核電用壓電加速度傳感器的抗輻照屏蔽設(shè)計(jì)

錢(qián)俊江，袁宇鵬，陳清華，周 睿，張 萍，張祖?zhèn)ィ附瓥|

(1.中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司，重慶 401332；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060；3.軍委裝備發(fā)展部軍事代表局駐重慶地區(qū)軍事代表室,重慶 400060；4.防化軍代局駐重慶地區(qū)防化軍代室，重慶 400060；5.云南無(wú)線電有限公司，云南 昆明 650223)

0 引言

壓電加速度傳感器作為一種常見(jiàn)的振動(dòng)測(cè)量關(guān)鍵器件在核電站、航空航天、核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[1]。壓電加速度傳感器在核電中主要用于核電站松動(dòng)部件監(jiān)測(cè)及振動(dòng)部件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]，監(jiān)測(cè)核電站主設(shè)備及相關(guān)振動(dòng)部件的工作狀態(tài)，出現(xiàn)異常時(shí)報(bào)警提醒，對(duì)反應(yīng)堆的安全運(yùn)行有重要的保障作用。然而加速度傳感器常服役于強(qiáng)核輻射與高溫的環(huán)境下，其宏觀性能如壓電性能、介電性能等參數(shù)會(huì)逐漸發(fā)生變化，這個(gè)性能的退化源自于材料在輻射和熱的協(xié)同作用下，致使材料內(nèi)部的原子核和核外電子發(fā)生相互作用而導(dǎo)致材料在微觀層面發(fā)生損傷，微觀損傷經(jīng)過(guò)分子尺度、介觀尺度的多尺度演化，最終導(dǎo)致材料在宏觀層面上的性能變化，并可能造成傳感器測(cè)量性能變化或失效，這會(huì)給反應(yīng)堆的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。這個(gè)過(guò)程可分為：

1) 輻射對(duì)電子元器件及系統(tǒng)的影響，即輻照效應(yīng)。

2) 輻射如何對(duì)電子元器件及系統(tǒng)產(chǎn)生影響，即損傷機(jī)制。

3) 電子元器件及系統(tǒng)如何對(duì)抗輻射的影響，及抗輻射加固技術(shù)。

這3部分緊密相連，在早期的研究中以輻照效應(yīng)為主，逐漸向輻照損傷機(jī)制轉(zhuǎn)移，目前是以抗輻射加固技術(shù)為主。屏蔽防護(hù)是抗輻照加固中的一種有效的技術(shù)手段，通過(guò)添加屏蔽體使射線的強(qiáng)度降低，進(jìn)而使傳感器材料受到輻照產(chǎn)生的吸收劑量降低[3]。本文主要采用蒙特卡洛法對(duì)服役于反應(yīng)堆中的壓電加速度傳感器的屏蔽抗輻照加固研究[4]。

1 屏蔽模型及屏蔽優(yōu)化計(jì)算介紹

反應(yīng)堆主要是釋放中子和γ射線。快中子主要采用重金屬元素通過(guò)非彈散射的方式進(jìn)行屏蔽，慢化后的中能中子主要采用輕元素來(lái)進(jìn)一步慢化。而γ射線主要采用重金屬材料來(lái)進(jìn)行屏蔽[5]。

1.1 屏蔽機(jī)理分析

σt=σs+σs′+σγ+σf……

(1)

式中：σs為彈性散射截面；σs′為非彈性散射截面；σγ為輻射俘獲截面；σf為裂變截面。

中子與原子核的反應(yīng)截面σ稱為微觀截面，σ×N(N為靶材料單位體積內(nèi)原子核數(shù))為宏觀截面，即

∑=Nσ

(2)

一個(gè)多層結(jié)構(gòu)材料的宏觀截面為

(3)

式中：Sk為第k層材料的面積；lk為第k層材料的厚度；σk為第k層材料的微觀截面；NA為阿伏伽德羅常數(shù)。

如果組成某層屏蔽體的材料是復(fù)合材料，那么這一塊屏蔽體的宏觀截面可為

(4)

