蒋帅，陈晓，彭玉辉，王俊新

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



舰船核辐射防护领域中的蒙特卡洛方法应用

蒋帅，陈晓，彭玉辉，王俊新

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

假设核动力舰船发生放射性物质泄漏事件，建立水立方模型与含骨层的水立方模型，选取多种能量的光子源，通过蒙特卡洛粒子输运程序MCNP5对模型关注栅元进行能量沉积模拟计算。结果表明，在制定核动力航母的辐射防护系统初步方案时，不仅要从宏观层面考虑到船员的年平均有效吸收剂量，还有必要结合人体各个器官的耐受剂量特点，对各器官的年当量剂量做出严格的规定。

舰船；辐射防护；能量沉积；MCNP5

目前我国的核动力航母建造项目势在必行，必须建立一套行之有效的航母辐射防护标准，包括关于艇员承受剂量限值的确定[1]。为此，考虑建立相应的模型，使用蒙特卡洛粒子输运程序MCNP5进行特定情况下关注粒子的输运的数值模拟计算，为船员最终剂量限值的确定提供参考。选择不同能量的光子源，建立简单的立方体水模型，以及含骨层的水立方模型，通过MCNP5对关注栅元进行光子能量沉积计算，用以进行直观的初步分析。

1 方法与工具

1.1 粒子输运程序MCNP简介

国际上目前存在多种成熟的蒙特卡洛粒子输运计算程序，例如MCNP5，Geant4，EGS，FLUKA等，目前MCNP最广为熟知和使用，在诸多领域得到了广泛的运用[2]。MCNP5程序是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(los alamos national library,LANL)开发，可以对复杂的任何三维几何模型进行粒子输运模拟。MCNP5程序需要的输入信息主要需要INP文件、截面数据库文件以及XSDIR文件，其中INP文件由使用者自己构建，文件中需要包含所要研究问题的必须的全部输入信息。INP文件采用卡片结构，主要由标题卡、栅元卡、曲面卡、数据卡等几部分组成。栅元卡和曲面卡主要用来定义几何模型，曲面卡定义组成栅元的曲面，栅元卡定义整个系统的各个基本封闭单元以及相应的物理信息，栅元之间不能重叠，并且研究空间必须由栅元填满。数据卡部分主要用于描述问题类型、源描述、材料描述、计数描述及问题截断条件等，同时这部分还可以使用丰富的降低方差技巧。

1.2 模型条件设置

人体含水70%，主要构成元素为氢、氧、碳、氮、钙、磷等，其中骨的成分主要为钙、氧、碳、磷、氮、钠等。用一个10 cm×10 cm×10 cm的液态水立方体代表人体组织，以做人体器官接受一定能量射线辐照后的初步的剂量分布模拟计算，该模型均匀细分成1 000个边长为1 cm的小立方体，在坐标系中，假设模型中心位于坐标系原点。

再用1个10 cm×2 cm×10 cm的骨层取代立方体Y=0～2 cm之间的水层，再进行模拟，模型见图1。

假设核动力航母受到敌对势力攻击，反应堆发生放射性物质泄漏事故，且舱防护门受损，形成一个20 cm×20 cm的光子面源。在坐标系中，假设该面源垂直于Y轴并位于面Y=-10 cm上，面源中心在Y轴上，源粒子方向为各项同性。

为了便于研究以及直观比较，光子面源先取140 kVp的光子能量谱对水立方和含骨层水立方模型进行能量沉积模拟计算。面源再分别取能量为10 MeV和0.5 MeV的单能光子源，对水立方体模型进行能量沉积模拟计算。

计算中模拟1×107个粒子，使得结果误差控制在3%以下。

2 结果分析

2.1 水立方体与含骨层水立方体模型数据对比

在模拟计算中，首先光子面源选取140 kVp的光子能量谱。选择X=0～1 cm之间的100个小水立方体栅元作为研究对象，选择F6计数卡以计算每个栅元中心点处的能量沉积，把数据导入Origin软件处理，可以得到X=0.5 cm处YZ面的能量沉积的分布，见图2、图3，其中能量沉积单位为MeV/g。

类似可以得到Y=0.5 cm处XZ面的能量沉积分布，见图4、图5。Z=0.5 cm处XY面的能量沉积分布大致与X=0.5 cm处YZ面的能量沉积分布类似，不再赘述。

