稀土尾渣中元素質(zhì)量占比對空氣γ吸收劑量率的影響

趙輝庭，王攀，李向陽，楊明理，唐林軍

(1.南華大學(xué)，湖南 衡陽 421001；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

蒙特卡洛模擬在粒子輸運研究中應(yīng)用廣泛，MCNP5是用于計算復(fù)雜三維幾何結(jié)構(gòu)中粒子輸運的大型多功能蒙特卡洛程序[1]。MCNP5模擬的精確性取決于它的輸入?yún)?shù)是否符合實際測量值，模擬文件的主要參數(shù)有尾渣的幾何模型、密度、元素質(zhì)量占比、尾渣放射性核素的能量段和絕對強度等[2]。元素質(zhì)量占比通常采用X熒光法測量，該方法屬于半定量分析，分析誤差較大，所以有必要評估元素質(zhì)量占比分析誤差對于γ吸收劑量率模擬計算結(jié)果的影響大小。以Ce、La、Nd、Pb、Th、U、Zr元素作為研究對象，在原始占比的基礎(chǔ)上減小或增大占比，探究這些元素質(zhì)量占比的實際分析誤差對模擬結(jié)果的影響。

1 模擬試驗

1.1 MCNP5模擬主要輸入?yún)?shù)

稀土尾渣桶的MCNP5模擬輸入?yún)?shù)：尾渣桶為圓柱形鐵皮桶，內(nèi)半徑為30 cm、壁厚0.17 cm、高89.17 cm；桶中稀土尾渣高度為58 cm，其余部分為空氣。MCNP5模擬稀土尾渣桶幾何模型如圖1所示。

圖1MCNP5模擬稀土尾渣桶幾何模型

模擬中為了記錄尾渣桶周圍空氣γ吸收劑量率，使用*F6計數(shù)卡對2個測量點進行記錄。探測器1位于廢渣桶頂部中心貼桶蓋外表面；探測器2距離桶外壁3 cm，距離地面30 cm。

實測稀土尾渣密度為1.32 g/cm3，含水率為44%，樣品烘干后228Ac、212Pb、238U比活度分別為150.37、476.78 Bq/g和12.4 Bq/g。

采用X熒光法測量稀土尾渣元素質(zhì)量占比，測量結(jié)果見表1。

表1稀土尾渣元素質(zhì)量占比X熒光分析結(jié)果

1.2 模擬計算公式

*F6計數(shù)卡可追蹤粒子在物質(zhì)中的運動長度并估算沉積的能量，單位為Jerks/g(1 Jerks/g=1×109J/g)，根據(jù)式(1)、(2)、(3)計算尾渣桶周圍的空氣γ吸收劑量率[3-4]。

(1)

(2)

(3)

如前文所提到的，桑迪·斯各格蘭德絕非裝置攝影的唯一實踐者，但她卻是唯一一位將裝置本身與其攝影作品一同當作藝術(shù)作品來構(gòu)想、建造與推廣的藝術(shù)家。評論家安·西弗斯(Ann Sievers)認為，這兩種藝術(shù)形式“相互依賴且同等重要”。

基于MCNP5模擬調(diào)整元素質(zhì)量占比，在原始測量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行修改，描述輸入文件中材料卡元素質(zhì)量占比對模擬結(jié)果的影響。采用MCNP5進行2×109粒子抽樣模擬計算[5-7]。

(4)

“頭腦風暴”和“延遲評價”培養(yǎng)了學(xué)生積極思考的意識和大膽探索的精神，也彰顯了語文課堂的魅力。一個孩子畢業(yè)后，在給我的教師節(jié)賀卡上寫道：“老師，我好想回到兩年前的某一天，天馬行空，大腦風暴……”

從表3可看出，除了Th外，其他6個元素在更改其質(zhì)量占比后的γ吸收劑量率的相對偏離均在3%以內(nèi)，模擬計算結(jié)果非常接近，可見這6個元素的質(zhì)量占比的測量誤差對于最后的模擬結(jié)果幾乎沒有影響，可以忽略不計。從圖2、圖3中可以看到Th元素的γ吸收劑量率隨著元素的質(zhì)量占比增加下降的很快，當Th元素的質(zhì)量占比達到15%時，探測器1處γ吸收劑量率的相對偏離為4.10%，探測器2處γ吸收劑量率的相對偏離為5.19%，相對偏離較為明顯。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 不敏感元素質(zhì)量占比對γ吸收劑量率的影響

