故引起的有害辐射是如何分布的非常重要。根据现有技术，辐射剂量是使用算盘(abaci)来人工计算。这些使用算盘进行的计算是在设施的水平面中进行。如果在源平面(包含发出有害辐射的源的设施水平面)中进行的计算能很好地描述辐射剂量的分布，则在平行于该源平面的平面中进行的计算会导致对此分布的更复杂描述。此外，由于以人工方式进行计算，误差风险不可忽略并且计算时间可能较长。

本发明则不具有这些缺点。

发明内容

实际上，本发明涉及一种用于确定由设施中的可裂变材料的源发出的辐射的剂量的方法，其特征在于包括以下步骤：

—确定在所述源的可裂材料中发生的裂变的次数，所述裂变的次数是时间的函数；

—确定形成所述设施的垂直壁和地板的材料的衰减系数，以及更一般地，确定有可能被置于所发出辐射的轨线上的任何屏蔽物的衰减系数；

—根据所述设施的描述性几何数据，在源平面与平行于所述源平面的观察平面之间，确定一组特征平面，其中该源平面实质上垂直于所述设施的垂直壁并包含表示所述辐射源的点源，所述特征平面平行于所述源平面，且每个特征平面均包含所述点源及介于所述设施的两个垂直壁之间的至少一个接合边缘；

—围绕垂直于所述源平面并穿过所述点源的轴线对所述特征平面进行倾斜扫描，以限定至少一个计算平面；

—对于所述计算平面，确定一组特征线，每一特征线均穿过所述点源和位于两个接合边缘的接合处的至少一个点；

—在位于所述观察平面与所述计算平面的相交处的计算线上，确定所述计算线与所述特征线之间的交点的位置；

—从存在于所述计算线上的交点中，选择位于所述设施的露天区域中的交点Δ_j；

—根据裂变次数与时间的关系、所述点源距点Δ_j的距离、以及垂直壁和/或地板的构成材料的衰减系数和/或将所述点源与所述点Δ_j隔开的任何屏蔽物的衰减系数，计算存在于每一个点Δ_j处的辐射剂量d(Δ_j)。

