CN106599510A - 一种基于网格分割的屏蔽层厚度精细配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于网格分割的屏蔽层厚度精细配置方法，该方法是将屏蔽层模型进行直角网格分割，通过配置各网格体厚度达到精细配置屏蔽层厚度的目的。该方法主要包含5个步骤完成屏蔽层厚度精细化配置：第一步采用蒙特卡罗粒子输运程序计算屏蔽层内侧剂量场分布，采集剂量率最大值、最小值及其坐标位置；第二步采用半值层方法计算方法屏蔽层初始最大厚度、最小厚度；第三步采用厚度/尺寸适应原则，确定网格体厚度增长步长；第四步采用等厚度步长法，确定网格沿坐标方向尺寸步长并计算网格体分割数量；第五步根据厚度步长与网格体位置，配置网格体厚度。本发明适用于屏蔽层设计空间体积有限，屏蔽层厚度空间占用要求比较高的场合。

Description

一种基于网格分割的屏蔽层厚度精细配置方法

技术领域

本发明属于辐射屏蔽防护设计与优化领域，具体涉及一种基于网格分割的屏蔽层厚度精细配置方法。

背景技术

核装置运行过程，有大量的中子和γ射线向周围辐射，停止运行时，中子活化材料也向周围放射出γ射线。屏蔽层主要为了防止工作人员以及装备结构材料受到这些放射性辐射损伤。辐射屏蔽层厚度对衰减辐射剂量率起到重要作用。辐射屏蔽层使屏蔽层外侧剂量率其保持在合理的最低水平，确保人员剂量不超过国家辐射防护标准规定的剂量当量限值。

传统的核装置辐射屏蔽厚度配置方法基于安全考虑，根据屏蔽层外最大辐射剂量、辐射衰减公式直接计算屏蔽层总体厚度配置。但是，核装置周围屏蔽层几何复杂，如屏蔽层中穿插贯穿件、管道等，导致屏蔽层外的辐射场分布极不均匀。对屏蔽层不同位置处，如果采用统一的厚度配置，既浪费了屏蔽层材料，也占用了更多空间，没有达到屏蔽最优化。基于粒子输运理论屏蔽计算方法可以计算出屏蔽层不同位置的厚度安全限值，但此方法计算过程对屏蔽设计人员专业要求极高，计算过程耗时较长，而且需要对优化结果反复验证校核。本发明公开一种基于网格分割的屏蔽层厚度精细配置方法。与常规方法不同之处在于：本文提出了将屏蔽层模型进行直角网格分割，采用厚度/尺寸比率原则，配置网格体厚度步长及网格体数量，确定网格体分割大小与厚度值。网格化厚度精细配置后的屏蔽层在保障达到相同屏蔽效果的同时，优化了屏蔽层形状结构、节约屏蔽材料、减少空间占用；同时计算过程快捷方便，无需反复验证计算，提高了设计效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于网格分割的屏蔽层厚度精细配置方法，解决辐射屏蔽体积空间占用要求较高，质量控制严格的屏蔽层精细化设计问题。

本发明采用的技术方案为：一种基于网格分割的屏蔽层精细厚度配置方法，对屏蔽层进行平面直角网格分割，并对每一个网格体进行精细厚度配置。本方法包括步骤：第一步采用蒙特卡罗粒子输运程序计算屏蔽层内侧剂量场分布，采集剂量率最大值、最小值及其坐标位置；第二步采用半值层法计算屏蔽层初始最大厚度、最小厚度；第三步采用厚度/尺寸比率原则，确定网格体厚度增长步长；第四步采用等厚度步长法，确定网格沿坐标方向尺寸步长并计算网格体分割数量；第五步根据厚度步长与网格体位置，配置网格体厚度。

更进一步的，上述第三步采用厚度/尺寸适应原则，确定网格体厚度增长步长，具体步骤为：计算屏蔽层最大厚度与最大尺寸比率R_T＝T_max/L_max，其中T_max表示屏蔽层最大厚度值，L_max表示屏蔽层坐标方向最大尺寸值；网格体厚度增长步长P_T满足其中T_diff表示屏蔽层最大厚度差。

