CN108182982A - 一种用于高放射材料的屏蔽装置及其应用 - Google Patents

一种用于高放射材料的屏蔽装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高放射材料的屏蔽装置及其应用，目的在于解决经核反应堆辐照处理后的RPV钢样品具有极强的放射危害性，尚无完善的屏蔽处理方法或装置的问题。本发明所涉及的高放射性材料为经核反应堆长时间处理和辐照后的RPV钢实验样件，换言之，本发明提供一种针对经核反应堆辐照后的RPV钢的屏蔽装置、其加工方法及应用，是一种高放射性材料在长流程运输和加工过程中的射线屏蔽技术及方法。本发明基于射线屏蔽理论，及贫化铀的材料特性，设计并制作了新型的便携性屏蔽容器，其能有效降低RPV钢在长流程周转、机械加工等过程中有害射线的释放，确保其在运输和加工过程中的安全性，最大限度的降低高放射材料对环境的影响。

Description

一种用于高放射材料的屏蔽装置及其应用
技术领域
本发明涉及射线屏蔽及防护领域，尤其是高放射性材料射线屏蔽领域，具体为一种用于高放射材料的屏蔽装置及其应用。更具体地，本发明提供一种应用于γ射线的屏蔽装置，及其在高放射γ射线材料运输、加工中的应用。采用本发明，能够满足高放射γ射线材料在加工、运输过程中的屏蔽需求，具有较好的应用价值。
背景技术
基于常用RPV钢(即反应堆压力容器材料钢)国产化背景，试图在微观尺度上构建RPV完整性评价体系。中广核工程设计有限公司、核电材料及服役安全联合实验室等单位合作开展RPV钢辐照微结构项目。在项目进行过程中，需要将经核反应堆辐照处理后的RPV钢样品进行运输，并实施样品加工。刚从核反应堆辐照后的RPV制品表面处剂量当量率达2247.48mSv/h，具有极强的放射危害性。若无完善的屏蔽处理方法与装置，势必对周围环境和操作人员造成极大的伤害。
故应此要求，急需研究一种能够适于高放射材料加工及运输过程中的屏蔽方法，并设计制造相应的屏蔽装置。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对经核反应堆辐照处理后的RPV钢样品具有极强的放射危害性，若无完善的屏蔽处理方法与装置，势必对周围环境和操作人员造成极大的伤害的问题，提供一种用于高放射材料的屏蔽装置及其应用。本发明所涉及的高放射性材料为经核反应堆长时间处理和辐照后的RPV钢实验样件，换言之，本发明提供一种针对经核反应堆辐照后的RPV钢的屏蔽装置、其加工方法及应用，是一种高放射性材料在长流程运输和加工过程中的射线屏蔽技术及方法。本发明基于射线屏蔽理论，及贫化铀的材料特性，设计并制作了新型的便携性屏蔽容器，其能有效降低RPV钢在长流程周转、机械加工等过程中有害射线的释放，确保其在运输和加工过程中的安全性，最大限度的降低高放射材料对环境的影响。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于高放射材料的屏蔽装置，包括屏蔽腔体、桶体、与桶体相配合的桶盖、第一螺柱、第二螺柱、固定体、紧定螺钉，所述屏蔽腔体、第一螺柱、第二螺柱、固定体分别采用贫化铀制备而成，所述桶体、桶盖分别采用不锈钢材料制备而成；
所述桶体与桶盖构成屏蔽壳体且屏蔽腔体能设置在屏蔽壳体内，所述屏蔽腔体上设置有螺纹通孔；
