輕放射性污染金屬再循環(huán)再利用的劑量評價

輕放射性污染金屬再循環(huán)再利用的劑量評價

人類和環(huán)境必須和諧相處。環(huán)境保護和可持續(xù)經(jīng)濟是中國的基本政策。人類可利用的資源也總是有限的,核能與核技術(shù)應用與退役過程所產(chǎn)生的放射性廢物中相當一部分是輕微污染材料,其中的金屬材料是尤其值得再利用的資源。輕微污染金屬材料的再循環(huán)再利用,一方面可減少污染、保護環(huán)境;另一方面又充分利用了可利用的資源,實現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟。在我國,隨著退役和核實踐活動的發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了大批輕微污染的鋼鐵、鋁、銅、鎳、混凝土等材料。這類材料通過嚴格地監(jiān)測與處理后,對低于一定污染水平的材料可通過再循環(huán)而得到再利用,這就最大限度地減少放射性廢物,保護了環(huán)境,可產(chǎn)生很好的社會效益和經(jīng)濟效益。本文應用的理念、原理和方法,乃至一些數(shù)據(jù)均基于國際社會的最新研究以及已取得共識的成果,并經(jīng)本課題組現(xiàn)場調(diào)查驗證和修改,所用參數(shù)均經(jīng)各類專家會議和專門走訪的專家的認定,可認為本工作引用的參數(shù)較為實際、可信。1評估原則和免費劑量標準1.1豁免劑量的控制要保證再循環(huán)再利用整個過程,包括物料運輸、整備、熔煉、初加工、深加工、成品分配所有環(huán)節(jié)中,對操作人員和周圍公眾的最大照射均符合豁免劑量準則的要求。1.2免費劑量標準根據(jù)文獻給出的豁免劑量準則:1a實踐使相關人員及公眾成員個人受到的有效劑量預計在10μSv量級,或更低一些的水平。1.3點的1組活動在污染金屬再循環(huán)再利用活動中,“實踐”的定義為:是以物料移出需要實施管理控制的區(qū)域邊界(如1個核設施廠址的邊界)作為起點的1組活動,包括可導致關鍵組(或幾個關鍵組)受照的所有作業(yè)、操作和利用。為了對上述“實踐”進行劑量評價,需根據(jù)再循環(huán)再利用的工藝流程,確定每步的相關照射模式和參數(shù),求出各步驟中歸一化物料活度濃度為1Bq/g時來自各照射途徑的總劑量D,在此基礎上找出不同照射情景中的最大劑量,然后根據(jù)關鍵步驟的劑量及豁免劑量值H推導出清潔解控的活度濃度值,即解控水平。2然后使用循環(huán)模型和參數(shù)2.1外照射劑量計算1)關于工藝流程的基本假定鋼材的再循環(huán)再利用過程中主要的受照情景有:廢金屬運輸工人、廢金屬處理工人、熔化冶煉工人、鋼鐵消費品的利用、鋼渣利用、尾氣排放。對鋼材的回收利用導出的清潔解控水平基于以下基本假定:(1)每種放射性核素在金屬回收利用過程中,在金屬鑄件、熔渣和廢氣中的比額并非嚴格確定,因而假定它們?nèi)窟M入鋼錠、全部進入鋼渣或全部進入到廢氣等;(2)廢金屬的熔煉和制造過程中,未經(jīng)非放射性物料稀釋;(3)熔煉1t鋼產(chǎn)生約100kg鋼渣。2)照射情景不同的回收情景具有不同的照射類別,其參數(shù)列于表1。不同的外照射類別所對應的源的幾何及有關參數(shù)參考IAEA推薦的資料。3)工人受照射劑量估算(1)外照射劑量估算公式核素i所致的外照射有效劑量按下式估算:Hext,i,s=tCw,iDFext,i,sW(1)Ηext,i,s=tCw,iDFext,i,sW(1)式中:Hext,i,s為表1所列相應外照射類別s中放射性核素i所致年外照射有效劑量,Sv/a;t為個人受照時間,h;Cw,i為擬解控回收利用物質(zhì)中放射性核素i的初始濃度,Bq/g,假定為1Bq/g;W為經(jīng)工人操作的被解控物料量與其所操作的物料總量的比值,取1.0;DFext,i,s為相應外照射類別s、核素i的有效劑量轉(zhuǎn)換因子,(Sv/h)/(Bq/g)。在鋼鐵回收利用的外照射劑量計算中,其外照射劑量轉(zhuǎn)換因子必須按照回收利用的情況將物料模擬為圓柱體、半圓柱體、圓盤源和線源等4種幾何條件。圖1為圓柱體和半圓柱體源的示意圖。(2)吸入內(nèi)照射劑量估算方法回收利用情景中因吸入核素i的氣溶膠所致待積有效劑量的計算采用如下公式:Hinh,i=ξtDFinh,iW(CdCw,i+Cs,iRF?TFinh,i)(2)Ηinh,i=ξtDFinh,iW(CdCw,i+Cs,iRF?