高含鎢鋁基復(fù)合屏蔽材料成分優(yōu)化設(shè)計(jì)

牛昊軒，楊 劍，陳富財(cái)，莫錦濤，甘 斌

（1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213；2.有研工程技術(shù)研究院有限公司，北京 101400）

1 概述

高含鎢鋁基屏蔽材料是以高純鋁為基體，鎢和碳化硼為屏蔽組元的高性能復(fù)合屏蔽材料，能夠同時(shí)屏蔽γ射線、熱中子和快中子，有助于實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆體積小、質(zhì)量輕的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文基于X-COM及MCNP程序?qū)Σ牧系某煞葸M(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，給出了不同配比下該材料的屏蔽性能及力學(xué)性能，能夠?yàn)椴牧系淖罱K定型提供依據(jù)。

2 γ射線線性減弱系數(shù)（μl）的理論計(jì)算

圖1 不同材料的γ射線線性減弱系數(shù)與γ射線能量的關(guān)系曲線

采用X-COM程序分別計(jì)算了密度為4.1g/cm3、6.9g/cm3、8.2g/cm3、9.1g/cm3和10.0g/cm3的Al/W/B4C材料的γ射線線性減弱系數(shù)（μl），材料編號(hào)依次為：LWB41、LWB69、LWB82、LWB91和LWB10。幾種材料的γ射線線性減弱系數(shù)（μl）計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

從圖中可以看出，鋁基復(fù)合屏蔽材料中的鎢含量越高、密度越大，γ射線線性減弱系數(shù)越高。隨著γ射線能量的增加，材料的線性減弱系數(shù)顯著降低。

針對(duì)Co60和Cs137γ射線，這兩種射線的平均能量分別為1.25MeV和662KeV。由理論計(jì)算得到當(dāng)材料密度≥8.2g/cm3時(shí)，對(duì)Co60和Cs137γ射線線性減弱系數(shù)（μl）分別大于0.41cm-1和0.7cm-1，能夠較好地滿(mǎn)足工程要求。

3 熱中子吸收率的理論計(jì)算

計(jì)算了不同B4C含量的鋁基復(fù)合屏蔽材料（厚度25mm）的熱中子吸收率。幾種鋁基復(fù)合屏蔽材料的密度均為8.2g/cm3，成分如表1所示：

表1 用于熱中子吸收率計(jì)算的材料成分

幾種材料的中子吸收率計(jì)算結(jié)果如圖2所示：

從圖中可以看出，隨鋁基復(fù)合屏蔽材料中B4C含量的升高，對(duì)熱中子（能量為0.025eV）的吸收率升高。隨中子能量的升高，中子吸收率呈下降趨勢(shì)。在厚度為25mm時(shí)，當(dāng)鋁基復(fù)合屏蔽材料中的B4C含量≥0.7%時(shí)，熱中子吸收率的計(jì)算值＞99%（指標(biāo)值）。

圖2 不同材料的熱中子吸收率計(jì)算結(jié)果（厚度25mm）

4 快中子慢化的理論計(jì)算

采用MCNP程序模擬計(jì)算了14.88MeV快中子（DT中子源）穿過(guò)100mm厚鋁基復(fù)合屏蔽材料（8.2g/cm3）和鉛硼聚乙烯的能譜以及無(wú)屏蔽材料時(shí)的中子能譜，計(jì)算快中子對(duì)屏蔽材料的透射率，評(píng)價(jià)兩種屏蔽材料對(duì)快中子的慢化效果。

鋁基復(fù)合屏蔽材料和鉛硼聚乙烯的成分如表2所示：

表2 用于快中子慢化模擬計(jì)算的材料成分

14.88MeV快中子及其經(jīng)100mm厚的鋁基復(fù)合屏蔽材料和鉛硼聚乙烯慢化后的中子能譜見(jiàn)圖3。

圖3 14.88MeV快中子及其經(jīng)100mm厚不同樣品慢化后的中子能譜

從圖中可以看出，14.88MeV的快中子穿過(guò)100mm厚鋁基復(fù)合屏蔽材料和鉛硼聚乙烯后，高能區(qū)中子數(shù)占比降低，低能區(qū)中子數(shù)占比升高，整個(gè)中子能譜被慢化。相比鉛硼聚乙烯，鋁基復(fù)合屏蔽材料對(duì)高能區(qū)快中子的慢化效果更加明顯。

以中子注量衰減比來(lái)量化兩種材料對(duì)快中子的屏蔽性能。材料對(duì)快中子的注量衰減比按照公式（1）計(jì)算：

式中：

FΦ(En)——材料對(duì)能量為En的中子的快中子注量衰減比；

Φ0——在未經(jīng)過(guò)衰減的自由場(chǎng)中，試驗(yàn)點(diǎn)處的中子注量；

Φ1——在經(jīng)過(guò)樣品衰減后的輻射場(chǎng)中，試驗(yàn)點(diǎn)處的中子注量。

兩種材料對(duì)14.88MeV快中子的注量衰減比計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 兩種材料對(duì)14.88MeV快中子注量衰減比

根據(jù)快中子注量衰減比進(jìn)行計(jì)算，鋁基復(fù)合屏蔽材料對(duì)快中子的慢化效果與同厚度的鉛硼聚乙烯相比，快中子注量下降約24%。

5 結(jié)論

根據(jù)屏蔽性能計(jì)算結(jié)果并結(jié)合材料密度和力學(xué)性能指標(biāo)要求，本文設(shè)計(jì)開(kāi)展研制的屏蔽材料的理論密度為8.2g/cm3，其中W屏蔽組元的含量范圍為75%～80%，B4C屏蔽組元的含量范圍為0.5%～2.5%。同厚度下快中子屏蔽性能優(yōu)于鉛硼聚乙烯，γ射線屏蔽性能與優(yōu)于或相當(dāng)于一般鋼材。