新型含釓鎳基屏蔽材料組分配比研究

關鍵詞：屏蔽材料;鎳基合金;組分配比;蒙特卡羅

0 引言

屏蔽材料是進行輻射屏蔽的最終實踐，其優(yōu)良的設計和應用是降低輻射照射和保證輻射安全的基礎。隨著我國核能及核技術產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，商業(yè)核電廠、海上核動力平臺、空間堆以及核技術應用設施等涉核裝置對屏蔽材料提出了更高的要求?；诖?，國內(nèi)外開展了大量研究，開發(fā)出多種復合屏蔽材料，主要包括含硼混凝土、含硼不銹鋼、鉛硼聚乙烯、B4C/ Al 合金等材料[1] ，但都有其各自的不足，無法滿足不同領域的輻射防護要求。目前復合屏蔽材料的設計基本以經(jīng)驗判斷以及實驗為主，針對特定的應用場景及性能需求進行大量實驗驗證，會導致所研發(fā)的材料成本較高，且組分配比難以實現(xiàn)效果最優(yōu)。因此，開展輻射屏蔽材料的組分配比研究，可為后續(xù)材料制備與實驗提供研究依據(jù)與方向。本文采用蒙特卡羅粒子輸運程序，通過模擬計算對比不同基體與摻雜元素的綜合屏蔽性能，設計出一種具有優(yōu)異中子、光子屏蔽性能的新型含Gd 鎳基合金材料，并討論了該材料中子屏蔽性能隨組分配比的變化規(guī)律。

1 研究方法

如圖1 所示，新型復合屏蔽材料成分配比研究主要包括以下三個步驟：

1）基于不同基體與功能填料元素的材料特性分析，初步篩選與確定材料較優(yōu)組分;

2）確定屏蔽性能評價指標，采用蒙特卡羅程序?qū)Σ煌瑥秃掀帘尾牧线M行屏蔽性能計算驗證;

3）基于上述計算結(jié)果，確定出具有最佳中子/光子綜合屏蔽性能的材料;以此材料為研究對象，計算分析其組分配比對材料屏蔽性能的影響規(guī)律。

2 材料成分篩選

由于材料對中子/ γ 射線的輻射屏蔽性能主要取決于組成材料的各核素的反應截面，一般情況下通過在基體中添加高中子吸收截面的元素實現(xiàn)中子屏蔽，不同的元素摻雜比例，材料呈現(xiàn)出的中子屏蔽性能也各不相同;而基體材料的性能則決定了最終的γ 射線屏蔽性能以及材料的整體性能。因此，為實現(xiàn)材料的中子/ 光子綜合屏蔽性能，本節(jié)分別對比分析不同基體與摻雜元素的材料特性，以確定屏蔽材料優(yōu)選組分。

2. 1 核心屏蔽功能元素

在功能填料元素的選用上，通常會優(yōu)先選擇高中子吸收截面的元素。硼及含硼化合物化學性質(zhì)穩(wěn)定，來源豐富，生產(chǎn)成本低，是最常用的中子吸收材料，由于其在合金中溶解度有限，在加工成型中會生成硬度高、熔點低的硼化物，嚴重影響材料的力學性能和熱塑性[2] 。針對此問題，研究人員發(fā)現(xiàn)Ti 元素可有效降低硼化物產(chǎn)生量，提升材料強度與韌性，目前已通過成分改進優(yōu)化制備出硼含量在2. 0wt. %以上的高硼鋼。但材料中的硼在使用過程中會因輻照而產(chǎn)生氣體氦和氚，這會導致屏蔽材料發(fā)生輻照腫脹，造成材料機械性能惡化[3] 。

稀土元素Gd 具有極大的熱中子吸收截面，無毒性，且制造過程無污染，是一種理想的熱中子吸收材料。Gd 含量對材料的性能影響較大。研究表明，當Gd 含量大于2. 5wt. %且材料厚度大于3 mm時，含釓材料的熱中子屏蔽效率達到99%以上;當Gd 含量超過3wt. %時，材料厚度增加對熱中子屏蔽效率影響不大，此時材料內(nèi)Gd 的密度足夠高，幾乎完全可以屏蔽熱中子[4] 。Gd 含量過高也會帶來成本提高。隨著Gd 含量增加，材料內(nèi)部晶界處會有析出相產(chǎn)生，材料硬度增大，斷裂延伸率下降[5] 。此外，稀土吸收熱中子時產(chǎn)生的次級γ 輻射較大且能量較高，為提升γ 射線屏蔽性能，考慮在其中添加對γ 射線屏蔽效果好的重元素物質(zhì)[6] 。金屬鎢密度高于鉛，無毒，可作為γ 射線屏蔽組元使用。