本发明还涉及一种用于确定由设施中的可裂变材料的源发出的辐射的等剂量曲线的方法，其特征在于依次包括：

—根据本发明的一种用于确定剂量的方法；以及

—将通过本发明的方法所确定的剂量d(Δ_j)与预定的剂量间隔相比较，使得：

—如果两个连续的所选交点Δ_j与Δ_j+1的两个计算出的剂量d(Δ_j)与d(Δ_j+1)属于同一剂量间隔，则在这两个计算点之间分配同一附属区；以及

—否则，通过二分法寻找一个或多个其剂量d(Δ_k)为剂量间隔界限的点Δ_k，在属于同一剂量间隔的两个连续点之间分配同一附属区，

—根据分配给计算出的辐射剂量的所述附属区，沿所述计算线形成所述等剂量曲线。

在设计须包含可裂变材料的设施时，通过应用本发明的方法，就能有利地实施对将来可能出现的临界事故的后果的分析，以便：

—限定所述设施的疏散路径，

—确定所述设施中的分组点，

—确定用于探测临界事故的探头的位置，

—在所述设施的周围区域中标出存在外部暴露风险的区(如果存在的话)。

当在设施中发生临界事故时，利用本发明的方法，可有利地以实时方式实施：

—评估位于所述设施中或靠近所述设施的工人的潜在外部暴露风险，

—作为对与应急计划有关的措施的补充，在所述设施处放置为处理危机所需的装置或设置所需的程序。

本发明的方法优选地通过计算机进行应用。

附图说明

参照附图阅读本发明的优选实施例，本发明的其它特征及优点将变得一目了然，附图中：

—图1示意性地例示包含可裂变材料的实例性设施，在该设施中可能会发生临界事故；

—图2例示本发明的剂量确定方法的方框图；

—图3例示本发明的等剂量曲线确定方法的方框图；

—图4例示用以在其中根据本发明的方法来计算剂量的所述设施的体积的剖面图；

—图5例示适用于根据本发明的方法的剂量计算的一组特征平面；

—图6例示适用于根据本发明的方法的剂量计算的一组特征线；

—图7例示在观察平面中根据本发明的方法所获得的等剂量曲线的实例性分布。

在所有附图中，相同的标记均指示相同的元件。

具体实施方式

图1示意性地例示其中可能会发生临界事故的实例性设施。

该设施例如由多个楼层的建筑物组成，每一楼层包括多个房间。在该设施的不同房间中分布有不同的测量传感器C_nm。传感器C_nm用于在出现实际临界事故的情况下实施辐射测量，从而能够识别发出有害辐射的源。传感器C_nm例如为电离室、比例传感器等。该设施位于直接参照系(x，y，z)中，其中z轴是竖轴，沿z轴限定该设施的高度，平面(x，y)则为该设施的水平面。

图2例示本发明的剂量确定方法的不同步骤(步骤1-9)的方框图。

本发明的方法首先进行三个数据读取步骤，即：步骤1，用于读取该设施的几何数据；步骤2，用于读取源数据；以及步骤3，用于读取布局数据。读取步骤1-3的实施次序并不重要，这三个步骤也可同时实施。

在步骤1中读取的设施的几何数据G代表建筑物的体块(bulk)配置(建筑物的不同房间、建筑物的外护层(envelope))以及存在于建筑物中的保护性屏蔽物的几何配置。

在步骤2中读取的源数据S是与发出辐射的源有关的数据。这些数据由在事故位置发生的裂变次数(所述裂变次数是时间的函数)、用于描述其中发生事故的箱体(点源或体块源)的几何形状的几何数据以及用于表征其中发生事故的介质(液体介质、粉末、金属)的介质数据组成。这些数据一方面是通过由已探测到临界事故的传感器所传递的辐射测量值、另一方面是通过与存在于所述设施中的不同产品相关的预先记录信息获得。

布局数据T包含：

—阈值数据，其限定预定的剂量间隔(interval)，所计算的剂量将分布于这些预定的剂量间隔中，以及

—几何数据，与所述设施的期望在该处进行剂量计算的点相关(该设施的观察平面、特定区或特定点)。

在读取步骤1、2及3之后，接着进行步骤4，用于评估构成所述设施的不同材料M_k(k＝1，2，...，n)的衰减系数K(M_k)(k＝1，2，...，n)以及评估表示在所述设施的不同点P上在不存在任何壁或屏蔽物时将会存在的辐射剂量的理论数据D_o(P)。用于计算K(M_k)系数和D_o(P)数据的步骤4是根据G及S数据、T数据以及内部数据I来进行的，其中内部数据I包括每一种材料的衰减系数数学模型。优选地，衰减系数被表达为多项式方程的形式。作为非限定性实例，被辐射穿过的材料M_k的衰减系数K(M_k)表示为：

K(M_k)＝aX+bY+cXY+dX²+eY²+fZ+gW

系数a，b，c，d，e，f及g是已知的设定参数值，其是要对其进行衰减系数评估的材料M_k的特性。量值X，Y及Z是辐射源的特征变量，并且量值W是表示所穿过的材料M_k的厚度的变量(W将在下文予以说明)。更具体而言，变量X取决于源的类型(液体、粉末、金属)，变量Y取决于源的体积，而变量Z取决于在发生事故与确定系数的时刻之间所经过的时间。系数a，b，c，d，e，f及g是属于前述的数据集合I的数据。数据X，Y及Z是属于数据集合S的数据，而数据W是根据几何数据G及布局数据T计算得出的。