所述固定体上设置有与紧定螺钉相配合的螺纹且高放射材料能通过紧定螺钉设置在固定体上，所述固定体与第一螺柱相连且第一螺柱能带动固定体上的高放射材料相对屏蔽腔体的中心移动，所述第一螺柱、第二螺柱分别设置在屏蔽腔体内螺纹通孔的两端且第一螺柱、第二螺柱之间形成放置高放射材料的屏蔽空间，所述第一螺柱、第二螺柱分别与螺纹通孔之间通过螺纹实现紧固连接。
所述屏蔽腔体呈圆柱状。
所述高放射材料为RPV钢。
所述高放射材料为经辐照处理后的RPV钢。
还包括设置在屏蔽壳体上的把手。
所述把手为一组且把手对称设置在屏蔽壳体上。
所述紧定螺钉、把手分别采用不锈钢材料制备而成。
所述桶体、桶盖、紧定螺钉、把手分别采用1Cr18Ni9Ti制备而成。
所述螺纹通孔位于屏蔽腔体中心。
所述固定体与第一螺柱之间采用螺纹连接实现紧固与耦合。
所述固定体呈管状且高放射材料通过紧定螺钉与固定体相连。
前述装置的应用，将该装置用于放射性材料的运输屏蔽、加工中的一种或多种。
包括如下步骤：
(1)分别采用贫化铀制作屏蔽腔体、第一螺柱、第二螺柱、固定体，所述屏蔽腔体呈圆柱状且屏蔽腔体上设置有与第一螺柱、第二螺柱相配合的螺纹通孔，所述固定体与第一螺柱相连，所述紧定螺钉设置在第一螺柱上且紧定螺钉能将高放射材料固定在固定体上；
(2)分别采用不锈钢制作桶体、桶盖、紧定螺钉、把手，桶体与桶盖构成屏蔽壳体，且把手设置在壳体上；
(3)将固定体与第一螺柱之间通过螺纹连接实现紧固与耦合，形成耦合体；
(4)将高放射材料设置在固定体的开口端，并通过紧定螺钉将其固定；
(5)将步骤(2)形成的耦合体通过螺纹与屏蔽腔体的螺纹通孔实现紧固与连接；
(6)将第二螺柱与螺纹通孔的另一端实现紧固，完成高放射材料的屏蔽，得到屏蔽防护体，并将屏蔽防护体设置在屏蔽壳体内，从而实现对高放射材料的运输；
(7)将含有屏蔽防护体的屏蔽壳体设置在加工机床的相应位置，打开屏蔽壳体，解除第二螺柱与螺纹通孔的螺纹耦合，再旋拧第一螺柱直至高放射性材料的加工面到达加工位置，进而用于相应的加工。
所述屏蔽防护体表面设置有铝镀层，所述屏蔽防护体与屏蔽壳体之间还设置有塑料薄膜层。
所述屏蔽腔体的直径为140～300mm，高度为150～300mm；所述螺纹通孔为M34×2mm；所述第一螺柱总长60mm，M34螺纹长46mm，M20螺纹长14mm，螺柱头部过中心开宽度为3mm、深度为3mm的十字沟槽；所述第二螺柱M34螺纹总长60mm，螺柱头部过中心开宽度为3mm、深度为3mm的十字沟槽；所述固定体总长31mm，设计上采用M8紧定螺钉对高放射性样品进行固定。
针对前述问题，本发明提供一种用于高放射材料的屏蔽装置，其包括屏蔽腔体、桶体、与桶体相配合的桶盖、第一螺柱、第二螺柱、固定体、紧定螺钉。其中，屏蔽腔体、第一螺柱、第二螺柱、固定体分别采用贫化铀制备而成，桶体、桶盖分别采用不锈钢材料制备而成。进一步，该屏蔽腔体呈圆柱状。
同时，桶体与桶盖构成屏蔽壳体，屏蔽腔体能设置在屏蔽壳体内，屏蔽腔体上设置有螺纹通孔。固定体上设置有与紧定螺钉相配合的螺纹，采用该方式，紧定螺钉能够将待处理的样品设置在固定体上。固定体与第一螺柱相连，采用该结构，第一螺柱相对螺纹通孔时，能带动固定体上的待处理样品相对屏蔽腔体的中心移动，第一螺柱、第二螺柱分别设置在螺纹通孔的两端，第一螺柱、第二螺柱之间形成放置高放射材料的屏蔽空间，第一螺柱、第二螺柱分别与螺纹通孔之间采用螺纹实现紧固连接。