本发明的原理在于：

本发明的技术方案流程如图1所示，包含以下步骤：

1)采用蒙特卡罗粒子输运程序计算屏蔽层内侧剂量场分布，采集剂量率最大值、最小值及其坐标位置。给定计算源项可以是点源、面源、圆柱源等辐射源形状，屏蔽层辐射源类型可以是采用中子、α、β、γ光子辐射计算。计算获得二次屏蔽层平面剂量场分布。基于剂量场分布，采集剂量率最大值I_max、最小值I_min及其坐标位置A_max(x_max，y_max)、A_min(x_min，y_min)。

2)采用半值层法计算屏蔽层初始最大厚度、最小厚度。根据辐射屏蔽层设计技术，半值层是将入射光子减弱一半所需的屏蔽层厚度，由半值层求所需屏蔽材料的厚度或估算屏蔽效果比较方便。n个半值层的屏蔽厚度可使辐射减弱1/2n。

计算达到屏蔽层外辐射要求的辐射场衰减倍数：

其中I，I₀：设置屏蔽前后的剂量率(强度)；T：屏蔽层厚度(cm)；μ：线衰减系数(cm^-1)；B：累积因子(其值可以查表求得)；K：辐射场中某点处没有设置屏蔽层时的当量剂量率，与设置厚度为d的屏蔽层后的当量剂量率的比值。

配置屏蔽层初始最大T_max、最小厚度T_min：

令K＝2ⁿ，则n＝logK/log2屏蔽厚度T＝n*△_1/2

其中△_1/2：半减弱厚度，即将入射粒子减弱一半所需的屏蔽层厚度；其值可根据辐射类型与防护材料类型查表获得。

3)采用厚度/尺寸适应原则，确定网格体厚度增长步长。根据厚度/尺寸比率原则，屏蔽层厚度增长应该与屏蔽层整体尺寸相协调，屏蔽层厚度相对屏蔽层整体尺寸较大时，厚度增长步长较大；相反，厚度步长减小。计算屏蔽层最大厚度与最大尺寸比率R_T，网格体厚度增长步长满足对公式向下取整。

T_diff＝T_max-T_min

R_T＝T_max/L_max

其中，T_diff表示屏蔽层最大与最小厚度差值；T_max表示屏蔽层最大厚度值；L_max表示屏蔽层坐标方向最大尺寸值；P_T表示厚度步长。

4)采用等厚度步长法，确定网格沿坐标方向尺寸步长并计算网格体分割数量。在模型某一平面上采用平面直角网格分割模型，计算网格体沿坐标轴尺寸增长步长C_step以及网格体数量：

N_X＝|L_X/C_step|

N_Y＝|L_Y/C_step|

其中P_T是网格体厚度步长；L_X、L_Y表示屏蔽层沿X、Y坐标的尺寸；N_X、N_Y为沿坐标轴网格分割数量。

5)根据厚度步长与网格体位置，配置网格体厚度。根据步骤3配置的网格体厚度增长步长P_T，和分割数量N_X、N_Y；每个网格体在具有两个方向上的网格厚度值增量值。网格体厚度配置：

T_n1，n2＝T_min+(n₁+n₂)*P_T (n₁<N_y、n₂<N_z)

T_n1，n2代表n1行与n2列网格体的当前厚度值配置；

本发明的优点在于：

本发明方法适用于屏蔽层设计空间体积有限，屏蔽层厚度空间占用要求比较高的场合，可以减少不必要的空间占用；还适用于对整体质量控制严格的场合，开展空间宇宙辐射屏蔽、核动力设施屏蔽层设计，可以减小屏蔽层的整体质量；还适用于辐射场分布极不均匀的场合，特别是有贯穿管道穿过的屏蔽层设计，针对每一个网格体位置的剂量率大小配置厚度，可以节省不必要的材料浪费。本屏蔽层精细配置方法计算过程方便快捷、帮助普通工程设计人员快速优化设计出屏蔽层原型。

附图说明

图1为屏蔽层厚度精细化配置流程；

图2为实施例辐射源与屏蔽层空间相对位置。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

一个Co-60点源，位置如图2所示，源活度为4000居里，屏蔽层外允许剂量率为I₀＝0.25mR/h。采用铅材料防护层，防护层屏蔽面尺寸10m×4m。

此案例中点源位置偏于最左侧，屏蔽层内侧辐射剂量场在屏蔽层平面分布极不均匀，采取本发明的基于网格分割的屏蔽层精细厚度配置方法，对本实施例进行屏蔽层平面直角网格分割，并对每一个网格体进行精细厚度配置。本方法步骤包括五步。

