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国外射线装置分类法对我国有何启示?
撰写时间:2022-12-7 文章作者:张琪 文章来源:中国环境报

近年来,有不少业内人士呼吁依据参数(能量、束流功率)对射线装置进行分类。而在我国,现有的射线装置分类标准中,Ⅰ类射线装置的划分依据是参数标准(100兆电子伏)和用途(质子/重离子治疗装置、生产放射性同位素),Ⅱ类、Ⅲ类射线装置的划分则主要依据用途。因此,笔者对国外射线装置分类进行研究,为进一步优化我国的射线装置分类提供参考。

多国以束流参数作为分类标准

事实上,对射线装置进行分级分类监管在多个国家均有先例。与我国不同,法国、德国、加拿大、巴西等国都以束流参数作为分类标准。不过,法国在分类时更多考虑了粒子类型、能量、束流功率3个指标。

巴西的射线装置类别划分与我国最为相似。他们以100千电子伏、600千电子伏、50兆电子伏为限,将射线装置从低到高分为7—A、7—B、7—C和7—D这4类。A类、B类射线装置在整个生命周期内,需依次获得配置、运行、退役3次许可;C类则在A类、B类的基础上,增加了选址、重要安全改造(如有)两个许可阶段。D类射线装置监管最为严格,在全生命周期内需依次获得选址、建造、购买、调试及试运行、运行、重要安全改造(视需要)、退役许可等7个许可。

法国的分类标准依据束流参数划出一条分界线,分界线以下视为“小”的射线装置(Small Radiation Generators),分界线以上的射线装置则与核电站、铀浓缩、放射性废物处理设施等一起视为基本核装置(BNI,Basic Nuclear Installations)。分界线的设定综合考虑了束流能量和功率两个因素。其中,应列入BNI范围的射线装置参数标准为:

1.同时满足以下条件的电子加速器

(1)粒子能量高于50兆电子伏;

(2)束流功率高于1千瓦。

2.满足以下两个条件之一的质子/重离子加速器

(1)核子数小于等于4,能量高于300兆电子伏且束流功率大于500瓦的加速器;

(2)核子数大于4,能量75兆电子伏每核子以上且束流功率大于500瓦的加速器。

最初,法国将300兆电子伏能量以上的射线装置划为BNI;1982年,法国修订分类标准,引入束流功率,形成现有标准。目前,全法范围内仅有法国国家重离子加速器满足BNI标准,其最大束流能量为100兆电子伏每核子,最大束流功率为6千瓦。

加拿大将核设施、辐射设施糅合在一起,划分为Ⅰ类、Ⅱ类核设施或设备,Ⅰ类核设施或设备又分为IA类和IB类。根据加拿大《Ⅱ类核设施和装置监管条例》和《Ⅰ类核设施和装置监管条例》,反应堆列为IA类核设施;核子数小于等于4的粒子加速至能量高于50兆电子伏,或者可将核子数大于4的粒子加速至15兆电子伏每核子的加速器,与铀纯化转化设施、铀钍产品生产设施等划入IB类核设施或核装置;束流能量大于1兆电子伏且不满足IB类标准的射线装置,列入Ⅱ类核设施或核装置。

目前,加拿大有加拿大光源(最高能量2.9吉电子伏)、加速器研究中心TRIUMF(拥有一台质子回旋加速器,最高能量520兆电子伏,束流能量83千瓦)两个装置列入IB类。Ⅰ类、Ⅱ类核装置在管理要求上区别很大。以许可为例,Ⅱ类核装置在整个生命周期中需获得建造、运行、退役3个许可阶段,而IB类核设施和装置,需获得选址、建造、运行、退役、弃置5个许可。

值得一提的是,加拿大核安全委员会(CNSC)曾对质子治疗装置的辐射安全风险进行研究并认为,尽管这类装置质子能量较高,但束流功率仅为瓦量级,整体辐射安全风险与医用直线加速器相差不大。不过,CNSC并未采纳将质子治疗装置降级为Ⅱ类或为其创设新的专属类别的意见,仍旧将其划为IB类,同时,建议通过委派项目官员负责整个许可过程的方式,提高许可申请处理效率。