本发明中，屏蔽材料的选择，及第一螺柱、第二螺柱、屏蔽腔体、紧定螺钉、固定体的结构设计，以及桶体、桶盖的相互配合，是实现本申请的核心关键，使得本申请具有轻便化、易操作等优点。进一步，申请人具体说明如下。
基于γ射线防护屏蔽理论，衰减倍数K的计算方法如下公式(1)所示：
式(1)中，I0指屏蔽前的源强，I为屏蔽后的源强，μ为屏蔽材料对γ射线的吸收系数，d为屏蔽体厚度。
根据RPV钢样品中的主要放射性核素及其半衰期，假定γ射线平均能量为1.0Mev，可知贫化铀材料的吸收系数μ＝1.46cm-1，铅的吸收系数为0.798。基于公式式(1)能够知道，达到同样的屏蔽效果，采用贫化铀作为屏蔽材料所需的屏蔽厚度远小于铅。因此，本发明采用贫化铀作为屏蔽腔体、第一螺柱、第二螺柱、固定体的制备材料。
贫化铀的主要放射线是α射线和β射线。只要防止贫化铀进入人体，α射线的污染和伤害是极为有限的，贫化铀表面的β射线辐射剂量较小，穿透性也较弱。进一步，本申请中，采用贫化铀制作的屏蔽防护体表面有10-20μm的铝镀层防护铀污染，周围用塑料薄膜包裹填充吸收β射线，最外层还用3mm的防锈结构钢壳密封起来。因此，完全不用担心贫化铀屏蔽体的辐照和污染。基于结构的改进，使得本发明具有屏蔽效果好、便携、质轻等优点，具有更好地屏蔽防护效果。
同时，本发明请求保护前述装置在屏蔽领域中的应用，包括运输、对放射性材料的加工。更具体地，本发明屏蔽装置的屏蔽防护、加工操作如下。
(1)根据RPV钢高放射材料的特性，选用贫化铀作为屏蔽装置主要基材，分别制作屏蔽腔体、第一螺柱、第二螺柱和固定体。屏蔽腔体上设置有螺纹通孔，固定体与第一螺柱相连，紧定螺钉设置在第一螺柱上，通过紧定螺钉能将RPV钢固定在固定体上。作为优选，屏蔽腔体呈圆柱状。
(2)选用1Cr18Ni9Ti材料制作紧定螺钉、桶体、桶盖和把手，桶体与桶盖构成屏蔽壳体，并将把手固定在桶体上。
(3)再将固定体与第一螺柱通过螺纹连接实现紧固与耦合，并将RPV钢置于固定体开口端，通过紧定螺钉将其固定，形成耦合体。
(4)将步骤(3)形成的耦合体通过第一螺柱的螺纹与屏蔽腔体实现紧固连接。
(5)再第二螺柱与屏蔽腔体通过螺纹实现紧固，得到屏蔽防护体，并放入屏蔽壳体内，进而用于相应的运输。
(6)将含有屏蔽防护体的屏蔽壳体放在固定加工机床指定位置，解除第二螺柱与屏蔽腔体的螺纹耦合，旋拧第一螺柱直至RPV钢的加工面到达加工位置，进而进行相应的加工。
在一个具体实例中，屏蔽腔体直径为150mm，高度160mm，过圆柱中心开一个M34×2mm螺纹通孔；第一螺柱总长60mm，M34螺纹长46mm，M20螺纹长14mm，螺柱头部过中心开宽度为3mm、深度为3mm的十字沟槽；第二螺柱M34螺纹总长60mm，螺柱头部过中心开宽度为3mm、深度为3mm的十字沟槽；固定体总长31mm，设计上采用M8紧定螺钉对高放射性样品进行固定。本申请中，部件之间均采用螺纹连接方式，便于组装、更换，降低维护成本。
同时，在加工过程中，采用直接退出第二螺柱，继续旋拧第一螺柱至RPV钢样品到达加工位置，其过程连续、可调、易控制，能够满足RPV钢样品的加工需求。
