平顶泄漏剂量特性分析

《Radiation Measurements》：Flattop leakage dose characterization

更新了Flattop核临界装置泄漏中子与光子剂量的参考值，通过双旋转中子谱仪和被动中子谱仪测量，结合热释光剂量计等数据重新分析，为未来核事故个人剂量计（NAD）比对提供基准。

　　

A.S. Tamashiro|B. Champine|P. Witter|P. Maggi|D.P. Heinrichs|C. Percher|D.P. Hickman|K.L. Jeffers|R. Radev|L.I. Tai|B. Bandong|T. Classen|R. Hudson|D. McAvoy|J. Scorby|J. Goda|T. Cutler|J.A. Bounds|D. Hayes|D. Ward|M. Baumann

摘要

在2014年完成Godiva-IV泄漏剂量表征工作以及2016年的核事故剂量计（NAD）比对实验后，美国能源部（DOE）的核临界安全计划（NCSP）于2017年支持了一项旨在表征Flattop泄漏剂量的实验活动。实验中使用了两个旋转中子谱仪（ROSPEC）和一个被动中子谱仪（PNS）来测量中子谱。通过剂量转换因子，将这些中子谱转换为中子剂量。同时，还使用了CaF₂:Mn热释光剂量计（TLDs）、LiF TLDs和放射光致发光剂量计来测量光子剂量。相关数据当时已被记录在报告中，但本文对这些结果进行了重新分析和更新。这项工作确定了从Flattop中心向外不同径向距离处的中子和光子剂量参考值，这些数据将用于未来的NAD比对实验。

引言

核事故剂量计（NAD）是核设施运行的重要设备。根据《联邦法规》第10篇第835.1304节（10 CFR §835.1304）的规定，如果存在可能导致个人遭受过量辐射的核事故可能性，就必须为相关人员配备个人NAD（Nuclear, 1998）。个人NAD的性能必须符合能源部（DOE）在DOE-STD-1098-2017第515部分（Radiological, 2017）中规定的剂量准确性标准（见表1）。主机设施需要测量中子和光子剂量，以便作为评估参与者NAD性能的参考。

历史上，橡树岭国家实验室（ORNL）的健康物理研究反应堆（HPRR）在1965年至1985年间共举办了22次NAD比对实验（Swaja et al., 1986）。在此期间，国际原子能机构（IAEA）还赞助了三次NAD比对实验，分别在Valduc的Conséquences Radiologiques d’un Accident de Criticité（CRAC）、Vinc?a的RB2以及Harwell的Versatile Intermediate Pulse Experimental Reactor（VIPER）进行（Sims and Dickson, 1985）。1985年HPRR停止运行后，能源部（DOE）的设施进行核事故剂量计培训的机会变得有限。

1995年，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）使用Godiva-IV和SHEBA-II设备举办了NAD比对实验（Casson et al., 1995）。参考中子剂量是通过计算和实际测量的中子谱得出的。蒙特卡洛代码用于计算中子谱，并通过LANL的Bonner Sphere Spectrometer系统的测量结果进行了修正。

2005年，Flattop被拆卸并从LANL的技术区（TA-18）移除（Hayes et al., 2021）。Flattop随后在国家安全临界实验研究中心（NCERC）重新组装，并于2011年达到首次临界状态（Hayes et al., 2021）。2017年，开展了一项实验活动，以表征位于NCERC建筑内的Godiva-IV临界装置产生的泄漏中子和光子剂量。由于新建筑的空间较小，泄漏的中子和光子剂量也与之前不同。这是第二次在能源部核临界安全计划（NCSP）框架下进行的中子和光子剂量测量（Wilson et al., 2017, Hickman et al., 2017b）。这项工作是劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）、洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）、桑迪亚国家实验室（SNL）、原子武器研究所（AWE）和核辐射防护与安全研究所（IRSN）的合作成果。所得剂量数据被用作Flattop NAD比对的参考值（Hickman et al., 2018），同时也为核事故剂量计人员的培训提供了机会。本文利用现有数据，并采用新的分析方法，根据积分电流和距离来确定泄漏中子和光子剂量。

方法

Flattop附近设有一个由聚乙烯包裹的补偿离子室，用于测量泄漏的中子通量（Hayes et al., 2021, Hutchinson et al., 2022）。补偿离子室包含两个探测器，其中一个内衬有¹⁰B，另一个则没有。裸露的探测器用于测量射线，而内衬¹⁰B的探测器则同时测量中子和射线。两个探测器的电压输出共同构成了离子室的输出信号，其中仅包含中子电流。该离子室连接到了

中子谱

图8显示了AWE ROSPEC的测量结果，图9显示了LLNL ROSPEC的测量结果。由此得到的PNS谱数据展示在图10中。

图11比较了PNS在距离地面115厘米处与150厘米（参考高度）处的测量结果。

中子剂量

图12展示了在2米、3米和4米处测得的多个数据点，以及使用公式（1）和公式（2）及1-$\backslash sigma$置信区间得到的拟合结果。拟合参数和不确定性详见表3。

光子剂量

图13

讨论

中子谱可以划分为三个区域：高能峰由裂变中子产生；中间能量范围（约10^?7至1⁰?2 MeV）被称为 epithermal 区域；低能峰由约0.025 eV的热中子产生。低能中子是由于中子在房间内传播时与墙壁、天花板、地板和中间物体的相互作用而产生的散射结果。

结论

通过一系列PNS和TLD测量，成功获得了Flattop的泄漏中子和光子剂量数据。对原始数据的重新计算和改进提升了剂量表征的准确性。中子和光子剂量是基于Flattop在6×10^?9至2.9×10^?2 C的积分电流范围内、以及2至8米距离下的值计算得出的。Flattop的研究人员可以利用公式（1）和（3）在指定电流和距离范围内估算泄漏剂量。

CRediT作者贡献声明

A.S. Tamashiro：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、软件开发、方法论设计、数据分析、形式化分析。B. Champine：撰写 – 审稿与编辑。P. Witter：撰写 – 审稿与编辑。P. Maggi：撰写 – 审稿与编辑。D.P. Heinrichs：资金筹措。C. Percher：资金筹措。D.P. Hickman：项目管理、数据分析。K.L. Jeffers：数据管理。R. Radev：数据管理。L.I. Tai：数据管理。B. Bandong：数据管理。T. Classen：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项工作得到了“核临界安全计划”的支持，该计划由“国家核安全管理局”为能源部资助和管理。实验工作由“劳伦斯利弗莫尔国家实验室”根据合同编号DE-AC52-07NA27344执行。本研究中使用的“美国能源部核临界安全计划”下的国家安全临界实验研究中心得到了“国家核安全管理局”的支持。