式中：mi為第i種材料組分的質(zhì)量；Mi為第i種材料組分的分子量；zi為 第i種材料質(zhì)量比；σi為 第i種材料總的微觀截面。

圖1～4分別為鉛(Pb)材料、聚乙烯(PE)材料和碳化硼(B4C)材料的宏觀截面計(jì)算結(jié)果。

圖1 3種材料非彈性散射截面

圖2 3種材料彈性散射截面

圖3 3種材料總的作用中子作用截面

圖4 3種材料γ射線作用截面

根據(jù)圖1～4所示結(jié)果，擬采用Pb-含硼聚乙烯-Pb的結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行屏蔽布置。第一層Pb通過(guò)非彈性散射來(lái)慢化中子，然后含硼聚乙烯進(jìn)一步慢化和吸收中子，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生γ射線，最后布置一層Pb材料來(lái)屏蔽γ射線。

1.2 模型介紹

圖5為傳感器屏蔽抗輻照加固示意圖，傳感器外面由屏蔽材料包覆。本文主要采用兩種方式來(lái)屏蔽：

1) 正面體由3層材料組成，從前到后分別是Pb-PE-Pb，這種方式排布合理，以含氫元素為夾心的材料能有很好的屏蔽效果，同時(shí)材料簡(jiǎn)單,造價(jià)便宜，但PE耐溫性能和抗輻照性能相對(duì)較差，Pb材料有毒。

2) 由單層復(fù)合材料組成，復(fù)合材料由Fe+W+ B4C組成，這種組合具有很好的耐溫性能和抗輻照性能，但是材料的造價(jià)較高，屏蔽效果因缺少H元素會(huì)弱于第1)種。放射源采用裂變譜，同時(shí)考慮到16N產(chǎn)生的6.13 MeV和7.14 MeV高能γ射線，對(duì)于腐蝕活化源項(xiàng)產(chǎn)生的中子和γ射線暫時(shí)未加考慮。

圖5 傳感器屏蔽抗輻照加固示意圖

在對(duì)屏蔽進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用MCNP軟件進(jìn)行，分別模擬了幾種屏蔽體情況下的快中子屏蔽效果、熱中子屏蔽效果、γ射線屏蔽效果和總的射線屏蔽效果。屏蔽效果分別通過(guò)傳感器位置的射線強(qiáng)度和吸收劑量來(lái)表示。

1.3 Geant4對(duì)MCNP軟件進(jìn)行校驗(yàn)

在對(duì)各種材料組合的屏蔽效果進(jìn)行MCNP軟件模擬計(jì)算前，要對(duì)軟件的準(zhǔn)確性進(jìn)行校驗(yàn)，以確定所計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究采用Geant4軟件[7]對(duì)MCNP軟件進(jìn)行校驗(yàn)，保證MCNP與Geant4所選擇的源信息，屏蔽材料模型，探測(cè)器信息及源、材料、探測(cè)器的間距保持一致。

表1為Geant4對(duì)MCNP的計(jì)算結(jié)果，所計(jì)算的厚度t分別為10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm，所計(jì)算的結(jié)果為單次裂變中子和γ射線的總劑量當(dāng)量值。Geant4與MCNP的計(jì)算結(jié)果偏差在10%以內(nèi)，兩種軟件的計(jì)算吻合較好。

表1 Geant4 對(duì)MCNP校驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 計(jì)算結(jié)果和分析

屏蔽計(jì)算采用圖5所示的模型，計(jì)算采用MCNP軟件，分別對(duì)Pb-PE-Pb多層組合和60%Fe(質(zhì)量分?jǐn)?shù))+30%W(質(zhì)量分?jǐn)?shù))+10%B4C(質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料兩種屏蔽方式進(jìn)行計(jì)算。