模擬計算過程中的相對偏離定義為：

尾渣桶周圍空氣γ吸收劑量率的模擬計算結(jié)果見表3，表3中每個元素質(zhì)量占比列項的第一個數(shù)值為實際測量值，相對偏離是變化后的元素占比和實際測量值相比較。探測器處空氣γ吸收劑率變化如圖2、圖3所示。

表2Cl元素質(zhì)量占比變化模擬計算結(jié)果

2.2 敏感元素質(zhì)量占比對γ吸收劑量率的影響

研究中為了保持元素占比總和100%不變，在改變其他元素的質(zhì)量占比時，調(diào)整氧元素質(zhì)量占比來填補因改變其他元素質(zhì)量占比產(chǎn)生的空缺[8]。研究發(fā)現(xiàn)只改變氯元素和氧元素的質(zhì)量占比，其他元素的質(zhì)量占比不變，模擬計算結(jié)果的相對偏離最大值為1.03%(表2)，對于模擬計算結(jié)果的影響可以忽略，故可以認為氧元素和氯元素的占比在20%以內(nèi)變化對于模擬結(jié)果沒有影響。

表3MCNP5模擬計算尾渣桶周圍空氣γ吸收劑量率

圖2探測器1處空氣γ吸收劑率變化

圖3探測器2處空氣γ吸收劑率變化

1.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)開發(fā)低端化、同質(zhì)化嚴重。目前，重慶市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展局限于單純的農(nóng)業(yè)資源開發(fā)，在經(jīng)濟性動植物種養(yǎng)、農(nóng)業(yè)體驗和農(nóng)家樂餐飲等方面陷入惡性競爭。另一方面，重慶市許多特色農(nóng)業(yè)資源、鄉(xiāng)土文旅資源“藏在深閨人未識”，亟待對標國際標準進行深度開發(fā)。2017年，重慶第一產(chǎn)業(yè)增加值增長4.0%，年增速不到第二、三產(chǎn)業(yè)一半；在第一產(chǎn)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，種植業(yè)占比65.6%，畜牧、漁業(yè)及農(nóng)林牧漁服務(wù)業(yè)發(fā)展仍然不成熟，特別是作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)重要構(gòu)成的農(nóng)林牧漁服務(wù)業(yè)占比僅1.8%。

任何產(chǎn)業(yè)，尤其是針對人的旅游產(chǎn)業(yè)，沒有一套科學(xué)嚴謹適用的辦法，是難以保證企業(yè)和諧永序良性發(fā)展的。在制度的框架內(nèi)依法依規(guī)辦事，可以約束人，讓人遵紀守法，不去觸碰法律的底線。

4 結(jié)論

將Ce、La、Nd、Pb、Th、U、Zr元素在不同質(zhì)量占比情況下的模擬計算值與實際測量值進行比較，得出以下結(jié)論：

1)運用MCNP5模擬稀土尾渣桶周圍空氣γ吸收劑量，在可能的分析誤差范圍內(nèi)Ce、La、Nd、Pb、Zr元素質(zhì)量占比的測量誤差不會給模擬計算的吸收劑量率帶來較大影響。

2018年11月17～18日，由清華大學(xué)工業(yè)工程系主辦，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會、科學(xué)技術(shù)部、教育部高等學(xué)校工業(yè)工程類教學(xué)指導(dǎo)委員會指導(dǎo)的第十三屆“東風日產(chǎn)杯”清華I E亮劍全國工業(yè)工程應(yīng)用案例大賽暨中國創(chuàng)新方法大賽工業(yè)工程創(chuàng)新方法專項賽在清華大學(xué)召開。

2)研究的7個元素，在可能的分析誤差范圍內(nèi)，Th元素質(zhì)量占比變化對于模擬吸收劑量率有比較明顯的影響。在模擬試驗中，建議采用較精確的分析方法來測量Th元素在稀土尾渣中的質(zhì)量占比，以降低分析誤差對模擬計算的影響。