综上，高放射材料制品在长距离运输和加工等过程中，会对操作人员产生严重的辐照伤害，更会对周围环境产生严重的放射性污染。针对高放射性材料的长流程运输和机械加工需求，发明人基于射线屏蔽理论，及贫化铀的材料特性，提出一种适用于高放射材料加工及运输过程中的屏蔽方法，设计并制作了一套便携性屏蔽容器，有效降低高放材料在长流程周转、机械加工等过程中有害射线的释放，能够实现高放射材料较为便捷的运输和加工，并确保其在运输和加工过程中的安全性，最大限度的降低高放射材料对环境的影响。
申请人在屏蔽体设计过程中，需充分考虑整体方法与装置的易操作性、便携性，与机床端固定的可靠性、便利性，及射线屏蔽的有效性，选用半衰期较长的贫化铀材料作为屏蔽层主要基材，选用刚性较好的1Cr18Ni9Ti制作相应的紧定螺钉、桶体、桶盖和把手，并通过对结构的合理设计，实现了对高放射材料的屏蔽，满足相应的运输要求。同时，基于结构的改进，使得本发明能够满足机械加工的需求，在整个加工过程中，本申请能对有害射线进行大部分的屏蔽，具有极好的屏蔽效果。
综上，本发明有效解决了高放射性材料长流程运输和加工的难题，最大限度的降低了该材料在运输和加工过程中，对环境的污染和对人体的伤害，既保证了加工和运输过程中的安全性，又在设计和实施的过程中，尽量提高了该屏蔽方法与装置的便利性，能够满足高放射性材料运输及加工的技术要求和环保要求。本发明对所使用的屏蔽装置进行了一系列的结构优化与完善，有效提高了装配效率，并具备良好的密封性。
整个屏蔽腔体采用圆柱体结构，最低屏蔽厚度60mm，最低伽马射线衰减系数高达6374，最高屏蔽厚度72.5mm，既保证了屏蔽效果的有效性，确保安全和环保，又提高了运输的加工装夹的方便性。同时，本发明采用固定体与紧定螺钉的结构设计，针对不同的高放射性样品，在保证固定强度的基础上，还具有较好的互换性和灵活性，适用范围广。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本申请装置的结构示意图。
图2为图1的主视图。
图3为实施例2中辐照剂量检测位置方向示意图。
图中标记：1、桶体，2、屏蔽腔体，3、第一螺柱，4、固定体，5、紧定螺钉，6、第二螺柱，7、桶盖，8、把手。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图所示，该装置的制作步骤如下。
(1)采用贫化铀材料制作屏蔽腔体、第一螺柱、第二螺柱、紧定螺钉和固定体。其中，屏蔽腔体呈圆柱状，屏蔽腔体直径150mm，高度160mm，屏蔽腔体上设置有螺纹通孔。同时，第一螺柱、第二螺柱分别与螺纹通孔两端的螺纹实现紧固连接，即第一螺柱、第二螺柱旋紧到螺纹通孔内，从而在第一螺柱、第二螺柱、屏蔽腔体之间形成放置高放射材料的屏蔽空间。同时，固定体与第一螺柱相连，这使得第一螺柱能带动固定体上的高放射材料相对屏蔽腔体的中心移动。
本实施例中，屏蔽腔体采用贫化铀材料进行制作，提供安装螺纹，用于高放射线的屏蔽；第一螺柱通过螺纹分别实现与屏蔽腔体和固定体的连接，另可实现由运输转运状态至加工状态的改变；固定体作为放置高放射材料的直接载体，通过与第一螺柱的螺纹连接实现与整体的固定；第二螺柱通过螺纹与屏蔽腔体连接，实现整个屏蔽腔的封闭。
