不同芯板層合板屏蔽性能的模擬計(jì)算

梅宗書,石成英,魯昌兵

(火箭軍工程大學(xué) 核工程系，西安710025)

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不同芯板層合板屏蔽性能的模擬計(jì)算

梅宗書,石成英,魯昌兵

(火箭軍工程大學(xué) 核工程系，西安710025)

摘要：利用MCNP程序，模擬計(jì)算Fe/W/Fe、Fe/Pb/Fe和Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe 3種層合板屏蔽材料在相同強(qiáng)度γ源或中子源輻照后透過的粒子注量，從而比較層合板的屏蔽性能；同時(shí)，改變層合板Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe的芯板厚度，計(jì)算其對透過的粒子注量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在3種層合板各層厚度對應(yīng)相同時(shí)，3種層合板屏蔽材料對中子的屏蔽性能為Fe/W/Fe>Fe/Pb/Fe>Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe， 對γ射線的屏蔽性能為Fe/W/Fe >Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe>Fe/Pb/Fe；Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe芯板材料厚度的變化對整體屏蔽性能的影響并不明顯。

關(guān)鍵詞：層合板；屏蔽性能；MCNP；粒子注量

近年來，以日本福島核電站為代表的民用核設(shè)施事故頻發(fā)，危害嚴(yán)重，使得輻射屏蔽材料的研究越來越成為各國關(guān)注的重點(diǎn)。復(fù)合屏蔽材料是近年來發(fā)展較快的一類防核輻射材料[1-2]，和傳統(tǒng)金屬屏蔽材料相比，這類材料具有密度小、價(jià)格廉的特點(diǎn)，且可根據(jù)不同的輻射環(huán)境改變其組分比，以達(dá)到最優(yōu)的屏蔽效能。為提高屏蔽材料的綜合防護(hù)性能，將多種材料通過焊接、軋壓形成層合板，可兼顧良好的屏蔽性能和高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能。本文通過MCNP模擬計(jì)算[3]，對傳統(tǒng)金屬屏蔽材料與新型復(fù)合屏蔽材料的屏蔽性能進(jìn)行了比較，并研究了芯板厚度對層合板整體屏蔽性能的影響，為研究綜合性能好的輻射屏蔽材料提供借鑒。

1材料選擇

選擇鎢(W)、鉛(Pb)兩種金屬及新型復(fù)合屏蔽材料鉛硼聚乙烯(Pb-B-(CH2)n)分別作為層合板的芯板材料，鐵(Fe)作為層合板內(nèi)外蒙皮材料。鎢、鉛、鐵都是傳統(tǒng)的金屬屏蔽材料。其中，鎢是一種高Z值的輻射屏蔽材料，對空間高能質(zhì)子和電子具有良好的屏蔽效果；鉛是一種常見的輻射屏蔽材料，對慢中子和γ射線均有良好的屏蔽效果[4]。鉛硼聚乙烯是目前比較常用的復(fù)合屏蔽材料，其高含量的硼元素和氫元素對中子屏蔽性能較好。

為便于分析，將Fe/W/Fe、Fe/Pb/Fe和Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe 3種層合板分別記為組合1、組合2和組合3。

2模型建立

設(shè)定一定能量的中子源和γ射線源[5]，對上述3種層合板分別進(jìn)行輻照，用MCNP模擬計(jì)算[6-8]屏蔽性能，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1模型示意圖

層合板的軸線為x軸，在x=-2.0 cm處設(shè)定一個(gè)點(diǎn)源，x=10 cm處為層合板的內(nèi)側(cè)所在位置，層合板半徑為5.0 cm，蒙皮厚度為1.0 cm，芯板厚度為2.0 cm。探測面為與層合板平行的一個(gè)正方形面，軸線也為x軸，邊長為10 cm ，厚度為1.0 cm。使用FMESH4記數(shù)卡，記錄通過探測面每個(gè)小網(wǎng)格的粒子注量。

3屏蔽性能模擬

3.1中子源

采用SDEF通用源卡，設(shè)定中子源為單向單能點(diǎn)源，中子能量為14 MeV，方向沿x軸正方向。為在探測面上記錄得到中子數(shù)量和能量，對FMESH4計(jì)數(shù)卡上的中子能量區(qū)間和空間網(wǎng)格劃分進(jìn)行了不同的設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：1)將能量區(qū)間數(shù)設(shè)置為1，將正方形探測面的y、z方向長度區(qū)間數(shù)設(shè)置為10，得到透射中子在探測面上不區(qū)別能量的粒子數(shù)；2)將能量范圍0～2 MeV劃分為16個(gè)區(qū)間，能量范圍2～4.5 MeV劃分為10個(gè)區(qū)間，將正方形探測面的y、z方向長度區(qū)間數(shù)設(shè)置為1，得到每個(gè)能量區(qū)間的總粒子數(shù)。

用Tecplot和Matlab處理計(jì)算結(jié)果，得到透射中子注量空間分布和中子能譜，如圖2所示。

(a)Planar distribution of neutron fluence of Fe/W/Fe

(b)Neutron energy spectrum of Fe/W/Fe

(c)Planar distribution of neutron fluence of Fe/Pb/Fe

(d)Neutron energy spectrum of Fe/Pb/Fe

(e)Planar distribution of neutron fluence of Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe

