熱壓微晶碳化硼材料中子屏蔽性能仿真

馬丹丹，秦湘閣

(1.佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

1 引言

隨著太空領(lǐng)域技術(shù)以及核電技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，針對中子等射線的屏蔽材料，在制備過程中人們對其性能提出了更高的要求[1]。在中子屏蔽性能方面，含Li元素的氟化鋰LiF、氫氧化鋰LiOH、溴化鋰LiBr以及含B元素的碳化硼B(yǎng)4C、硼酸H3BO3、氧化硼B(yǎng)2O3等都屬于慢中子吸收物質(zhì)，其中屏蔽性能較好的是碳化硼H3BO3的中子[2]。將碳化硼H3BO3引入鋁基復(fù)合材料(B4C/Al)的制備過程中，可以提高材料的導(dǎo)電性能、降低材料的質(zhì)量、提高導(dǎo)熱性能、降低熱膨脹系數(shù)、提高熱穩(wěn)定性能，同時可以優(yōu)化中子的屏蔽性能[3]。在燃料運輸容器、乏燃料水池等方面鋁基復(fù)合材料以板的形式得到了廣泛的應(yīng)用。在上述背景下對熱壓微晶碳化硼材料中子的屏蔽性能進行分析具有重要意義，提出熱壓微晶碳化硼材料中子屏蔽性能仿真方法。

2 實驗材料制備

制備熱壓微晶碳化硼材料所用的主要原料如表1所示。

表1 主要原料

熱壓微晶碳化硼材料中子屏蔽性能仿真方法制備熱壓微晶碳化硼材料過程中用到的主要儀器以及設(shè)備如圖1所示。

圖1 主要儀器及設(shè)備

設(shè)計5.8g/cm3密度的熱壓微晶碳化硼材料，當碳化硼在材料中的比例較低誤差增大時，為了降低誤差，需要調(diào)整鉛砂和聚乙烯在熱壓微晶碳化硼材料中的比例，并在熱壓微晶碳化硼材料設(shè)置合理的碳化硼質(zhì)量百分比[4-5]，所提方法設(shè)計的熱壓微晶碳化硼材料配方如表2所示。

表2 熱壓微晶碳化硼材料設(shè)計配方

將烘箱溫度設(shè)置為105 ℃，并將烘箱運行時間設(shè)置為4 h，對聚乙烯、加工助劑、碳化硼和鉛砂進行鼓風(fēng)干燥處理，根據(jù)參考文獻，將鼓風(fēng)干燥處理后的材料進行稱重，并在一百五十攝氏度的開煉機中加入脫模劑、碳化硼和抗氧劑等助劑熔融聚乙烯顆粒[6-7]，混煉8到10 min，對開煉機的輥距進行調(diào)整，將鉛砂加入開煉機中；并將模具溫度設(shè)定為150 ℃，倒入混合后的物料，出模；最后在樣板上利用水切割機對屏蔽性能樣板進行切割，晾干樣板，備用[8]。

設(shè)Kn代表的是熱壓微晶碳化硼材料的中子屏蔽系數(shù)，其計算公式如下

(1)

式中，N0描述的是源強在無樣品時對應(yīng)的總計數(shù)；N0b描述的是本低在無樣品情況下對應(yīng)的計數(shù)；N0-N0b描述的是源強在無樣品情況下對應(yīng)的凈計數(shù)；Nb描述的是本低在有樣品情況下對應(yīng)的計數(shù)；N描述的是源強在有樣品情況下對應(yīng)的總計數(shù)；N-Nb描述的是源強在有樣品狀態(tài)下對應(yīng)的凈計數(shù)。

設(shè)Kr代表的是屏蔽系數(shù)，其計算公式如下

(2)

式中，D、D0分別代表的是t時間內(nèi)，探測器在有無屏蔽材料下的累積劑量。

3 熱壓微晶碳化硼材料中子屏蔽性能仿真

在蒙特卡洛模擬程序中對粒子的運行路徑進行跟蹤，根據(jù)記錄的相關(guān)信息獲得物理參數(shù)，所提方法采用蒙特卡洛計算方法對熱壓微晶碳化硼材料的中子屏蔽性能進行計算。

