2. 中国科学技术大学 合肥 230026
2. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
中性束注入系统(Neutral Beam Injector, NBI)是可控核聚变实验中等离子体高功率辅助加热和电流驱动系统的重要组成部分之一[1]，同时也是4种辅助加热手段（中性束注入、低杂波、离子回旋频段波、电子回旋频段波）中加热效率最高、物理机制最清楚的。为了实现中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor, CFETR)的科学目标，需要建设CFETR-NBI提供高功率高能量的中性束。而目前CFETR-NBI验证样机的设计和研制工作正在开展。
测试阶段，CFETR-NBI验证样机充氢运行。运行中被加速的负离子与电子轰击到金属靶上时，会产生辐射。某些自屏蔽薄弱的地方可能会泄露出较强的射线，可能对工作人员的身体造成一定的伤害[2]，为此需要在样机的设计过程中，仔细分析辐射来源和分布，辐射屏蔽设计，从而确保工作人员在样机运行调试过程中的辐射安全。
本文首先分析了验证样机充氢运行时的主要辐射来源，其次利用蒙特卡罗模拟(Monte Carlo N Particle Transport Code, MCNP)电子与电极和真空壁碰撞产生的辐射，然后对样机关键位置的辐射剂量率分布进行了模拟分析，最后估算了不同运行条件下样机关键位置的剂量率分布。本文模拟结果可为设计样机屏蔽措施提供参考和指导。
1 样机工作原理及设计参数负离子源中性束系统验证样机主要由离子源、中性化室、离子偏转系统、功率测量靶等重要部分组成。整个束线的产生以及传输需要真空环境，因此，所有部件都集成在真空室内。真空室分为两个部分：束源真空室(Beam Source Vessel, BSV)和束线真空室(Beam Line Vessel, BLV)。离子源及其引出系统位于BSV中。中性化室、离子偏转系统与功率测量靶位于BLV中。样机的基本工作原理如图 1所示，在离子源(Ion source)中产生正负氢离子（同时也会有电子产生），经引出系统(Accelerator)引出负氢离子并加速到一定的能量的负氢离子束（负氢离子被引出的同时，部分电子也被迫引出加速），负氢离子束进入中性化室(Neutralizer)实现中性化，从而使其中的一部分转化为高能中性粒子束，中性束经漂移管道注入到聚变装置的等离子体(plasma)中，达到加热等离子体的目的，而束线中未被中性化的部分经过偏转系统时，被离子吞食器(Residual ion dump)所吸收。CFETR-NBI样机的设计参数：束能量为200 keV；束流强为20 A；脉冲为3600 s。
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图 1 中性束系统原理结构示意图 Figure 1 The sketch of neutral beam injector |
CFETR-NBI验证样机200 keV充氢运行时，能量达不到核反应阈值，其主要辐射来源为带电粒子与金属靶相互作用产生的韧致辐射[2-5]。样机中的带电粒子为正负氢离子及电子。量子电动力学计算表明韧致辐射造成的辐射能量损失率服从关系[6]：
| $ {{S}_{\text{rad}}}={{(-\frac{\text{d}E}{\text{d}X})}_{\text{rad}}}\propto \frac{{{z}^{2}}{{Z}^{2}}}{{{m}^{2}}}NE $ | (1) |
式中：m为带电粒子的质量；E、z分别为带电粒子的能量与电荷数；Z为靶物质的原子序数；N为单位体积内靶物质的原子数。
据式(1)可得，辐射损失与带电粒子质量的平方成反比。对于重粒子而言，辐射损失能量可忽略，一般只考虑电子的辐射能量损失[6]。样机中正负氢离子为重带电粒子，在束能量为200 keV时，正负氢离子韧致辐射诱发X射线的产额与电子相比，几乎可以忽略不计。故样机的主要辐射来源为电子与金属靶相互作用产生的辐射。
据贝特(Bether)公式，对电子韧致辐射损失的计算如下[6]：