2. 2 基體材料

為達到結(jié)構性能要求，屏蔽材料需要具備相應的力學性能、物理性能以及耐腐蝕性能等?；炷僚c高分子等非金屬基屏蔽材料強度較低，力學性能較差，并不適宜作為結(jié)構材料使用。相比于非金屬基屏蔽材料，金屬基材料具有強度高、耐熱性好、不易老化、穩(wěn)定性佳等優(yōu)點，更易滿足材料的力學性能要求。因此，選用金屬材料作為屏蔽材料的基體更易實現(xiàn)結(jié)構功能一體化。

1）鐵基屏蔽材料

鐵基材料力學性能優(yōu)異、耐腐蝕性能優(yōu)良、易于制造，是一種廣泛應用的結(jié)構材料。其中，含硼1%～2%的不銹鋼作為控制棒、核反應堆熱中子屏蔽材料及乏燃料存儲架投入使用多年[7] 。但硼在鋼中溶解度非常低，易產(chǎn)生脆性連續(xù)網(wǎng)狀的硼化物Fe2B，會使得材料韌性顯著降低[8] 。

針對硼及化合物屏蔽中子出現(xiàn)的問題，采用熱中子吸收截面較大的稀土元素替代硼，是目前研究的熱點。其中，Gd 的熱中子吸收截面是所有元素中最大的，具有優(yōu)良的中子屏蔽性能。國內(nèi)外已對含Gd 的316L 不銹鋼以及雙相不銹鋼展開大量研究。

2）鋁基屏蔽材料

鋁和鋁合金的密度低、比強度高、比剛度大，還具有良好的耐蝕性與耐熱性，以鋁合金為基體來制備核屏蔽用復合材料也引起了廣泛的關注。

硼鋁合金是近年來研究較多的屏蔽材料，與含硼不銹鋼類似，硼在鋁中溶解度更低，而過量硼的加入也會在晶界附近形成硼化物。Gd2O3 也是鋁基屏蔽材料常用的功能填料材料。

3）鎳基屏蔽材料

鎳基高溫合金因具有較高的強度和耐腐蝕性能，抗熱衰減性能好，強度高，抗氧化，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，近年來逐漸進入到輻射屏蔽材料領域。鎳具有原子序數(shù)大，密度大，對γ 射線質(zhì)量衰減系數(shù)大等特點。鎳基合金應用廣泛，能在惡劣環(huán)境下使用。

Gd 含量約為2wt. %的鎳基材料具有良好的熱加工性和力學性能，合金的抗拉強度在680 MPa～780 MPa，斷裂延伸率為43. 6%～51. 1%，美國核管委會已批準該類中子吸收材料在尤卡山核電項目的乏燃料水池中使用[9-10] 。

4）鈦基屏蔽材料

鈦合金具有較高的抗拉強度（441 MPa～1 470MPa），較低的密度（4. 5 g/ cm3），優(yōu)良的抗腐蝕性能，是一種理想的輕質(zhì)結(jié)構材料。近年來，世界各國都在積極研發(fā)低成本鈦合金，在降低成本的同時，提高鈦合金的性能。目前，研究人員已開發(fā)出一種硼化鎢鈦基屏蔽材料，該種材料具有較好的中子和γ 屏蔽性能也兼具優(yōu)異的力學性能[11] 。

基于以上分析，Gd 作為中子屏蔽功能填料具有極大應用前景。因此，本文選擇Gd 作為主要中子吸收元素。為確定最佳基體材料成分，將分別在鐵基、鋁基、鎳基以及鈦基中摻雜相同質(zhì)量份額為2. 5%的Gd，計算分析各復合材料的屏蔽性能。同時，本文也計算了高硼鋼的屏蔽性能，以便與含Gd 材料進行對比分析。為探究重元素物質(zhì)對屏蔽性能的影響，設定了一組鎳基摻鎢材料，采用同樣的方法對其屏蔽性能進行分析計算。表1 給出6 種材料的密度與組分含量。

3 屏蔽性能分析

輻射屏蔽材料主要是要防止α、β、γ 射線和中子，其中α、β 射線穿透能力弱，易被吸收，使用厚度極小的材料便可實現(xiàn)完全阻擋，而γ 射線以及中子能量較高，穿透能力強。因此，屏蔽材料最重要的是要考慮對中子與γ 射線的屏蔽。

