CN110222378A

CN110222378A - 基于3d打印和蒙塔卡洛的管道辐射热点屏蔽装置制作方法

Info

Publication number: CN110222378A
Application number: CN201910406812.9A
Authority: CN
Inventors: 韩毅; 陈法国; 张龙龙; 李国栋
Original assignee: China Institute for Radiation Protection
Current assignee: China Institute for Radiation Protection
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2019-09-10

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印和蒙塔卡洛的管道辐射热点屏蔽装置制作方法，其包括以下步骤：S1、辐射热点管道模型建立，其包括辐射热点管道周围模型建立和需屏蔽管道模型建立两部分；S2、屏蔽体厚度设计；S3、屏蔽体空心外壳设计加工；S4、屏蔽填充物质选取设计；本方案中的上述管道辐射热点屏蔽装置制作方法其制作而成的辐射防护装置，可以对复杂环境中特殊形状的管道辐射热点形成契合有效的屏蔽防护，安装简单快速，无效屏蔽质量小、使用范围广，可以有效解决核电站中复杂辐射热点的屏蔽防护问题。

Description

基于3D打印和蒙塔卡洛的管道辐射热点屏蔽装置制作方法

技术领域

本发明涉及辐射防护技术领域，具体涉及一种基于3D打印和蒙塔卡洛的管道辐射热点屏蔽装置制作方法。

背景技术

Monte Carlo(蒙塔卡洛)方法亦称随机模拟方法，也称作随机抽样技术或统计实验方法，其基本思想是：为了求解工程问题，建立一个概率模型或随机过程，使它的参数等于问题的解；然后通过对模型或过程的观察和抽样实验来求解所求参数。常用的基于蒙特卡洛方法的辐射屏蔽计算软件有MCNP、GEANT4、EGS等常用软件。

3D打印技术是快速成型技术的一种，以数字模型文件为基础，运用金属粉末或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术可以快速构建复杂管道中需要屏蔽的辐射热点处的模型，为特殊形状和难以测绘处管道辐射热点的屏蔽提供了解决办法。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于3D打印和蒙塔卡洛的管道辐射热点屏蔽装置制作方法，该管道辐射热点屏蔽装置制作方法其制作完成的辐射热点屏蔽装置其可以对复杂环境中特殊形状的管道辐射热点形成契合有效的屏蔽保护，可以有效解决核电站中复杂管道的辐射防护问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于3D打印和蒙塔卡洛的管道辐射热点屏蔽装置制作方法，包括以下步骤：S1、辐射热点管道模型建立，其包括辐射热点管道周围模型建立和需屏蔽管道模型建立两部分；S2、屏蔽体厚度设计；S3、屏蔽体空心外壳设计加工，基于上述步骤S1中的需屏蔽管道和周围环境几何模型，并根据上述步骤S2中屏蔽模型计算得到的屏蔽体厚度尺寸，设计便于安装的屏蔽体空心外壳模型；S4、屏蔽填充物质选取设计。

进一步，在上述步骤S1中，需屏蔽管道模型建立和周围环境模型建立可通过制图软件建模或3D扫描建模。

进一步，在上述步骤S2中，屏蔽体厚度设计包括以下步骤：1)、通过探测器，测量得到辐射热点处的射线种类和能注量消息；2)、通过蒙特卡洛软件模拟计算选用不同厚度和材料的屏蔽体时，射线的衰减情况和衰减后能谱，计算结果通过电核积分和半径值厚度估计两种方法进行核算；3)、通过转化系数将屏蔽后能注量谱换算成剂量信息，并与剂量限值比对；4)、优化屏蔽体几何尺寸和材料，使辐射热点处经屏蔽后的周围剂量率在低于剂量限值的前提下，满足复杂管道周围环境对装置安装的几何限值，并可以快速的安装在管道辐射热点处。

进一步，在上述步骤S4中，屏蔽填充物质的选取设计主要考虑的因素包括屏蔽物质材料的选取、屏蔽物质颗粒尺寸设计和屏蔽物质颗粒表面处理，其中屏蔽物质材料的选取主要取决于辐射热点处屏蔽性能要求、辐射热点周围安装尺寸要求以及生产成本；屏蔽物质颗粒尺寸的设计主要基于堆积密度的模拟计算，其中根据级配颗粒堆积密度的计算模型与公式，模拟在可加工尺寸范围内级配颗粒可以达到的最大堆积密度。

与现有技术相比，本方案具有的有益技术效果为：本方案中的上述管道辐射热点屏蔽装置制作方法其制作而成的辐射防护装置，可以对复杂环境中特殊形状的管道辐射热点形成契合有效的屏蔽防护，安装简单快速，无效屏蔽质量小、使用范围广，可以有效解决核电站中复杂辐射热点的屏蔽防护问题。

附图说明

图1为本发明中管道辐射热点屏蔽装置制作方法流程示意图。

图2为本发明中辐射热点管道模型建立的流程示意图。

图3为本发明中屏蔽体厚度设计流程示意图。

图4为本发明中屏蔽体空心外壳3D打印设计流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

参见附图图1所示，本实施例中的基于3D打印技术和蒙塔卡洛方法的屏蔽装置制作方法其包括有以下步骤：

S1、辐射热点管道模型建立，其包括辐射热点管道周围模型建立和需屏蔽管道模型建立两部分；

结合参照附图2所示，需屏蔽管道模型建立和周围环境模型建立在实际中可以通过3D制图软件建立或3D扫描建模，其中3D制图软件建模的数据来源于核电站图纸或者进行现场测绘。