1) Pb-PE-Pb多層屏蔽計(jì)算結(jié)果。采用總厚度為30 cm時(shí)3種Pb和含硼聚乙烯組合方式進(jìn)行計(jì)算，即組合1為Pb(15 cm)+ PE(10 cm)+ Pb (5 cm)，組合2為Pb(10 cm)+ PE(15 cm)+ Pb(5 cm)，組合3為Pb(5 cm)+PE(20 cm)+Pb(5 cm)。圖6～8分別為3種組合屏蔽后傳感器內(nèi)中子能譜、次級(jí)γ射線能譜及初級(jí)γ射線能譜圖。

圖6 3種組合屏蔽后傳感器內(nèi)中子能譜

圖7 3種組合屏蔽后傳感器內(nèi)次級(jí)γ射線能譜

圖8 3種組合屏蔽后傳感器內(nèi)初級(jí)γ射線能譜

由圖6～8可知，含硼聚乙烯厚度增加，中子屏蔽效果較好，但是初級(jí)γ射線的屏蔽效果下降，所以厚度組合有一個(gè)較優(yōu)的組合值。由表2可知，組合2(Pb(10 cm)+ PE(15 cm)+ Pb(5 cm))的屏蔽效果優(yōu)于其他兩組，其他兩組含硼聚乙烯厚度分別厚于或薄于聚乙烯材料。

表2 3種組合的屏蔽效果

后續(xù)采用Pb(10 cm)+ PE(15 cm)+ Pb(5 cm)這一組合方式，按照這樣的材料厚度比例進(jìn)行不同總厚度的材料吸收劑量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 單次裂變后傳感器內(nèi)吸收劑量值

圖9為單次裂變后傳感器內(nèi)吸收劑量值，10 cm的屏蔽材料大約將吸收劑量降1個(gè)數(shù)量級(jí)，50 cm的屏蔽材料可使傳感器內(nèi)的吸收劑量降約3.5個(gè)數(shù)量級(jí)，從5×10-14Sv降到1×10-18Sv。

2) Fe+W+B4C復(fù)合材料計(jì)算結(jié)果。圖10為單次裂變產(chǎn)生的中子和γ射線穿過(guò)不同厚度屏蔽體的屏蔽效果。

圖10 不同厚度材料的屏蔽效果

圖11為單次裂變產(chǎn)生的中子和γ射線穿過(guò)不同質(zhì)量厚度屏蔽體的屏蔽效果。圖11中材料質(zhì)量是由圖10中材料厚度乘以材料的密度。

圖11 不同材料質(zhì)量情況下的屏蔽效果

由圖10可知，在屏蔽裂變的情況下，F(xiàn)e+W+B4C的組合好于純鐵，但其密度較大，因此做了圖11中不同材料質(zhì)量情況下的兩種材料屏蔽效果對(duì)比。由圖11可知，約600 kg的純鐵和約360 kg的Fe+W+B4C的組合屏蔽效果相當(dāng)。在同等屏蔽效果情況下，F(xiàn)e+W+B4C相對(duì)于純鐵可減重40%左右。

當(dāng)服役時(shí)間相對(duì)較短、屏蔽體受到輻射劑量不強(qiáng)、服役溫度小于PE的服役溫度時(shí)，可以考慮采用Pb(10 cm)+ PE(15 cm)+ Pb(5 cm)的組合方式。當(dāng)屏蔽體受到的輻射劑量很強(qiáng)、服役溫度很高時(shí)，可以考慮采用60%Fe+30%W+10%B4C(質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料。

3 結(jié)束語(yǔ)

核電站、航空航天、核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中常見(jiàn)使用壓電加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，但環(huán)境中核輻射與高溫應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生壓電性能、介電性能等參數(shù)的變化。因此，本文根據(jù)服役溫度、抗輻照性能、造價(jià)、屏蔽效果等因素，提出了鉛-聚乙烯-鉛多層組合屏蔽體和鐵+鎢+碳化硼組成的復(fù)合材料兩種屏蔽體組合方式，采用MCNP軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，并形成了服役時(shí)的屏蔽體形式的組合建議。