| $ -{{\left( \frac{\text{d}E}{\text{d}X} \right)}_{\text{rad}}}=\frac{NEZ(Z+1){{e}^{4}}}{137m_{0}^{2}{{c}^{4}}}\left( 4\ln \frac{2E}{{{m}_{0}}{{c}^{2}}}-\frac{4}{3} \right)\propto {{Z}^{2}}EN $ | (2) |
式中：m0为电子的质量；e为电子的电荷量。据式(2)可得，韧致辐射与入射电子的能量成正比。故样机中未被加速的低能电子不足以与原子核发生内能交换，诱发X射线。
综上所述，在样机运行过程中辐射重点来源为被加速的电子产生的韧致辐射诱发X射线。样机运行过程中，被加速的电子的主要来源有以下两部分：一是在引出加速负氢离子时，被迫共同引出加速的电子；二是在加速段，负氢离子通过剥离损失产生的次级电子被加速。共同引出被加速的电子(
| $ \mathop I\nolimits_{_{({e^ - })co - ext}} {\rm{ = }}\gamma {I_{({{\rm{H}}^ - })}} \cdot \alpha $ | (3) |
| $ {I_{({e^ - })str}} = \delta \cdot {I_{({{\mathop{\rm H}\nolimits} ^ - })}} $ | (4) |
式中：γ为引出电子与负氢离子的比例。CFETR-NBI中引出比例γ的要求值低于0.5，但实验经验表明，只有在离子源铯的分布良好时，才能获得较低的引出比例，在运行初期测试调节阶段，这个比例通常较高。因此考虑到辐射安全，假设引出电子与负氢比率γ为1。α为未过滤到的电子系数，即加速前未偏转的电子占总引出电子数的比例。电极偏转磁体可偏转掉绝大部分电子，未过滤掉的电子系数α通常小于10%[7]。δ为负离子在加速过程中的损失率。剥离损失中一个负氢离子可产生一个电子，故加速段负离子的损失率等于次级电子的产生率。经验值表明[7]，负氢离子在加速过程中的损失率δ < 10%。I(H-)为样机的引出束流强度，目前设计值为20 A。综上所述，对影响加速电子流强的因素最大化考虑，可根据式(3)、(4)估算出总的被加速的最大电子流强。
3 MCNP模拟分析基于上述分析，CFETR-NBI样机运行时辐射的主要来源为高能电子与靶碰撞产生的韧致辐射，因此高能电子与电极碰撞的位置为辐射源的位置。为了评估高能电子与靶碰撞产生的辐射强度及其分布，本文采用MCNP程序进行模拟分析，最后利用MCNP[8]获得电子光子通量和通量剂量转换因子，得到样机剂量率空间分布。
MCNP[9]是国际公认的利用Monte Carlo方法(MC)分析电子中子和光子(Neutral Particles, NP)输运的程序，也是国际热核聚变实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)分析中子光子输运的标准程序之一。因此本文采用MCNP程序对CFETR-NBI验证样机产生的辐射剂量进行模拟计算。
3.1 CFETR NBI几何模型由于CFETR-NBI样机几何结构复杂，利用MC或者解析方法很难对其辐射进行评估，故只需考虑对辐射有影响的关键部件，并对其结构进行简化。其中，真空壁由2 cm厚的SS316组成；电极使用外部尺寸等于电极尺寸(1.56 m×6.6 m×1 cm)的铜实心长方体（忽略其中的绝缘体、电磁屏蔽、Sm-Co永磁体、支撑框架等其他细节）；中性化室以及离子吞噬器设置有束通道，对光子的传输无较大影响，故忽略这两组件的详细结构；功率测量靶由两块旋流管构成的平行六面体组成，管道的确切细节不是关键的，简化为一个尺寸为1 m×3 m×10 cm的平行六面体，材料为铜。
综上所述，在此初步研究中，已定义了加速电极的地电极，功率测量靶(calorimeter)和真空容器(Vacuum Vessel, VV)的简单几何形式（图 2）。将此作为MCNP几何建模的输入文件。
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图 2 MCNP模拟计算的几何模型 Figure 2 The geometric model of MCNP simulation calculation |