在MCNP4C程序中通過蒙特卡洛方法抽樣入射中子的方向、位置和能量，具體過程為：跟蹤入射的中子，將隨機參數(shù)分配給原子核與中子碰撞物理的過程，使其被吸收或持續(xù)碰撞[9-10]；當中子從投射面穿出或中子能量低于1*10-11MeV時，停止跟蹤，并開始模擬下一個中子，當全部中子都完成模擬后，停止程序，并對穿過投射面的中子數(shù)量進行記錄。

設(shè)F1代表的是投射系數(shù)，描述的是粒子穿過投射面的概率，其計算公式如下

(3)

式中，A、E、t、μ均代表的是能量系數(shù)；J(A，E，t，μ)描述的是能量函數(shù)；N代表的是入射粒子的數(shù)量。

用F11描述劑量轉(zhuǎn)換因子與投射系數(shù)F1之間的乘積，其表達式如下

(4)

式中，R1代表的是劑量轉(zhuǎn)換因子。

用F21描述劑量當量轉(zhuǎn)換因子與F11之間的乘積，其表達式如下

(5)

式中，R2描述的是劑量當量轉(zhuǎn)換因子。

利用近似指數(shù)函數(shù)描述屏蔽層中中子的減弱規(guī)律，設(shè)φ代表的是中子通量，其計算公式如下

(6)

式中，R描述的是測量點與源之間存在的距離；∑r描述的是分出截面；x描述的是屏蔽層厚度。

設(shè)I0代表的是無屏蔽材料狀況下對應(yīng)的中子注量，其計算公式如下

(7)

設(shè)I代表的是通過屏蔽材料后對應(yīng)的中子注量，可通過下式計算得到

(8)

用I/I0描述中子投射系數(shù)。

構(gòu)建熱壓微晶碳化硼材料三維仿真模型，對熱壓微晶碳化硼材料的中子性能進行模擬[11-12]。通過下式計算中子屏蔽系數(shù)Kn

(9)

式中，n0、nm分別代表的是計數(shù)球在存在和不存在屏蔽材料測試樣板時接收到的中子注量。

材料屏蔽性能可以通過中子屏蔽系數(shù)進行反映，兩者之間為正比關(guān)系。

4 結(jié)果及討論

對所有同性的單能中子源進行考慮，針對能量不同的中子，計算熱壓微晶碳化硼材料的屏蔽性能，利用超級蒙卡SUPERMC構(gòu)建的模型對空氣產(chǎn)生的影響進行考慮，中子從源中子與屏蔽體之間的距離為1米時，源中子與經(jīng)過運輸?shù)竭_屏蔽體入射面的中子之間存在較小的差異，因此屏蔽材料對中子源的屏蔽性能在考慮空氣產(chǎn)生影響的情況下可以用透射系數(shù)進行描述。中子之間的能量各不相同，根據(jù)能量的不同，對中子的類型進行劃分，分為高能中子、慢中子、快中子以及中能中子，其能量分別大于10MeV、在區(qū)間0eV-1keV內(nèi)取值、在區(qū)間100keV-10 MeV內(nèi)取值、小于1-100keV。

分析投射系數(shù)與屏蔽體厚度及碳化硼含量之間存在的關(guān)系，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 材料在不同碳化硼比例下對中子的投射系數(shù)

根據(jù)圖2可知，中子的投射系數(shù)受屏蔽體厚度、碳化硼含量和中子源強的影響。無論是快中子還是慢中子，中子投射系數(shù)在普通水泥中與屏蔽體厚度之間呈反比關(guān)系。對比含5%碳化硼材料與普通材料的投射系數(shù)可知，屏蔽厚度相同時，中子的投射系數(shù)在添加碳化硼后有所下降。

分析圖2(a)可知，采用普通材料對0.1 keV的中子源進行屏蔽時，投射系數(shù)在屏蔽厚度為5 cm時約為0.27；在相同厚度的屏蔽體條件下測試，普通材料在加入5%的碳化硼后投射系數(shù)有所下降，但繼續(xù)在材料中加入碳化硼卻無法提高熱壓微晶碳化硼材料的屏蔽性能。

