中子屏蔽材料防护层设计

摘 要 随着中子核技术的迅速发展，辐射屏蔽材料在越来越多的领域得到了广泛的应用，对辐射屏蔽材料的性能要求也越来越高，传统的辐射屏蔽材料很难满足应用要求。根据中子屏蔽原理，针对现有的辐射屏蔽材料的不足，对其存在的主要问题进行了探讨，并提出了新型辐射屏蔽材料防护层设计。

关键词 中子；γ射线；辐射屏蔽材料；工艺设计；实施方案

中图分类号TG174.44 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）96-0193-02

0引言

近年来，原子能工业、放射医学和国防科研有了迅速的发展，在中子领域的研究（包括实验研究和应用研究）也同样得到了极大的开展，同时，有关的技术和研究成果在许多产业已经投入使用并且取得不错成绩[1-2]。中子本身呈电中性，与物质原子核直接发生作用，不与物质核外电子发生作用。中子穿透能力很强，和质量和能量相同的带电粒子相比，中子强得多，因此，和同样剂量的γ射线，χ射线相比，中子对人体产生的危害严重得多。为了让中子技术更好地服务人类，对中子进行有效的屏蔽的必不可少的。所以，研究并开发新型的、综合性能更好的中子屏蔽材料是非常必要的；研究实用、高效、安全的中子屏蔽材料方案也是必需的。选择合适的屏蔽材料，制定合理的方案可以减小屏蔽的经济成本和屏蔽体的体积和重量。因此，对各种新型辐射屏蔽材料的研究便成为一项十分重要和迫切的课题。鉴于此，笔者提出了新型辐射屏蔽材料防护层设计。

1中子辐射屏蔽原理

2中子辐射屏蔽材料

重元素保护层的作用是屏蔽入射的γ射线，减速快中子，从而达到屏蔽因吸收、减速中子时产生的二次γ射线；轻元素吸收层的作用是吸收慢中子。吸收、减速中子时会产生二次γ射线，而γ射线又能辐射、损伤高分子材料，所以，为了能够对中子和γ射线同时屏蔽、吸收，材料结构成分设计就应该包括重元素保护层和轻元素吸收层。

通常来说，对快中子屏蔽的方法是开头用铁、铅等重核素进行非弹性散射，把中子能量慢化到1MeV以下，然后用氢等轻核素进行弹性散射使其进一步慢化，接下来用吸收截面大的核素吸收其剩余能量。

中子散射截面随元素种类和中子能量的变化不简单，其中原子序数小的元素经弹性散射以达到中子能量大幅度减小的效果，因为原子序数小的元素很容易进行类似辐射俘获反应的吸收反应，特别是那些含有大量氢的物质，如聚丙烯、硼、石蜡和聚乙烯，中子屏蔽效果更好，成为了优秀的中子屏蔽材料。它们反应截面较大， 能够使中子的能量迅速降至1MeV以下[4]。

铁之所以能普遍作为屏蔽材料[1]，是因为铁具有密度大，力学强度高等优良性能，但其俘获热中子后将放出大量10MeV以下的二次γ射线，从严格意义上来说，不能作为优良的中子屏蔽材料；和铁相比，不锈钢屏蔽中子和γ射线的性能要更好，同时，由于不锈钢的非弹性散射截面大，其屏蔽快中子比铁更明显，不可避免的是，受中子辐照后，锰、镍、铬等元素在不锈钢中要活化，限制使用人员必须远离停堆后的反应堆。硼钢是中子吸收材料[4-7]，是在铁中加入了硼，这样能增强对热中子的屏蔽效果，但往往因为硼含量的不足，未能达到理想的中子吸收效果，以至于不得不增加硼钢的厚度，但这样做会导致屏蔽系统的体积和质量的增加，与此同时，硼含量的增加还会导致硼钢力学性能[8-9]的下降，如冲击抗力和延展性，是其成为优秀的结构材料的短板，大大削弱其在设备运输以及储存燃料方面的应用。

3现有辐射屏蔽材料存在的问题

现有辐射屏蔽材料存在以下问题[1，10]：难以选择在空间环境应用的基质材料；制备工艺和方法存在问题，多存在结构复杂、屏蔽体体积大、质量重等难以普及应用的问题，力学性能也有待提高，需要往可用作结构材料方向发展；吸收效果不高，使其综合性能不高；同时，仍有其他性能与屏蔽性能难以共存的问题，对于实际应用存在很大挑战。

4屏蔽结构设计

由于在屏蔽吸收中子过程中会产生二次射线，所以非常有必要考虑γ射线的影响，基于此，笔者提出材料的第一层设为快中子减速层，第二层设为屏蔽γ射线层，第三层设为热中子吸收层，第四层设为屏蔽γ射线层。

5实施方案

5.1粉末冶金实施方案

5.2 铸造凝固实施方案

参考文献

[1]何建洪，孙勇，段永华，等.射线与中子辐射屏蔽材料的研究进展[J].材料导报，2011，25（18）：347-351.

[2]徐军，康青，沈志强，等.核防护用水泥基中子屏蔽材料的研究进展[J].材料开发与应用，2011，26（5）：92-100.

[3]李星红.辐射防护基础[M].北京：原子能出版社，1982：28.

[4]Loria E A， Isaacs H S.Type 304 stainless steel with 0.5% boron for storage of spent nuclear fuel[J]. J Metal，1980，11（1）：10.

[5]Acosta P， Jimenez J A， Frommeyer G， et al.Microstructure characterization of an ultrahigh carbon and boron tool steel processed by different routes[J].Mater Sci Eng，1996，A206（2）：194.

[6]Sercombe T B. Sintering of free formed maraging steel with boron additions[J].Mater Sci Eng， 2003，A363（3）：242.

[7]Liu C S， He C L， Chen S Y， et al.Effect of boron on spot welding fatigue of coldrolled IF sheet steels[J].J Northeastern University （Natural Science），2000，21（2）：187.

[8]刘常升，等.高硼钢的组织与性能[J].东北大学学报：自然科学版，2004，25（3）：247.

[9]罗伯特S布朗.A级含硼不锈钢[J].国外核动力，1995（6）：53.

[10]刘延坤.一体化电磁屏蔽及辐射防护材料的研制[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005：3.

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