屏蔽设计组合优化研究
贾小波，石秀安”
（1.大唐国际发电股份有限公司，北京10140：2 中科华核电技术研究院，广东深圳518126）
摘要：提出了一种寻我最优的屏藏设计方案的屏蔽设计组合优化方法：首先通过建模，将屏蔽设计问题转化为各种屏蔽材料的组合优化问题：热后利用优化算法结合一维ANISN屏蔽计算程序，编写屏蔽设计优化程序来搜索最优方案：最后使用MCNP或DOT等精确的屏蔽计算程序进行屏截设计方案验证.实践证明这种方法简便易行.
美键调：屏蔽设计：组合优化：ANISN
中图分类号：TL7 文献标志码：A
文章编号：0258-0918(2010)04-0338-06
Combinatorial optimization study on shieldingdesign
JIA Xiao-bo' SHI Xiu-an²
2. Chiss Nsclear Power Techoology Research Institste. Shenzben ef Guangdong Prov. S18026 China) (1. Dateng Intermational Power Generation Co. Ltd Beijing 100140 China:
Abstract : A nbinatorial optimization method was proposed in this paper to find out the optimal shielding design. By building models firstly a shielding design issue is transferred into abinatorisl optimization of several shielding materials. Then by applying an optimizationalgorithm and one-dimensional shielding calculation code ANISN a shielding design optimizationprogratm was developed to find out the most optimized design. Finally some accurate shieldingcalculation codes such as MCNP or DXOT were used to verify the shjelding design. Practice has proved that this method is feasible and convenient.
Key words: shielding design: binatorial optimization; ANISN
对于一个具体的辐源射装置的屏蔽设计（屏蔽 辐射防护最优化是辐射防护的基本原则.：材料的选择及其厚度的确定），需要使辐射水平在满足法规要求的限值下达到合理可行、尽量低的水平.但是在实际的工程中，屏蔽设计人员对于反应堆等辐射装置的屏蔽设计，几乎都
是根据经验枚举几个屏蔽设计方案，然后根据 屏蔽设计程序的计算结果选出好方案，这种仅凭经验的设计方式，只能找到工程上基本可用的屏蔽方案，却很难找到满足辐射安全、经济性和材料机械特性的最优的屏蔽方案.要想找到最优的屏蔽方案，需要进行大量的屏藏设计方
道的屏蔽计算属于粒子的深穿透问题，转门内各屏蔽材料之间精合强烈，屏蔽材料的类型、位置和数量都会对混凝土墙外侧中子和y的注量 率产生显著的影响.在考虑辐射安全、经济性和材料的机被特性等条件下，单凭经验很难直接找到优化的屏蔽设计方案，
案的搜索与计算.
本文基于以往的屏藏设计研究经验，提建立模型，将辐射源装置的屏藏设计问题转化 出了一种寻找屏蔽设计优化方案的方式：首先为各种屏蔽材料的组合优化问题：然后利用优化算法结合一维ANISN屏藏计算程序，编写屏蔽设计优化搜索程序来寻找优化方案.最后 使用MCNP或DOT等精确屏蔽计算程序进行最终屏蔽设计方案的验证.通过儿个屏蔽设计项目的优化实践证明，这种设计方式简便易行.
1.2CARR维水平烫源孔道屏蔽设计优化
研究首先建立模型，将转门的屏蔽设计优化问题转化为屏蔽材料的组合优化问题：再利用特征统计优化算法（CSA）结合ANISN程序，编写屏蔽设计优化程序，经过大量方案的搜索，很快找到了符合辐射安全、经济性和材料 的机械特性条件下的屏蔽设计优化方案：最后使用MCNP4C程序计算优化的方案，并与原方案作比较，结果表明，优化方案的安全性能和经济性都比原方案提高很多.
下面通过几个实际屏蔽优化设计项目对该优化设计方法予以具体介绍.