(2)根据屏蔽腔体的尺寸和形状规格，采用1Cr18Ni9Ti材料设计和制作桶体及桶盖、紧定螺钉、把手。其中，桶体与桶盖构成屏蔽壳体，桶体和桶盖厚度3mm。把手为一对，并焊接至桶体上。
本实施例中，桶体采用1Cr18Ni9Ti材料制作，亦可在一定程度上屏蔽γ射线，并方便制作和实施搬运；桶盖与桶体配合，实现屏蔽腔体外部的闭合，屏蔽贫化铀射线；紧定螺钉用于实现高放射材料在固定体腔内的固定；把手与桶体焊接相连，便于整体屏蔽装置的搬运与流转。
(3)将屏蔽腔体置于桶体中，确保屏蔽腔体M34螺纹孔与把手在空间上不存在干涉。
(4)将高放射样品置于固定体开口端，旋拧紧定螺钉实现紧固。
(5)通过M20螺纹实现固定体与第一螺柱的连接，通过M34螺纹将第一螺柱旋拧到屏蔽腔体内部合适位置，并旋拧第二螺柱至指定位置，完成对高放射性样品的屏蔽，得到屏蔽防护体。
(6)合上桶盖，完成运输阶段的屏蔽工作，即可进行高放材料的运输。
(7)加工前，打开桶盖，取出屏蔽腔体并固定在机床工作台上，从屏蔽腔体中退出第二螺柱，继续向前旋拧第一螺柱，直至高放射性样品到达合适的加工位置。
实施例1
屏蔽样品为经民用核反应堆处理后的钢锭，其外形尺寸为27.5mm×10mm×10mm(长×宽×高)。
未经屏蔽时表面处剂量当量率高达2247.48mSv/h，采用本实施例的装置和方法，将RPV钢样品固定于屏蔽腔体内部，旋拧第二螺柱，到达指定位置，实现屏蔽腔体的封闭，在屏蔽腔体表面第二螺柱附件进行辐照剂量检测。检测结果显示，γ射线剂量当量率29.0μSv/h，未检测到β射线。
合上桶盖，在第二螺柱轴线方向进行辐照剂量检测，检测结果显示未检测到β射线，γ射线剂量当量率分别为17.2μSv/h和19.5μSv/h。该结果满足GB11806-2004《放射性物质安全运输规程》中对货包和运输工具表面辐射水平的限值(表面处不超过2mSv/h，2m处不超过0.1mSv/h)。
实施例2
对高放射性RPV钢样品进行机械加工，目标尺寸10mm×10mm×0.8mm(长×宽×高)。
打开桶盖，旋拧退出第二螺柱，在第二螺柱法线方向距离屏蔽腔体表面0cm位置进行辐照剂量率检测。检测结果显示，γ射线剂量当量率1.55mSv/h，未检测到β射线。
旋拧第一螺柱至RPV钢样品前端露出1cm，即达到加工位置。如图3所示，在方向1，RPV钢样品表面进行辐照剂量率检测，检测结果显示β射线剂量当量率4.6mSv/h，γ射线剂量当量率6.0mSv/h。
在方向2，RPV钢样品表面进行辐照剂量率检测，检测结果显示β射线剂量当量率6.5mSv/h，γ射线剂量当量率5.0mSv/h。
在方向1，距离RPV钢样品表面分别为30cm、1m、2m位置分别进行辐照剂量率检测，检测结果显示β射线剂量当量率依次分别为31μSv/h、10μSv/h、1.3μSv/h，γ射线剂量当量率依次分别为113μSv/h、9.5μSv/h、4.8μSv/h。
实验结果表明，本发明在加工过程中的射线屏蔽效果明显。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种用于高放射材料的屏蔽装置，其特征在于，包括屏蔽腔体、桶体、与桶体相配合的桶盖、第一螺柱、第二螺柱、固定体、紧定螺钉，所述屏蔽腔体、第一螺柱、第二螺柱、固定体分别采用贫化铀制备而成，所述桶体、桶盖分别采用不锈钢材料制备而成；