(f)Neutron energy spectrum of Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe 圖2中子注量及能譜Fig.2Neutron fluence and energy spectrum

由圖2可知，中子穿透屏蔽材料后在探測面上的落點(diǎn)較為集中，3種屏蔽材料的落點(diǎn)分布比較一致。以穿過屏蔽材料的透射中子注量判定屏蔽性能，根據(jù)中子能譜可知，在3種層合板各層厚度對應(yīng)相同時(shí)，3種層合板對中子屏蔽性能為組合1>組合3>組合2。

3.2γ源

采用單能窄束γ源，能量為2 MeV，方向沿x軸正方向，得到γ粒子注量分布及能譜如圖3所示。

由圖3可知，探測面中心位置處，γ粒子注量最大，被探測的光子主要為透射光子，其他大片區(qū)域γ粒子注量較小，主要為衍射γ光子以及少量軔致輻射γ光子。由能譜可知，組合1的粒子注量比組合2小1個(gè)量級(jí)，比組合3小3個(gè)量級(jí)。以穿過屏蔽材料的粒子注量判定屏蔽性能，得到在3種層合板各層厚度對應(yīng)相同時(shí)，3種層合板對γ射線的屏蔽性能為組合1>組合2>組合3。

(b)γ energy spectrum of Fe/W/Fe

(c)Planar distribution of γ particle fluence of Fe/Pb/Fe

(d)γ energy spectrum of Fe/Pb/Fe

(e)Planar distribution of γ particle fluence of Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe

(f)γ energy spectrum of Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe 圖3γ粒子注量及能譜Fig.3γ particle fluence and energy spectrum

4不同芯板厚度下的屏蔽性能

為研究Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe中芯板厚度對層合板整體抗輻射性能的影響，在鉛硼聚乙烯板厚度為2.0 cm的基礎(chǔ)上，對厚度進(jìn)行遞減，選擇1.5，1.0，0.6 cm進(jìn)行屏蔽性能計(jì)算，采用圖1中的計(jì)算模型，用FMESH4計(jì)數(shù)卡記錄粒子注量，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，γ粒子透射后主要集中在軸線與探測面的交點(diǎn)處。隨著芯板厚度由小到大，透射粒子注量呈遞減規(guī)律。為更直觀地觀察芯板厚度與γ粒子注量之間的關(guān)系，將探測面上的100個(gè)規(guī)則排列的網(wǎng)格在z軸方向進(jìn)行10等分，計(jì)算每個(gè)等分區(qū)間內(nèi)γ粒子注量的平均值，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，得到γ粒子注量柱狀圖如圖5所示。

(a)0.6 cm

(b)1.0 cm

(c)1.5 cm

(d)2.0 cm 圖4不同芯板厚度下的γ粒子注量Fig.4γ particle fluence at different thickness of core board

圖5不同芯板厚度下的γ粒子注量柱狀圖Fig.5Histogram of γ particle fluence at different thickness of core board

由圖5可知，當(dāng)鉛硼聚乙烯材料的厚度由2.0 cm變?yōu)?.6 cm時(shí)，層合板整體抗γ輻射性能降低的幅度并不大，說明鉛硼聚乙烯芯板在層合板抗γ輻射性能中的貢獻(xiàn)不大，但由于其突出的密度小、價(jià)格廉特點(diǎn)，對層合板可有效減小整體質(zhì)量、降低制造成本，因此仍然有較高的使用價(jià)值。

5結(jié)論

在Fe/W/Fe、Fe/Pb/Fe和Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe 3種層合板板屏蔽材料中，鎢芯板的中子、γ射線屏蔽性能最強(qiáng)。鉛硼聚乙烯芯板在中子屏蔽性能方面比鉛芯板要強(qiáng)，但對γ屏蔽性能并不強(qiáng)。作為層合板屏蔽材料的芯板，鉛硼聚乙烯芯板厚度的變化對整體屏蔽性能的影響并不明顯，在使用時(shí)無需加大厚度。

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收稿日期：2015-10-13；修回日期：2016-03-24

作者簡介：梅宗書(1991- )，男，湖北隨州人，博士研究生，主要從事輻射防護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究。 E-mail:9240043582@qq.com

中圖分類號(hào)：TL84

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：2095-6223(2016)020701(6)

Simulation Calculation for Shielding Performance of the Laminated Plates with Different Core Boards

MEI Zong-shu,SHI Cheng-ying,LU Chang-bing

(Department of Nuclear Engineering, Rocket Force University of Engineering,Xi’an710025,China)

Abstract：In order to study the shielding performance of the laminated plates with different core boards irradiated by the same strength of γ or neutron, the particle fluences of the three types of laminates which are Fe/W/Fe, Fe/Pb/Fe, and Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe have been calculated. Taking Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe as an example, the particle fluence is calculated when the thickness of the core board declines. The results indicate that, for the same thickness, the neutron shielding performances of the three laminates are Fe/W/Fe>Fe/Pb/Fe>Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe, while γ shielding performances of the three laminates are Fe/W/Fe >Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe>Fe/Pb/Fe. Also, when the thickness of the Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe core board decreases, its overall shielding effect does not change significantly.

Key words：laminated plates；shielding performance；MCNP；particle fluence