关于合肥强子加速器（HIAF）冷却水中诱发电放射性的模拟研究及其处置方法，以及对工作人员的安全影响

《Applied Surface Science Advances》：Simulation study on induced radioactivity in HIAF ’s cooling water and its disposal and safety implications for personnel

重离子加速器冷却水感生放射性研究基于FLUKA蒙特卡洛模拟，分析得出30年运行后冷却水主要含15O、3H、11C、7Be、13N，活度浓度范围3.29-9.33×102 Bq/g，总活度5.76×10?-1.73×101? Bq，30cm处剂量率0.17-21.67μSv/h，铅屏蔽或衰变可显著降低辐射危害。

　　

杨波|李五元|苏有武|沙赫博兹·哈萨诺夫|孙辉|陈伟|李阳|严伟伟|王丽军|王茂|韩西龙|吴婷|刘学波|李景峰|朱明阳

中国科学院近代物理研究所，兰州730000，中国

摘要

冷却水的诱导放射性是加速器辐射防护中的一个关键因素。高强度重离子加速器设施（HIAF）具有高粒子能量和大的束流电流，其冷却水会产生强烈的诱导放射性，可能对人员和环境造成辐射危害。因此，有必要研究HIAF冷却水的诱导放射性。在本研究中，使用蒙特卡罗软件包FLUKA进行了系统模拟研究，并结合了束流损失参数和冷却水系统设计。首先，结果表明冷却水中产生的主要放射性核素为¹⁵O、³H、¹¹C、⁷Be和¹³N。其次，在连续运行30年后，HIAF六个水站的冷却水中放射性核素的活度浓度范围为3.29 Bq/g至9.33×10² Bq/g，总活度范围为5.76×10⁷ Bq至1.73×10¹⁰ Bq。此外，考虑到具有^γ和^β+辐射的核素，模拟了每个水站冷却水管周围的剂量率。在距离水管30厘米处，剂量率范围为0.17 μSv/h至21.67 μSv/h。这些剂量率可以通过1厘米厚的铅屏蔽或1小时的衰变显著降低。最后，设计了衰变池，以确保含有³H和⁷Be的放射性废水能够按照相关标准安全排放。本研究为HIAF的辐射安全管理提供了重要数据，并为类似加速器设施的相关研究提供了参考。

引言

高强度重离子加速器设施（HIAF）目前由中国科学院近代物理研究所建造，旨在加速从质子到铀离子的各种离子（Yang等人，2013年）。HIAF由超导电子回旋共振装置（SECR）、加速器环（BRing）、高能碎片分离器（HFRS）、谱仪环（SRing）以及多个实验终端组成（Yang等人，2022年）。HIAF的整体布局如图1所示。

冷却水系统是HIAF的重要组成部分。由于设施的散热需求（例如磁体和实验靶的要求），冷却水管必须沿着束线布置在真空管下方约1.4米处，并在需要冷却的设备处设置分支。相应的水站也应安装以冷却循环水。在HIAF运行过程中，不可避免会产生次级辐射，这些辐射会与冷却水相互作用产生诱导放射性。HIAF的束流能量和电流强度都非常高，因此需要对其冷却水中的诱导放射性进行系统模拟研究，重点关注对人员的辐射剂量以及对环境的处置分析。

HIAF位于地下超过十二米的隧道中，加速器的冷却水为去离子水。HIAF现场设置了六个水站，每个水站负责冷却和泵送不同区域的循环水。考虑到加速器的热量产生，表1列出了每个水站冷却水回路的相关设计参数。图2和表2显示了每个水站负责供水的隧道区域。

模拟方法

模拟使用FLUKA模拟软件包（版本4.3–3）进行，该软件包基于蒙特卡罗模拟（Ferrari等人，2005年）。FLUKA模拟软件包已广泛应用于大型粒子加速器设施的诱导放射性研究，包括FAIR（Kozlova等人，2017年；Radon等人，2009年；Kozlova等人，2008年）、CSNS（Ma等人，2009年；Wu等人，2020年；Yu等人，2009年；HIMM（Luo等人，2022年）

冷却水中放射性核素的静态活度

HIAF预计每年8月会进行为期一个月的维护停机，其总运行寿命估计为30年。因此，为了保守评估，模拟了连续照射30年后冷却水中的诱导放射性。表4、表5、表6、表7、表8和表9分别展示了六个水站冷却水管中放射性核素的静态活度和活度浓度

辐射对专业人员的影响

在HIAF运行期间，禁止人员留在隧道内，隧道的辐射屏蔽设计可确保屏蔽外的辐射剂量率符合相关标准（Yang等人，2022年）。当需要维护时，HIAF需要关闭半小时后人员才能进入隧道。此时，冷却水中的诱导放射性将衰减到相对较低的水平。此外，与诱导辐射相比

结论

本研究系统地模拟了HIAF冷却水的诱导放射性，并分析了活化冷却水对专业人员和环境的可能辐射影响。研究结果可以为HIAF运行后的辐射安全管理提供可靠的技术支持，也可为相关模拟研究提供参考。

CRediT作者贡献声明

杨波：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。沙赫博兹·哈萨诺夫：撰写 – 审稿与编辑、方法论。孙辉：撰写 – 审稿与编辑、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了国家重大科技设施运行维护基金（173016000000190011）和高强度重离子加速器设施（HIAF）专项项目的财政支持。