S2、屏蔽体厚度设计；

在实际中，屏蔽体厚度和外形尺寸的设计主要取决于辐射防护需求和周围几何环境的限制，其具体设计步骤如下：

1)、通过探测器，测量得到辐射热点处的射线种类和能注量信息；

2)、通过蒙特卡洛软件模拟计算选用不同厚度和材料的屏蔽体时，射线的衰减情况和衰减后能谱，计算结果通过点核积分和半径值厚度估计两种方法进行核算；

3)、通过转化系数将屏蔽后能注量谱换算成剂量信息，并与剂量限值比对；

4)、在此基础上，优化屏蔽体几何尺寸和材料，使辐射热点处经屏蔽后的周围剂量率在低于剂量限值的前提下，满足复杂管道周围环境对装置安装的几何限值，并可以快速的安装在管道辐射热点处。

结合参照附图3所示，屏蔽体厚度和几何尺寸设计的其几何尺寸上限值为根据辐射热点管道几何尺寸和管道周围环境几何尺寸限值来进行决定，即屏蔽装置的外形尺寸其保证在实际安装时不会产生干涉，保证整个装置的正常安装；对于屏蔽装置的几何尺寸下限值的确定，其为通过根据辐射热点处的辐射防护要求以及辐射场信息，并通过蒙特卡洛软件模拟计算选用不同厚度和材料的屏蔽体时，射线的衰减情况和衰减后能谱，计算结果通过点核积分和半径值厚度估计两种方法进行核算，来得到屏蔽装置的几何尺寸下限值，在得到屏蔽装置的几何尺寸上限值和几何尺寸下限值基础上，综合考虑下(考虑防护效果和安装便捷性等因素下)，得到屏蔽装置的具体几何尺寸。

S3、屏蔽体空心外壳设计加工，基于上述步骤S1中的需屏蔽管道和周围环境几何模型，并根据上述步骤S2中屏蔽模型计算得到的屏蔽体厚度尺寸，设计便于安装的屏蔽体空心外壳模型；

设计好的屏蔽体空心外壳模型输入到3D打印机中，进行合理的分层切片，并选择合适的打印材质(根据辐射热点防护需求和辐射现场信息以及打印加工成本)，将切片模型上传到3D打印机进行打印，最终完成屏蔽体空心外壳的设计加工。

结合参照附图4所示，屏蔽体空心外壳的3D打印过程如下：

基于屏蔽计算和安装环境的屏蔽体几何模型输入到3D打印机中，对输入的3D扫描模型数字切片，并选择合适的打印材质；随后切片模型上传到3D打印机中，3D打印机逐层喷涂打印，直至完成整个屏蔽体空心外壳的打印设计。

S4、屏蔽填充物质选取设计。

屏蔽填充物质的选取设计主要考虑的因素包括有屏蔽物质材料的选取、屏蔽物质颗粒尺寸的设计以及屏蔽物质颗粒表面处理等。

屏蔽物质材料的选取主要取决于屏蔽性能的要求、周围安装尺寸要求以及生产安装成本等因素的考虑；屏蔽物质颗粒尺寸的设计主要基于堆积密度的模拟计算，根据级配颗粒堆积密度的计算模型与公式，模拟在可加工尺寸范围内级配颗粒可以达到的最大堆积密度；用于填充的屏蔽物质颗粒表面要求尽量光滑。

综上所述，本方案中的上述管道辐射热点屏蔽装置制作方法其制作而成的辐射防护装置，可以对复杂环境中特殊形状的管道辐射热点形成契合有效的屏蔽防护，安装简单快速，无效屏蔽质量小、使用范围广，可以有效解决核电站中复杂辐射热点的屏蔽防护问题。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种基于3D打印和蒙塔卡洛的管道辐射热点屏蔽装置制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2、屏蔽体厚度设计；

S4、屏蔽填充物质选取设计。

2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印和蒙塔卡洛的管道辐射热点屏蔽装置制作方法，其特征在于：在上述步骤S1中，需屏蔽管道模型建立和周围环境模型建立可通过制图软件建模或3D扫描建模。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于3D打印和蒙塔卡洛的管道辐射热点屏蔽装置制作方法，其特征在于：在上述步骤S2中，屏蔽体厚度设计包括以下步骤：

1)、通过探测器，测量得到辐射热点处的射线种类和能注量消息；

2)、通过蒙特卡洛软件模拟计算选用不同厚度和材料的屏蔽体时，射线的衰减情况和衰减后能谱，计算结果通过电核积分和半径值厚度估计两种方法进行核算；

4)、优化屏蔽体几何尺寸和材料，使辐射热点处经屏蔽后的周围剂量率在低于剂量限值的前提下，满足复杂管道周围环境对装置安装的几何限值，并可以快速的安装在管道辐射热点处。

4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印和蒙塔卡洛的管道辐射热点屏蔽装置制作方法，其特征在于：在上述步骤S4中，屏蔽填充物质的选取设计主要考虑的因素包括屏蔽物质材料的选取、屏蔽物质颗粒尺寸设计和屏蔽物质颗粒表面处理，其中屏蔽物质材料的选取主要取决于辐射热点处屏蔽性能要求、辐射热点周围安装尺寸要求以及生产成本；屏蔽物质颗粒尺寸的设计主要基于堆积密度的模拟计算，其中根据级配颗粒堆积密度的计算模型与公式，模拟在可加工尺寸范围内级配颗粒可以达到的最大堆积密度。