比较图2与图3，光子的能量主要沉积在骨层上，含骨层水立方体模型能量沉积值约为纯水立方体模型能量沉积值的10倍，除去骨层，靠近面源的前端部分栅元能量沉积稍高，其余各栅元的能量沉积较低且分布相对均匀。水立方体模型栅元的能量沉积则沿着远离面源的方向逐渐降低。

比较图4与图5，XZ平面的剂量分布变化趋势基本相同，中心区域栅元能量沉积高，边缘栅元低，含骨层水立方体模型红色区域能量沉积值约为纯水立方体模型红色区域能量沉积值的10倍。

光子与高原子序数的元素更容易发生康普顿效应，因此光电子可能会在骨面发生电离辐射，导致更多的能量沉积。人体器官组成元素各不相同，在制定核动力航母的辐射防护系统初步方案时，不仅要从宏观层面考虑到船员的年平均有效吸收剂量，还有必要结合人体各个器官的耐受剂量特点，对各器官的年当量剂量做出严格的规定[3-4]。同时亦有必要对核动力航母规划辐射防护分区，严格划定非限制区、监督区以及控制区。

在后续的研究过程中，可以考虑引进人体模型配合基于GPU加速的蒙特卡洛程序ARCHER开展更多的精细化的模拟计算。

3.2 2种单能光子源模拟结果对比

选用10.0 MeV和0.5 MeV的单能光子面源对水立方体模型进行能量沉积模拟计算，计数卡分别选择F6与*F8。在对结果进行处理时，由于F6卡对应结果单位是MeV/g，*F8卡对应结果单位是MeV，因此，在绘制图表时，把F6卡对应结果统一做乘以1 000 g处理。数据对比见图6、7。

对比图6、7可以看出，选用高能光子面源时，以Y=0 cm为界，左端的数据相差甚大，右端的数据吻合的相对较好，当选用低能光子面源时，F6与*F8计数卡对应的数据拟合的都相对较好。

由此可见，当选用F6或者*F8计数卡进行能量沉积模拟计算时，要注意，F6卡考虑了栅元中的带电粒子平衡(CPE)，但是*F8卡并没有考虑CPE。当入射光子的能量越小，CPE就越容易在光子进入模型时达到。因此在模拟人体器官受辐照后的能量沉积时，要充分考虑到2种计数卡的优缺点。

4 结论

在制定核动力航母的辐射防护系统初步方案时，不仅要从宏观层面考虑到船员的年平均有效吸收剂量，还有必要结合人体各个器官的耐受剂量特点，对各器官的年当量剂量做出严格的规定。同时亦有必要对核动力航母规划辐射防护分区，严格划定非限制区、监督区以及控制区。

后续工作中，考虑通过引入人体模型配合粒子输运程序MCNP来开展各种情况下的精细化的模拟计算，为核动力航母的辐射防护系统初步方案提供有意义仿真参考信息，充分保障核动力舰船船员的生命安全。

[1] 杜红霞，王俊新.基于可再生吸附的核生化过滤技术[J].船海工程，2016(4):4-7.

[2] X-5 Monte Carlo Team. MCNP-A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Volume I: User Guide[R]. New Mexico: Los Alamos National Library. 2003.

[3] 霍万里,吴爱东,陈志,等.APBI治疗过程中身体主要器官吸收剂量的蒙特卡洛模拟[J].中国医学物理学杂志,2015,32(2):183-186.

[4] 王遥,霍万里,熊壮,等.TACE手术中不同站姿下铅眼镜和铅面罩对医生眼晶状体防护效果的蒙特卡洛模拟比较[J].中国医学物理学杂志,2016,33(6):553-558.

Application of Monte Carlo Method in the Field of Radiation Protection of Ship

JIANG Shuai, CHEN Xiao, PENG Yu-hui, WANG Jun-xin

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Assuming a possible incident of radioactive material leakage occurred in the nuclear-powered ship, a water phantom and a water phantom containing a bone layer were established respectively. Using MCNP5, energy deposition in typical cells was calculated with some kinds of photon sources. The results showed that when making plans for radiation protection of the nuclear-powered ship, strict rules of annual equivalent dose for different organs combining their characteristic are necessitated.

ship; radiation protection; energy deposition; MCNP5

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.032

2017-01-18

蒋帅(1990—)，男，硕士，助理工程师

研究方向：辐射防护

u698

A

1671-7953(2017)03-0136-03

修回日期：2017-03-27