考慮到不同應用場景，本文將計算分析材料對不同能量的中子、γ 射線以及（n， γ）反應產(chǎn)生的γ 射線的屏蔽效果，綜合評價材料的屏蔽性能。

3. 1 屏蔽性能計算模型

為定量化評估材料的屏蔽性能，對比各屏蔽材料的優(yōu)劣，分別選取典型能量的中子源與光子源進行計算，評估出其劑量率減弱至十分之一時需要的厚度（十分之一值層）。其中中子的能量選取具有代表性的14 MeV、Watt 譜和0. 1 MeV，光子的能量選取3 MeV、N-16 譜和0. 1 MeV。

屏蔽性能計算模型示意如圖2 所示。設定產(chǎn)生輻射的面源為合金材料前表面（入射面），合金材料的試樣尺寸設為半徑為25 cm 的圓柱，整個過程在真空條件下進行，并且假設合金材料為理想狀態(tài)，即內(nèi)部無缺陷，各組分均勻分布。

3. 2 計算結(jié)果與分析

3. 2. 1 中子屏蔽性能

圖3 為6 種材料在不同中子能量下的十分之一值層厚度（考慮次級光子）。在中子源分別為14 MeV、Watt 譜以及0. 1 MeV 時，6 種材料對不同能量中子的屏蔽效果規(guī)律一致，其優(yōu)劣排序均為：Ni-15Cr-15W-2. 5Gdgt;Ni-15Cr-2. 5Gdgt;高硼鋼gt;2. 5Gd/316Lgt;Ti-7. 5Fe-2. 5Gdgt;Gd2O3 / Al。

在鐵基、鋁基、鎳基以及鈦基4 種基體中摻入的Gd 含量相同，但4 種含釓材料的中子屏蔽性能存在較大差異。這是因為不同基體材料導致材料密度不同，在密度大的材料內(nèi)，Gd 的核子密度也會相對較大，對中子吸收作用更強。含Gd 鎳基材料 密度較高，中子屏蔽效果較好。兩種鎳基材料在不同中子能量下的十分之一值層厚度相差較小。

同為鐵基材料，高硼鋼在三種不同中子能量下的屏蔽效果均略優(yōu)于含Gd 的316L。圖4 給出釓與硼元素在不同中子能量下的中子吸收截面[12] 。從圖中可看出，當中子能量低于5×10-7MeV 時，釓的中子吸收截面比硼高約2 個數(shù)量級;當中子能量在5×10-7 ～1×10-3 MeV 時，釓的中子吸收截面開始下降但仍高于硼;當中子能量高于1×10-3 MeV 時，釓的中子吸收截面開始低于硼，但截面相差不大;當中子能量在1～10 MeV 的快中子能量區(qū)域內(nèi)，硼和釓元素中子吸收截面均明顯下降，但前者比后者高出不少。雖然Gd 對低能中子具有較高中子吸收截面，但其中起重要作用的核素主要是155Gd 與157Gd，豐度僅為30. 45%。對于高能中子，B 的中子吸收截面更大。此外，B 屬于輕元素，在一定程度上可慢化中子，促進吸收。因此，高硼鋼的中子屏蔽性能優(yōu)于Gd/316L。

當中子與屏蔽材料發(fā)生相互作用時會產(chǎn)生次級光子，含釓材料在吸收中子后也會釋放大量二次γ 射線。因此，評價材料的中子屏蔽性能應當考慮材料對次級光子的屏蔽效果。表2 列出了由次級光子劑量率引起的屏蔽厚度增量。在中子能量為0. 1 MeV 下，含釓材料因次級光子引起的屏蔽厚度增量較大，這是因為在該能量下Gd 與中子作用強產(chǎn)生較多次級光子。不同于Gd，硼元素在吸收中子后主要放出易于屏蔽的α 粒子。因此，高硼鋼總屏蔽厚度增量并不顯著。含釓鎳基材料因次級光子引起的屏蔽厚度增量在所有材料中最大。對比兩種鎳基材料，材料內(nèi)W 的存在可在一定程度上屏蔽次級光子，提升材料綜合屏蔽性能。

3. 2. 2 光子屏蔽性能

圖5 為6 種材料在不同光子能量下的十分之一值層厚度。在光子源分別為3 MeV、N-16 以及0. 1 MeV 時，6 種材料對不同能量光子的屏蔽效果規(guī)律一致， 其優(yōu)劣排序均為： Ni - 15Cr - 15W-2. 5Gdgt;Ni-15Cr-2. 5Gdgt;2. 5Gd/316Lgt;高硼鋼gt;Ti-7. 5Fe-2. 5Gdgt;Gd2O3 / Al。該排序與6 種材料密度大小變化規(guī)律相對應。

由于光子與物質(zhì)發(fā)生相互作用主要是通過光電效應、康普頓效應和電子對效應釋放能量。而三種作用方式的截面均隨著物質(zhì)原子核電荷數(shù)增大而增大，因此材料密度對其光子屏蔽性能起決定作用，高原子序數(shù)、高密度的材料是光子屏蔽防護的首選。