1CARR堆水平烫源孔道屏蔽设计 优化
1.1CARR维水平烫源孔道屏蔽问题简介
中国先进研究维（CARR）是以辐照实验为目的建造的高注量率研究堆.如图1所示，堆芯裂变产生的中子经过热阱处理得到所需的中子源.热阱外侧依次是水平资源孔道、转门和不锈钢层， 周围分别围有重水和混凝土.资源孔道和不锈钢层内部都开有2个孔.转门由2个旋转孔道构成，每个旋转孔道内开有3个孔，其余空间填充屏蔽材料.做实验时，旋转孔道的孔、资源孔道的孔门和不锈钢层，到达实验大厅.不做实验时，转门 和不锈钢层的孔3者对齐，粒子通过烫源孔道、转处于关闭状态，即转门的孔和烫源孔道的孔完全错开，并在转门外侧设置重混凝土境.
1.2.1建立屏蔽设计优化模型
转门的屏优化设计相应的计算模型如图2所示，按照每层厚度为5cm设置，将厚度为1m的转门分为20层，每层的屏蔽材料可以在 4种材料（铅、铁、聚乙烯、含硼聚乙烯）中随意调换，这样就将转门的屏蔽设计转换为各种屏藏材料的组合优化问题.壳层源所在的空气层、转门、不锈钢层和混凝土层构成了一维ANISN屏蔽计算模型.
图2转门屏蔽设计优化的ANISN计算模型Fig. 2 ANTSN caleulation model of shielding design optimization for revolving door
1.2.2建立虚拟的ANISN壳层体源
使用ANISN程序进行屏蔽计算，首先要为转门建立虚拟的壳层源，这需要对源项的空间分布、能谱以及粒子飞行方向与孔道轴向夹角余弦的分布作近似处理.
图1CARR水平烫源孔道屏蔽示意图Fig. 1 Schematie of horizontal duet shielding for hest source of CARR
本算例首先根据MCNP4C程序计算得到转门人口截面的中子注量率计算结果，然后将转门入口截面作为虚拟的面源.由于ANISN只能计算体源，因此将虚拟面源等效转换为ANISN的47群分布体源.
转门内各种屏藏材料的合理布置，使混凝土墙 屏藏主要依靠转门实现，设计目的是通过外中子和Y的总剂量率低于安全限值并达到可接受的、尽可能低的剂量水平，因此需要对转门的屏蔽设计作优化.CARR堆水平烫源孔
10cm铁，10cm含硼聚乙烯，30cm聚乙烯，10cm含硼聚乙烯，10cm铁，15cm铅，
1.2.3编写屏蔽设计优化程序
转门的屏蔽设计优化属于复杂的组合优化问题，本文采用特征统计算法（CSA）结合ANISN，编写转门屏蔽设计优化程序，进行优 化方案的搜索.
（3）optCH2优化方案：55cm铁、5cm聚乙烯、35cm铁、5cm聚乙烯.
（4）optB203优化方案：55cm铁、5cm含硼案乙烯、35cm铁、5cm含硼聚乙烯.
CSA是一种高效的全局优化算法，适用于各种多极值连续优化问题和组合优化问题.CSA根据问题本身的性质选取特征量作为统 计项目，提取概率信息，指导下一步搜索方向，进行优化.本文选取转门内各材料的位置分布作为间题的概率特征，图3给出了编写的转门屏蔽设计优化CSA算法的程序结构.
使用MCNP4C程序对优化的屏蔽设计方案进行了计算，并将计算结果网原方案和手工 修改方案做了比较，表1给出了转门关闭时混凝土墙外划中子与Y的总剂量率计算结果.由于MCNP不计缓发y，考虑到缓发Y的贡献，取保守估计，以上Y的剂量率均已加倍.