另外,德国对射线装置分类时主要考虑束流能量因素,兼顾功率因素。德国规定使用以下5类射线装置需申请许可:

1.中子产生率在1012/秒以上的加速器或等离子体装置;

2.能量10兆电子伏以上,束流功率超过1千瓦的电子加速器;

3.能量150兆电子伏以上的电子加速器;

4.能量10兆电子伏每核子以上、束流功率超过50瓦的离子加速器;

5.能量150兆电子伏每核子以上的离子加速器。

根据上述案例,笔者认为,单纯以能量高低划分类别简单易行,但能量指标并不足以全面反映辐射安全风险。综合考虑粒子类型、能量、功率等多个因素的分类方式更为合理,更能科学地反映辐射安全风险。

日韩在法国现行标准上微调

近年来,日本、韩国等国核安全监管当局也正在研究优化大型射线装置分类。两国均认为,法国现有的BNI分界线最具科学性。韩国浦项科技大学与核安全研究院、日本核安全监管当局都提出,要在法国现行分类标准上微调,建立与本国相适应的大型加速器分类标准。

韩国学者发表文章认为,大型射线装置运行过程中产生的20兆电子伏以上的高能中子决定了辐射屏蔽厚度。10兆电子伏以上的中子与部件活化程度相关。当电子束流能量为50兆电子伏时,20兆电子伏以上能量的高能中子开始大量产生,且50兆电子伏的电子束流所导致的材料活化等与10兆电子伏的中子场类似。这就解释了为何法国、加拿大、巴西等国纷纷将50兆电子伏作为电子加速器分界线。

韩国学者同时发现,能量为75兆电子伏每核子的离子所产生的中子场,与能量为100兆电子伏的质子类似;20兆电子伏每核子的铀核导致的材料活化情况,与10吉电子伏的电子类似。

据此,韩国提出新的大型射线装置分类方法,以下射线装置,应划为一类:

1.能量50兆电子伏以上、束流功率1千瓦以上的电子加速器;

2.核子数不大于4、能量100兆电子伏每核子以上、束流功率0.5千瓦以上的加速器;

3.核子数大于4、能量75兆电子伏以上、束流功率0.5千瓦以上的加速器。

以下射线装置,应划为二类:

1.能量50兆电子伏以上的电子、离子加速器;

2.核子数大于4、能量50兆电子伏以上的离子加速器;

3.核子数大于4、能量50兆电子伏以上、束流功率50瓦以上的离子加速器;

4.氘—氘聚变装置。

日本从剂量率的角度,对射线装置如何分类进行研究。他们的研究思路是,假定束流打在一个圆柱靶上,在束流方向90度角、1米远处进行观测,取能产生剂量率为1Sv/h的能量、束流功率组合作为高一级与低一级射线装置的临界点,在此基础上制定大型加速器分类的参数。经过蒙卡模拟后,他们认为,300兆电子伏的质子束流产生的剂量率水平与100兆电子伏每核子的碳离子束流相近;法国现行分类标准与通过模拟得到的束流能量—功率分界线相近,较为合理,加拿大现行分类标准则过于保守。

因此,日本学者对大型加速器的分类提出了建议:一是电子加速器照搬法国标准,即电子能量50兆电子伏、束流功率1千瓦;二是将质子/重离子加速器认定标准统一为100兆电子伏每核子、束流功率0.5千瓦。

笔者认为,日本核安全监管当局在研究确立大型加速器分类标准时,创造出建立束流打靶模型,以在某点处产生某个特定剂量水平的束流功率—能量组合作为射线装置分类界线,这种思路或许可以应用于小型射线装置参数化分类标准的建立上。

作者单位:生态环境部辐射源安全监管司