所述桶体与桶盖构成屏蔽壳体且屏蔽腔体能设置在屏蔽壳体内，所述屏蔽腔体上设置有螺纹通孔；
所述固定体上设置有与紧定螺钉相配合的螺纹且高放射材料能通过紧定螺钉设置在固定体上，所述固定体与第一螺柱相连且第一螺柱能带动固定体上的高放射材料相对屏蔽腔体的中心移动，所述第一螺柱、第二螺柱分别设置在屏蔽腔体内螺纹通孔的两端且第一螺柱、第二螺柱之间形成放置高放射材料的屏蔽空间，所述第一螺柱、第二螺柱分别与螺纹通孔之间通过螺纹实现紧固连接。
2.根据权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，所述屏蔽腔体呈圆柱状。
3.根据权利要求1或2所述的屏蔽装置，其特征在于，所述紧定螺钉、把手分别采用不锈钢材料制备而成。
4.根据权利要求3所述的屏蔽装置，其特征在于，所述桶体、桶盖、紧定螺钉、把手分别采用1Cr18Ni9Ti制备而成。
5.根据权利要求1-4任一项所述的屏蔽装置，其特征在于，所述螺纹通孔位于屏蔽腔体中心。
6.根据权利要求1-5任一项所述的屏蔽装置，其特征在于，所述固定体呈管状且高放射材料通过紧定螺钉与固定体相连。
7.根据权利要求1-6任一项所述装置的应用，将该装置用于放射性材料的运输屏蔽、加工中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，包括如下步骤：
（1）分别采用贫化铀制作屏蔽腔体、第一螺柱、第二螺柱、固定体，所述屏蔽腔体呈圆柱状且屏蔽腔体上设置有与第一螺柱、第二螺柱相配合的螺纹通孔，所述固定体与第一螺柱相连，所述紧定螺钉设置在第一螺柱上且紧定螺钉能将高放射材料固定在固定体上；
（2）分别采用不锈钢制作桶体、桶盖、紧定螺钉、把手，桶体与桶盖构成屏蔽壳体，且把手设置在壳体上；
（3）将固定体与第一螺柱之间通过螺纹连接实现紧固与耦合，形成耦合体；
（4）将高放射材料设置在固定体的开口端，并通过紧定螺钉将其固定；
（5）将步骤（2）形成的耦合体通过螺纹与屏蔽腔体的螺纹通孔实现紧固与连接；
（6）将第二螺柱与螺纹通孔的另一端实现紧固，完成高放射材料的屏蔽，得到屏蔽防护体，并将屏蔽防护体设置在屏蔽壳体内，从而实现对高放射材料的运输；
（7）将含有屏蔽防护体的屏蔽壳体设置在加工机床的相应位置，打开屏蔽壳体，解除第二螺柱与螺纹通孔的螺纹耦合，再旋拧第一螺柱直至高放射性材料的加工面到达加工位置，进而用于相应的加工。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述屏蔽防护体表面设置有铝镀层，所述屏蔽防护体与屏蔽壳体之间还设置有塑料薄膜层。
10.根据权利要求8或9所述的应用，其特征在于，所述屏蔽腔体的直径为140~300mm，高度为150~300mm；所述螺纹通孔为M34×2mm；所述第一螺柱总长60mm，M34螺纹长46mm，M20螺纹长14mm，螺柱头部过中心开宽度为3mm、深度为3mm的十字沟槽；所述第二螺柱M34螺纹总长60mm，螺柱头部过中心开宽度为3mm、深度为3mm的十字沟槽；所述固定体总长31mm，设计上采用M8紧定螺钉对高放射性样品进行固定。
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