样机运行时，工作人员和维护维修人员可能会在附近工作，需了解关键位置处的辐射剂量率分布。这里主要讨论了真空室的前端、后端以及真空室上方12个不同位置处的辐射剂量率（图 2）。A代表电极中心位置；B代表离子源径向真空室内壁；B′代表离子源径向真空室外壁；C代表离子源轴向真空室内壁；C′代表离子源轴向真空室外壁；D代表束线轴向真空室内壁；E代表束线中部径向真空室内壁；E′代表束线中部径向真空室外壁；F代表距电极径向真空室外壁100 cm处；F′代表束线中部径向真空室外壁100 cm处，G代表电极径向真空室外壁5 m处，H代表电极径向真空外壁10 m处。
3.2 MCNP模拟结果分析CFETR-NBI样机可产生能量为200 keV、流强为20 A的负离子。但为了评估严重情况下潜在的辐射剂量，本文假定CFETR-NBI样机处于极端的运行条件：每日脉冲数为6，每个脉冲引出束流为20A，持续时间为3600 s。在此运行条件下，负氢离子的日平均束流强为5 A。据§2可估算出，加速电子的最大日平均束流强为1 A。据此得到日平均剂量率的模拟结果与国际原子能机构(International Atomic Energy Agency, IAEA)规定的剂量率限制[10]进行对比，其结果如图 3所示。结果表明：在2 cm厚的真空壁自屏蔽时，样机真空室外壁各关键点的剂量率较对应的内壁均有明显的降低，但是真空室内外各关键点的剂量率均大于100 μSv∙h-1（IAEA规定的职业人员剂量率限值），因此需要在真空壁外进行控制，增加屏蔽物或距离。
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图 3 样机各关键点的日平均剂量率 Figure 3 The average daily dose rate of each key point of the prototype |
在样机的实际测试运行过程中，电子束能量及流强不可能直接达到以上假定的极端运行条件，会在低能与低流强阶段进行调试，并且存在着束流发散、电极磁铁过滤等因素。被加速并达到200 keV的电子束流将远小于1 A。根据目前负离子源实验经验可知，高能电子束流在毫安量级。因此，本文分别对束能量为100 keV以及流强为1 mA时产生的辐射剂量与极端运行条件下的束能量与流强(200keV，1 A)进行了对比分析，结果如图 4所示。对比分析结果得出，束能量在100 keV或束流强在1 mA时，2 cm厚的真空室自屏蔽效果都较好，真空室外除了离子源径向真空室外壁的(B′)和电极径向真空室外壁100 cm (F)处，其余真空室外各关键点的剂量率都小于100 μSv∙h-1，束线真空室外各关键点(E′, F′)的剂量都小于10 μSv∙h-1（IAEA规定的工作人员剂量率限值），此对比结果不仅可为样机的测试运行中辐射情况提供参考，而且表明屏蔽设计时需对离子源径向真空室外壁以及电极径向真空室外壁重点关注。
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图 4 电子束能量(a)、电子束流强(b)不同时样机各关键位置的日平均剂量率 Figure 4 The average daily dose rate of each key position when the electron beam energy (a), the electron beam current (b) is different |
本文分析了CFETR负离子源中性束系统验证样机的辐射来源，主要为加速电子与金属铜靶碰撞产生的辐射。利用简化的CFETR-NBI样机模型，采用MCNP程序评估了样机处于极端运行条件下（束能量200 keV、流强20 A、每天6个脉冲数、持续时间3600 s）各关键点的辐射剂量率。根据分析可知，CFETR负离子源中性束系统验证样机在极端运行条件下，可产生能量为200 keV日平均最大流强为1 A的电子流。此外，MCNP模拟结果表明：在CFETR-NBI样机2 cm厚的真空壁自屏蔽下，真空室外壁各关键点的日平均剂量率较对应的真空室内壁有明显的下降，离子源部分的剂量率明显高于束线部分，但是各关键点的日平均剂量率均大于100 μSv∙h-1。这表明在样机的设计参数下运行，需要制定相应的屏蔽措施。本文模拟结果为CFETR-NBI验证样机的屏蔽设计提供指导。
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