Ni-15Cr-15W-2. 5Gd 在6 種材料中密度最大，表現(xiàn)出最優(yōu)的光子屏蔽效果，相比于Ni-15Cr-2. 5Gd，W 的加入可進一步提升材料光子屏蔽性能，但兩種材料光子屏蔽效果差異并不顯著。按照各材料密度降低次序，各材料的光子屏蔽性能也依次下降，Ti 與Al 兩種輕質(zhì)基體，密度較低，對光子屏蔽作用相對較弱，其中Gd2O3 / Al 密度最小，僅為2. 74 g/ cm3，光子屏蔽效果最差。由此可見，基體材料的選擇會直接影響材料的光子屏蔽性能。

4 鎳基合金組合配比研究

基于第3 節(jié)的計算結(jié)果與分析，在不同基體內(nèi)摻入相同含量的Gd，鎳基合金在各能量中子與光子下屏蔽厚度最小，綜合屏蔽性能也優(yōu)于高硼鋼，表現(xiàn)出較優(yōu)的中子與光子綜合屏蔽性能。但材料屏蔽性能受其組分配比的影響，在不同摻雜比例下，屏蔽效果差異巨大。本節(jié)將以鎳基合金為研究對象開展組分配比研究。

基于上文計算結(jié)果，本節(jié)將Gd 作為重點核心屏蔽功能元素，研究其含量變化對材料中子屏蔽性能的影響規(guī)律。

4. 1 計算模型

本節(jié)僅選用裂變譜作為源項，構建簡單計算模型，如圖6 所示。圓柱半徑為25 cm，高度為50cm，屏蔽厚度設置為30 cm。中子源分布在圓柱內(nèi)，能譜設置為U-235 裂變譜。

圓柱內(nèi)為空氣，屏蔽層材料組分為Ni-Cr-Fe-Mo-Gd 合金[13] ，其中Cr-Fe-Mo 的質(zhì)量份額為40%（Cr：30wt. %，F(xiàn)e：5wt. %，Mo：5wt. %），始終保持不變。Ni-Gd 兩種組分的質(zhì)量份額為60%，在不同配比計算中Gd 含量從0 開始，以5%的間隔增量不斷提高至55%。計算目標為不同Ni-Gd含量下屏蔽層外1 cm 內(nèi)的中子劑量率。

4. 2 計算結(jié)果與分析

圖7 給出鎳基合金材料密度和中子劑量率與Gd 含量的關系曲線。與Ni 的密度（8. 908 g/ cm3）相比，Gd 的密度（7. 90 g/ cm3 ）較小，因此材料內(nèi)Gd 含量增加，密度會不斷降低。隨著Gd 含量的增加，中子劑量率呈現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢。當Gd 含量為40%時，屏蔽層外1 cm 內(nèi)的中子劑量率最低。

中子的屏蔽效果取決于慢化與吸收兩個方面，而Gd 的主要作用是吸收慢化后的熱中子，因此當Gd 含量足以吸收掉大部分熱中子后，中子屏蔽效果不會隨著其用量增加而提升，繼續(xù)增加其 含量，材料內(nèi)Ni 含量下降，屏蔽效果會因慢化材料不足而變差。與釓含量為0 的鎳基材料相比，加入不同含量的釓后中子劑量率均會減小，說明材料內(nèi)Gd 的添加會提升中子屏蔽性能。

雖然本文模擬的Gd 含量范圍較大，且在Gd摻雜量為40%時中子屏蔽性能最優(yōu)，但在實際工程應用上，除了屏蔽性能外，還需要綜合考慮制備加工工藝、力學性能、耐熱性能以及耐腐蝕等各種性能，可能在更低摻雜含量時材料便可實現(xiàn)最優(yōu)的綜合性能。

5 結(jié)論

本文建立了基于蒙特卡羅方法的復合屏蔽材料組分配比研究的理論方法與計算流程，通過對多種復合屏蔽材料進行屏蔽性能理論模擬與對比，確定出綜合屏蔽性能最優(yōu)的合金基本組分，并進一步研究了其核心屏蔽元素含量變化對其中子屏蔽性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在鐵基、鎳基、鋁基以及鈦基中摻雜相同質(zhì)量份額的Gd 時，鎳基材料的中子與光子綜合屏蔽性能最優(yōu)，且屏蔽效果也優(yōu)于高硼鋼。隨著Gd 含量的增大，鎳基材料屏蔽性能會有所提升，但存在摻雜量最佳峰值，超過該值后，其屏蔽效果會下降，但依然優(yōu)于無Gd 鎳基材料。