分析圖2(c)可知，在1MeV能量的單能中子源情況下，無論屏蔽材料的厚度是多少，在基材料中添加碳化硼的屏蔽效果與普通材料的屏蔽效果沒有太大差異；只有在屏蔽體厚度為5-25 cm時，材料的屏蔽性與碳化硼含量之間呈正比關(guān)系；且當屏蔽材料厚度相同時，在材料中添加不同含量的碳化硼得到的中子投射系數(shù)不存在差異，碳含量的多少將不會影響熱壓微晶碳化硼材料的屏蔽效果。

結(jié)合上述分析可知，在高能中子區(qū)和低能中子區(qū)，將不同含量的碳化硼加入熱壓微晶材料中，熱壓微晶材料的屏蔽性能是不同的；在低能中子區(qū)加入相同比重的碳化硼獲得的屏蔽效果優(yōu)于高能中子區(qū)的屏蔽效果。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是中子的能量會影響10B對中子的吸收截面，即10B對高能中子的吸收截面通常情況下要低于對低能中子的吸收截面。

屏蔽材料厚度與裂變中子進行屏蔽的投射系數(shù)之間存在的關(guān)系如圖3所示。

圖3 屏蔽厚度與投射系數(shù)之間的關(guān)系

分析圖3中的數(shù)據(jù)可知，熱壓微晶碳化硼材料對中子的屏蔽性能通過熱壓微晶材料中碳化硼含量的增加而提升。熱壓微晶碳化硼材料在相同厚度條件下對應(yīng)的投射系數(shù)隨著碳化硼含量的增加而降低。只有當普通材料的厚度高于20 cm時，裂變中子對應(yīng)的投射系數(shù)才能低于0.01；如果采用碳化硼屏蔽材料，當材料厚度為15 cm時投射系數(shù)就可降到0.01。

含10%碳化硼的材料和不同材料屏蔽裂變中子后，出射中子能譜曲線如圖4所示。

圖4 出射中子能譜

根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)可知，高能部分比例在中子能譜被屏蔽后明顯下降，表明高能中子經(jīng)過屏蔽體后的速度有所減小。對比圖4(a)和圖4(b)可知，裂變中子經(jīng)過屏蔽后，低能中子大量存在于裂變中子譜中。將碳化硼加入熱壓微晶材料后，低能中子在裂變中子譜中的含量明顯變小，表明低能中子被加入的碳化硼吸收了。

5 結(jié)論

所提方法通過蒙特卡羅模擬方法分析了不同碳化硼含量的材料與中子屏蔽性能之間存在的關(guān)系。根據(jù)分析可知，中子的投射系數(shù)在摻雜碳化硼材料和普通材料中與屏蔽層厚度之間呈反比關(guān)系。當普通材料中的中子能量不同時，在屏蔽厚度相同的情況下，即使材料中碳化硼的含量相同，中子的屏蔽性能也存在差異，如果想要使中子屏蔽性能相同，需要將一定比例的碳化硼加入到熱壓微晶材料中，達到降低屏蔽體的厚度的目的，屏蔽體的厚度與碳化硼含量之間成反比關(guān)系，熱壓微晶碳化硼材料的屏蔽效果在加入5%的碳化硼時最佳，如果繼續(xù)添加碳化硼，則無法提高熱壓微晶碳化硼材料的屏蔽性能。

6 結(jié)束語

隨著核技術(shù)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，輻射安全問題受到了人們的重視，人們關(guān)注的焦點通常是輻射防護問題、誘發(fā)放射性問題以及核加熱問題。與其它輻射源相比，中子輻射的穿透性較強，與物質(zhì)作用下中子會出現(xiàn)激發(fā)與電離現(xiàn)象，對生物體造成危害。對輻射防護進行分析時，外照射防護在一般情況下分為屏蔽、距離和時間三種方法，其中屏蔽是中子源防護的主要措施。在中子屏蔽材料中熱壓微晶材料的地位較高，在與核工程相關(guān)的防護體、醫(yī)用X攝像防護室以及核反應(yīng)度的安全保護殼等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。將與中子非彈性散射截面較大的重元素添加到熱壓微晶材料中，可以提高熱壓微晶材料的中子屏蔽效果，快中子和高能中子在重元素影響下的屏蔽性也能有所提升。在熱壓微晶屏蔽材料的研究領(lǐng)域中，提高熱壓微晶碳化硼的中子屏蔽性是研究的重要方向。