第一步，采用蒙特卡罗粒子输运程序计算屏蔽层内侧剂量场分布，采集剂量率最大值、最小值及其坐标位置。具体如下，剂量场计算采用国际上已经发展成熟的蒙特卡罗粒子输运程序SuperMC。设定源项类型为γ光子、点源形状辐射，基于计算出的剂量场分布，采集到屏蔽层内侧剂量率最大值I_max＝5×10⁵mR/h、最小值I_min＝5×10³mR/h及其坐标位置A_max(0,2)、A_min(10,4)。

第二步，采用半值层法计算屏蔽层初始最大厚度、最小厚度；其具体如下。计算达到屏蔽层外辐射要求的辐射场衰减倍数K：辐射场中某点处没有设置屏蔽层时的剂量率，与设置厚度为d的屏蔽层后的剂量率的比值，令K＝2ⁿ。

K_max＝I_max/I₀＝2×10⁶

K_max＝I_min/I₀＝2×10⁴

△_1/2：将入射光子数减弱一半所需的屏蔽层厚度，其值可根据辐射类型与防护材料类型查表获得查表可得△_1/2＝12mm，配置屏蔽层初始最大T_ax、最小厚度T_min。

n＝logK/log2＝21 T_max＝n*△_1/2＝250mm

n＝logK/log2＝14 T_min＝n*△_1/2＝170mm

第三步，采用厚度/尺寸适应原则，确定网格体厚度增长步长；具体如下。厚度/尺寸适应原则就是屏蔽层厚度增长应该与屏蔽层整体尺寸相协调，屏蔽层厚度相对屏蔽层整体尺寸比例较大时，厚度增长步长较大；相反，厚度步长减小。计算屏蔽层最大厚度与最大尺寸比率R_T，网格体厚度增长步长满足对公式向下取整。

T_diff＝d_max-d_min＝80mm

R_T＝T_max/L_max＝25cm/10m＝0.025

第四步，采用等厚度步长法，确定网格沿坐标方向尺寸步长并计算网格体分割数量；具体如下，在模型某一平面上采用平面直角网格分割模型，计算网格体沿坐标轴尺寸增长步长C_step以及网格体数量：

N_y＝|L_y/C_step|＝10/0.255＝40

N_z＝|L_z/C_step|＝4/0.255＝16

L_X、L_Y表示屏蔽层沿X、Y坐标的尺寸；，N_X、N_Y为沿坐标轴网格分割数量。

第五步，根据厚度步长与网格体位置，配置网格体厚度；具体如下。根据步骤3配置的网格体厚度增长步长P_T，和分割数量N_y，N_z；每个网格体具有两个方向上的网格厚度值增量值。网格体厚度配置：

T_n1，n2＝T_min+(n₁+n₂)*P_T (n₁<N_y、n₂<N_z)

T_1,1＝170+(1+1)*2＝174mm

T_1,2＝170+(1+2)*2＝176mm

…

T_40，16＝170+(40+16)*2＝282mm

T_n1，n2代表n₁行与n₂列网格体的当前厚度值配置；完成厚度配置后的屏蔽层。

Claims (2)

1.一种基于网格分割的屏蔽层厚度精细配置方法，其特征在于，对屏蔽层进行平面直角网格分割，并对每一个网格体进行精细厚度配置，该方法的步骤如下：

第一步、采用蒙特卡罗粒子输运程序计算屏蔽层内侧剂量场分布，采集剂量率最大值、最小值及其坐标位置；

第二步、采用半值层方法计算屏蔽层初始最大厚度、最小厚度；

第三步、采用厚度/尺寸适应原则，确定网格体厚度增长步长；

第四步、采用等厚度步长法，确定网格沿坐标方向尺寸步长并计算网格体分割数量；

第五步、根据厚度步长与网格体位置，配置网格体厚度。

2.根据权利要求1所述的基于网格分割的屏蔽层厚度精细配置方法，其特征在于，第二步采用厚度/尺寸适应原则，确定网格体厚度增长步长具体步骤为：计算屏蔽层最大厚度与最大尺寸比率RT＝Tmax/Lmax，其中Tmax表示屏蔽层最大厚度值，Lmax表示屏蔽层坐标方向最大尺寸值网格体厚度增长步长P_T满足其中T_diff表示屏蔽层最大厚度差。