对于给定的源类型，量值aX+bY+cXY+dX²+eY²+fZ是常数项K₀。因此，量K(M_k)被表示为唯一的变量W的函数，即：

K(M_k)＝g×W+K₀

更一般地，除包含衰减系数的数学方程式以及系数a，b，c，d，e，f，g以外，内部数据I还包含以下数据：

—期望在计算剂量时采用的单位(空气中剂量Gy或剂量当量Sv)，以及

—衰减系数的计算条件(源与计算点之间的距离修正系数)。

与计算步骤4并行地实施四个基本计算步骤5，6，7及8。步骤5是用于确定适用于剂量计算的特征平面的步骤。作为非限定性实例，图5中例示一组特征平面P_j。图5表示所述设施沿水平面P_E的剖面图，该水平面P_E包含点E(发出有害辐射的源被比作该点E)。这些特征平面被构造于平面P_E与观察平面P_V之间。观察平面P_V是与在其中计算剂量的平面P_E(参见图4)平行的平面。观察平面P_V是由布局数据T设定的数据。每一特征平面P_j均是垂直平面，即垂直于水平面P_E及P_V的平面，其包含点E(发出有害辐射的源被比作该点E)和在平面P_E及P_V之间包含的两个垂直壁之间的至少一个接合边缘。可根据上述规则构造而成的所有平面的集合形成本发明的特征平面。相应地，包含于P_E及P_V之间并且垂直于平面P_E及P_V的所有房间的所有边缘均受到影响。特征平面全部选自几何数据G。

在本发明的方法的步骤6中，随后在特征平面P_j之间实施扫描，以确定不同的计算平面P_c。然后，通过将特征平面P_j围绕轴线Z_p旋转倾角(angularpitch)θ而获得计算平面P_c，其中轴线Z_p垂直于平面P_E及P_V并穿过点源E。每一计算平面P_c均是在其中沿给定方向实施剂量计算的平面，现在将参照图6在作为非限定性实例的特定的计算平面中对此加以说明。

继用于确定计算平面的步骤6之后，进行用于在每一计算平面中确定特征线Q_j的步骤7。对于给定的计算平面，特征线Q_j穿过点源E并穿过位于计算平面中两个边缘的接合处的至少一个点。可根据上述规则构造而成的所有线形成本发明的与计算平面相关的特征线Q_j的集合。通过设计，将计算平面P_c划分成针对垂直轴线Z_p而相互对称的两个半平面。因此，相对于某一计算平面的特征线的集合被划分成两个特征线半集合。作为非限定性实例，图6例示图5中的计算平面P_c的一个特征线半集合。该计算半平面将观察平面P_V沿具有单位向量

的线D进行切割。然后，确定属于线D的特征点Δ_j的集合(本发明的方法的步骤8)。通过特征线Q_j与线D的交点获得特征点Δ_j。作为实例，图6例示一连串特征点Δ₀，Δ₁，Δ₂，......，Δ_n。特征点Δ_j在所述设施中具有已知的几何位置。所述设施在点源E与每一点Δ_j之间的结构也是已知的(参见图6)。因此，根据先前计算出的数据D₀(P)及K(M_k)、点Δ_j相对于发射源E的已知位置以及所述设施在源E与点Δ_j之间的已知结构，可计算出存在于每一点Δ_j的辐射剂量d(Δ_j)(本发明的方法的步骤9)。

所述计算线D由露天区域以及壁或屏蔽物区域组成。只有露天区域中的剂量计算具有实际意义。因此，优选地，仅对位于露天区域中的点Δ_j进行剂量d(Δ_j)的计算。

点Δ_j的剂量计算通过以下方程式而获得：

$d\left({\mathrm{\Δ}}_j\right)=D_0\left(P\right)\×C_d\×\underset{k}{\mathrm{\Σ}}K\left(M_k\right)$

—D₀(P)是在预定的任意点P处在不存在壁或屏蔽物的情况下的计算剂量，其中预定的任意点P位于辐射路径上且距点源E的距离为I₀(在体块源的情况下，点E是该源的体积的中心)，