为最终的屏蔽设计方案，从计算结果可以看 考虑到经济性因素，选择optCH2方案作出：optCH2方案中混凝土墙外侧的总剂量率比原方案低11.4倍，比修改方案低4.3倍，安全性能提高很多，达到了CARR堆混凝土墙外 侧大厅规定的辐射剂量要求（辐射剂量限值为0. 001~0. 003 mSv/h)
表1旋转门关闭时混凝土墙外侧的总剂量率Table 1 Total dost rate outside the concrete wall when the revolving door closed
中子和Y 原方案 修改 opeCH2 optB203总到量率/ 1.094.678.817.3 方室1 A ×10-×10-×10-×10-
2医用废放钻源整备热室的辐射 防护设计优化
图3转门民蔽优化的CSA程序结构Fig. 3 CSA program structure of shieldingoptimization for the revolving door
2.1设计要求和条件
如图4所示，在移动式高活度废放射源整备装置中整备活度为1000Ci的Co源，整备装置内部尺寸2.5m×1.7m，要求整备装置前墙表面剂量率≤0.025mSv/h.考虑现有 窥视窗设计经验，选择铅玻璃做窥视窗材质，窥视窗厚度600mm，也就确定了前墙厚度600mm.假设正常工作时，操作源位于整备装作时.当选用铸铁为屏蔽材质时，侧墙的厚度 置中心，且源提升距离地面高度1m.正常工为前墙的3/4，顶盖的厚度为前墙的1/2.
1.3优化结果分析
辐射剂量最低为优化目标，仅12min（总共计算 应用该屏敲设计优化程序，以屏蔽墙外侧的了约700个方案的目标值）就搜索到优化的屏蔽方案-optCH2方案和optB203方案.
4种屏蔽设计方案中，转门内屏蔽材料及厚度从左到右依次为：
（1）原方案：5cm铁、15cm聚乙烯、5cm铁、31.5cm聚乙烯、3.5cm硼粉、20cm铅、20cm聚乙烯.
屏蔽设计中的屏蔽剂量限值取5mSv/a.按照职业放射性工作人员每年工作72h考虑
（2）根据经验修改的方案：15cm铅，340
图4够动式高活度废放射源整备装置方案设计
Fig. 4 Mobile device design of abandoned source with high radioactivity
（1年6次工作任务，每次3天，每天4h），则热室前墙剂量限值为0.0694mSv/h.
2.2优化设计计算过程
优化设计计算时使用一维ANISN程序用于屏藏设计方案评价的计算工具.将钻源和屏蔽墙近似处理成一维球模型（图5），图5中1表示钻源球，球壳2表示屏蔽墙，屏蔽墙 的厚度和实际的前屏蔽增的厚度相同.按照5cm/层将屏蔽墙分成12层，每次屏蔽材料可以从铸铁和重混凝土2种材料中选择，这样就优化问题. 将屏蔽设计间题转化为各种屏蔽材料的组合
由于该优化问题总共仅有212种组合方案，并且ANISN程序计算的速度很快（每个方案约1s），因此使用穷举法编写程序很快就能得到优化方案.但由于一维ANISN程序的近 似结果与实际结果有差距，因此，研究以400mm铸铁屏蔽设计方案的ANISN计算结果为参照.找到最安全、经济的方案后，再使用MCNP4C程序进行精细验证计算.
图5移动式高活度度放钻源一 维屏蔽优化设计计算模型
Fig. 5 Caleulation model of shielding designesign of abandoned cobslt source with high radioactivity optimization for one-dimensional mobile device
2.3优最优屏蔽设计方案与计算结果
经过优化计算，最终的屏蔽设计方案确定为：前墙（从内到外排列）：铸铁5cm、重混凝土50cm、铸铁5cm；侧靖和后墙（从内到外排3.75cm；顶盖：重混凝土30cm. 列）：铸铁3.75cm、重混凝土37.5cm、铸铁
本屏蔽设计中，前墙厚度：侧墙厚度：后墙厚度：顶盖厚度为4：3：3：2.重混土选用密度3.6g/cm²的磁铁矿重混凝土（屏蔽y射 线效果最好）.
图6、图7是屏蔽墙俯视示意图和侧视示意图.
图6屏藏墙示意图（俯视）Fig. 6 Schematie of the shielding wall(dowsward view)
图7屏蔽墙示意图（侧视）
Fig. 7 Schematie of the shielding wall(side view)
该方案的MCNP计算结果为：正常操作情况为3.22E-2mSv/h（相对误差为4%），操作失误情况为3.95E-2mSv/h（相对误差为3%），均达到设计剂量要求，而且重混凝土较便 宜，该设计经济性比较好.