ΤFinh,i)(2)式中:Hinh,i為1a內(nèi)吸入核素i所產(chǎn)生的待積有效劑量,Sv/a;ξ為呼吸速率,m3/h,取1.2m3/h;DFinh,i為吸入1Bq核素i后的待積有效劑量,Sv/Bq;Cd為空氣中可吸入塵埃濃度,g/m3;Cw,i為待回爐的解控物料中核素i未經(jīng)稀釋時的初始放射性活度濃度,Bq/g,取1.0Bq/g;Cs,i為表面污染濃度,Bq/cm2,取1.0Bq/cm2;RF為表面活度再懸浮因子,m-1,取10-6m-1;TFinh,i為表面活度的吸入轉(zhuǎn)移因子,m-1,取10-2m-1。2)“-”表示不考慮該途徑3)兩種裝料工表示:“裝料工1”指對100t爐的熔煉廠,“裝料工2”指對10t爐的熔煉廠4)兩種熔爐操作工表示:“操作工1”指對100t爐的熔煉廠,“操作工2”指對10t爐的熔煉廠5)3種鑄工表示:“鑄工1”指對100t爐的熔煉廠,“鑄工2”指對10t爐的熔煉廠,兩種均指鋼錠鑄工;“鑄工3”指對小物件的鑄工6)假定擴散因子平均等于5×10-7s·m-3,再計算出平均污染濃度(Bq/m3)。大量研究表明,下風向個人劑量可忽略,因此不再計算(3)食入內(nèi)照射個人劑量估算方法回收利用情景中因食入所致待積有效劑量的估算采用下面公式:Hing,i=tDFing,iW(I1Cing,i+I2TFing,iCs,i)(3)Ηing,i=tDFing,iW(Ι1Cing,i+Ι2ΤFing,iCs,i)(3)式中:Hing,i為1a內(nèi)食入核素i后的待積有效劑量,Sv/a;DFing,i為食入1Bq核素i后的待積有效劑量,Sv/Bq;I1為沉降灰造成的可轉(zhuǎn)移表面污染的二次食入速率,g/h,取0.01g/h;Cing,i為可食入塵埃中的放射性活度濃度,Bq/g,取1.0Bq/g;I2為可轉(zhuǎn)移的表面污染二次食入速率,m2/h,取10-4m2/h;TFing,i為表面活度的食入轉(zhuǎn)移因子,取0.01;Cs,i為表面污染活度濃度,Bq/cm2,取1.0Bq/cm2。2.2鋁的再利用與鋼鐵再利用一般情況下,反應堆部件中的鋁表面因與冷卻劑接觸而被污染。所以,其污染放射性核素與鋼鐵再利用的情況類似,選擇了55Fe、54Mn等14種核素,并假定在熔煉過程中被污染的鋁均勻分布于熔煉物料中,濃度為1Bq/g。對鋁的再利用過程中的各情景也與鋼鐵再利用的類似。鋁的熔煉過程的照射情景主要有“裝卸工、卡車司機、處理工”等9種情形;用鋁材所制造的消費品主要有建材、發(fā)動機部件等。有關各情景所涉及的受照人數(shù)、時間、途徑等參數(shù)列于表2。由于鋁的密度小于鋼鐵的密度,相同質(zhì)量的鋁制造的產(chǎn)品數(shù)量比鋼鐵的多約3倍。因此假定有100t的鋁用來制造建材和汽車,10t的鋁用來制造炒鍋等。劑量的估算方法類同于鋼鐵再循環(huán)的情景。對于鋁循環(huán)中外照射情景,也參考IAEA資料的源項類別。2.3原爐渣中的鎳鎳的回收再循環(huán)再利用工藝流程的主要情景、照射類別及相關參數(shù)列于表3。鎳回收后的最主要用途是冶煉不銹鋼,因此,鎳回收后的再循環(huán)流程與鋼鐵熔煉爐以后的流程基本相同。不銹鋼的鎳含量一般不超過18%,可以20%估計。因此,假定在進入熔煉爐之前以鎳形態(tài)出現(xiàn),取C=1Bq/g,進入熔煉爐之后按C=0.2Bq/g考慮。鎳很穩(wěn)定,不會進入熔煉生成的爐渣中,因此放射性核素也不會進入爐渣中。原鋼鐵流程中“熔渣收集工”受照情景可不予考慮。由于不銹鋼的應用中,不會有“停車場(爐渣修成)”、“汽車”和“房屋”3項,因此,在應用中這3項可不予考慮。2.4銅產(chǎn)品的應用銅的回收再循環(huán)再利用工藝流程的主要情景、照射類別及相關參數(shù)列于表4。作為回收銅(純銅),直接進入陽極爐再電解。銅渣一般不會被排放,而是回收再煉,因此沒有“熔渣收集工”受照情景。銅產(chǎn)品的應用中,主要只考慮“電纜、電線”一項。由于銅的密度與鋼鐵相差不是太大,因此除“電纜、電線”應用一步由于源的形狀與IAEA推導的圓柱體相差較大,劑量轉(zhuǎn)換因子是專門推導的以外,其余各步外照射劑量轉(zhuǎn)換因子均采用文獻為鋼鐵所推薦的外照射劑量轉(zhuǎn)換因子。3開發(fā)環(huán)境編寫依據(jù)標準修訂征求意見稿及本程序開發(fā)的總體設計思想,計算程序采用MicrosoftVisualC++6.0開發(fā)環(huán)境編寫。程序界面采用標準的Windows單文檔窗口。程序的輸入以數(shù)據(jù)輸入為主,程序計算結(jié)果以表格的方式給出。按照金屬再循環(huán)再利用過程中可能通過外照射、吸入內(nèi)照射、食入污染物內(nèi)照射3種途徑對人產(chǎn)生的照射,程序框圖如圖2所示。4計算不同廢金屬(鋼鐵、鋁、鎳、銅)再循環(huán)再利用中的限制性步驟、照射途徑、總有效劑量和推導的活度濃度結(jié)果分別列于表5～8。5計算結(jié)果的檢驗充分的調(diào)研與廣泛