—C_d是距离修正系数，则：

$C_d=\frac{I_0^2}{I^2},$

其中I₀是前述距离，I是从点源E到点Δ_j的距离，且

-K(M_k)是下述材料M_k的衰减系数。

现在将说明衰减系数K(M_k)。如前面所述，被辐射穿过的材料M_k的衰减系数表示为：

K(M_k)＝g×W+K₀

其中，量值W表示穿过材料M_k的辐射所覆盖的距离。优选地，对于穿过由材料M_k形成的壁或屏蔽物的辐射方向与该壁或该屏蔽物的平面的法线形成的夹角α而言，量值W被限定为此夹角α的函数：

—对于介于0°与预定限定值α_lim(0＜α_lim＜π/2)之间的角度α，W为所穿过的材料的实际厚度，以及

—对于介于预定限定值α_lim与π/2之间的角度α，W为壁或屏蔽物的对应于角度α_lim的厚度的值W_lim。

对量值α_lim的选择使得在较大角度下也不会低估剂量d(Δ_j)。该量值α_lim随辐射类型而异。

图3例示本发明的用于确定等剂量曲线的方法的方框图。该等剂量曲线确定方法重复上述的所有步骤1-9和用于使所计算出的剂量分布于预定值的剂量间隔中的附加步骤10。

现在将描述此分布的实例，其中将剂量d(Δ_j)分布于n个剂量间隔[di，di+1](i＝1，2，...，n)中。

所计算出的剂量在不同剂量间隔中的分布是通过以下方式实施的：

—如果针对同一露天区域的两个连续特征点Δ_j及Δ_j+1计算出的剂量d(Δ_j)及d(Δ_j+1)属于同一间隔[di，di+1]，则在这些点之间分配同一区域Z_i；

—否则，计算中间点(Δ_j+Δ_j+1)/2处的剂量d((Δ_j+Δ_j+1)/2)，并通过二分法寻找一个或多个其剂量d(Δ_k)是剂量间隔界限值的点Δ_k，在属于同一剂量间隔的两个连续点之间分配同一附属区。

然后，就能针对同一计算线D而获得作为不同区域Z_i的函数的等剂量曲线C(Z_i)(本方法的步骤10)。针对所有计算线(即针对所有计算平面)获得的等剂量曲线C(Z_i)形成整个观察平面P_v中的等剂量面。作为非限定性实例，图7例示所计算出的剂量在五个区域Z1-Z5中的分布。

在观察平面就是包含点源E的水平面P_E的特定情形中，所有的壁及屏蔽物均以垂直于其表面(α＝0)的方式穿过。因而，衰减系数的值为常数值K。因此，计算被极大地简化。

如果剂量d(Δ_j)及d(Δ_j+1)不属于同一间隔[di，di+1]，则点源E与其中辐射剂量d(Δ_j)对应于间隔界限值的点Δ_j之间的间隔距离I由如下方程式简单地表示：

$l=l_0\×\sqrt{\frac{D_0\left(P\right)}{d_k}\×\underset{k}{\mathrm{\Σ}}K\left(M_k\right)}$

Claims (7)

1.一种用于确定由设施中的可裂变材料的源以真实的或模拟的方式发出的辐射剂量的方法，其特征在于包括以下步骤：

—确定在所述源的可裂变材料中发生的裂变的次数，所述裂变的次数是时间的函数；

—确定形成所述设施的垂直壁和地板的材料的衰减系数，以及更一般地，确定可能被置于所发出的辐射的轨线上的任何屏蔽物的衰减系数；

—根据所述设施的描述性几何数据，在源平面(P_E)与平行于所述源平面的观察平面(P_V)之间，确定一组特征平面(P_j)，其中该源平面(P_E)实质上垂直于所述设施的垂直壁并包含表示所述辐射源的点源(E)，所述特征平面(P_j)垂直于所述源平面，且每个特征平面(P_j)均包含所述点源(E)及介于所述设施的两个垂直壁之间的至少一个接合边缘；

—围绕垂直于所述源平面并穿过所述点源(E)的轴线(Z_P)以角度(θ)对所述特征平面进行倾斜扫描，以限定至少一个计算平面(P_c)；

—对于所述计算平面，确定一组特征线(Q_j)，每一特征线均穿过所述点源(E)和位于两个接合边缘的接合处的至少一个点；

—在位于所述观察平面与所述计算平面的相交处的计算线(D)上，确定所述计算线与所述特征线之间的交点的位置；

—从存在于所述计算线上的交点中，选择位于所述设施的露天区域中的交点Δ_j；

—根据裂变次数与时间的关系、所述点源(E)距点Δ_j的距离、以及所述垂直壁和/或地板的构成材料的衰减系数和/或将所述点源(E)与所述点Δ_j隔开的任何屏蔽物的衰减系数，计算存在于每一个点Δ_j处的辐射剂量d(Δ_j)。

2.一种用于确定由设施中的可裂变材料的源以真实的或模拟的方式发出的辐射的等剂量曲线的方法，其特征在于依次包括：

—如权利要求1所述的用于确定剂量的方法；以及

—将通过如权利要求1所述的方法所确定的所述剂量d(Δ_j)与预定的剂量间隔相比较，使得：

—如果两个连续的所选交点Δ_j与Δ_j+1的两个计算出的剂量d(Δ_j)与d(Δ_j+1)属于同一剂量间隔，则在这两个计算点之间分配同一附属区(Z_i)；以及

—否则，计算位于所述两个连续点Δ_j与Δ_j+1之间的中间点处的辐射剂量d((Δ_j+Δ_j+1)/2)，并通过二分法寻找一个或多个其剂量d(Δ_k)为剂量间隔界限的点Δ_k，在属于同一剂量间隔的两个连续点之间分配同一附属区，

—沿所述计算线形成所述等剂量曲线，所述等剂量曲线是分配给所计算出的辐射剂量的所述附属区的函数。

3.如权利要求2所述的方法，其中在360度内进行倾斜扫描，以对沿一组计算线建立的等剂量曲线组进行分组，从而形成在整个所述观察平面中的等剂量的表示形式。

4.如权利要求1所述的方法，其中存在于所选交点处的所述辐射剂量由以下方程式表示：

$d\left({\mathrm{\Δ}}_j\right)=D_0\left(P\right)\×C_d\×\underset{k}{\mathrm{\Σ}}K\left(M_k\right),$ 其中

—D₀(P)是在预定的任意点(P)处在不存在任何屏蔽物的情况下计算出的剂量，其中所述预定的任意点(P)位于所述辐射的路径上且距所述点源(E)的距离为l₀，所述辐射是在所述点源(E)与所述点Δ_j之间传播，

—C_d是距离修正系数，则：

$C_d=\frac{l_0^2}{l^2},$

其中l₀是前述距离，l是从所述点源(E)到所述点Δ_j的距离，且

—K(M_k)是对材料M_k计算出的衰减系数，所述材料M_k被在所述点源(E)与所述点Δ_j之间传播的辐射穿过。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述衰减系数K(M_k)由下列方程式给出：

K(M_k)＝g×W+K₀，其中

—W是表示所述材料M_k的被穿过厚度的量值，

—g是所述材料M_k的已知系数特性，

—K₀是取决于所述辐射源和所述材料M_k的已知项。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述量值W被限定为由所述辐射的方向与所述材料M_k形成的所述垂直壁的法线形成的夹角α的函数，则：

—对于介于0°与预定限定值α_lim(0＜α_lim＜π/2)之间的角度α，W为被穿过的材料的实际厚度，以及

—对于介于所述预定限定值α_lim与π/2之间的角度α，W为被辐射穿过的所述材料的厚度，所述辐射的方向与所述垂直壁的法线形成所述夹角α_lim。

7.如权利要求1所述的方法，其中所发出的辐射是γ辐射、中子放射或α粒子放射。

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