核電用壓電加速度傳感器的抗輻照屏蔽設計

錢俊江，袁宇鵬，陳清華，周 睿，張 萍，張祖偉，母江東

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

0 引言

壓電加速度傳感器作為一種常見的振動測量關鍵器件在核電站、航空航天、核醫學等領域有著重要的應用[1]。壓電加速度傳感器在核電中主要用于核電站松動部件監測及振動部件監測系統[2]，監測核電站主設備及相關振動部件的工作狀態，出現異常時報警提醒，對反應堆的安全運行有重要的保障作用。然而加速度傳感器常服役于強核輻射與高溫的環境下，其宏觀性能如壓電性能、介電性能等參數會逐漸發生變化，這個性能的退化源自于材料在輻射和熱的協同作用下，致使材料內部的原子核和核外電子發生相互作用而導致材料在微觀層面發生損傷，微觀損傷經過分子尺度、介觀尺度的多尺度演化，最終導致材料在宏觀層面上的性能變化，并可能造成傳感器測量性能變化或失效，這會給反應堆的安全運行帶來隱患。這個過程可分為：

1) 輻射對電子元器件及系統的影響，即輻照效應。

2) 輻射如何對電子元器件及系統產生影響，即損傷機制。

3) 電子元器件及系統如何對抗輻射的影響，及抗輻射加固技術。

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

1 屏蔽模型及屏蔽優化計算介紹

反應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非彈散射的方式進行屏蔽，慢化后的中能中子主要采用輕元素來進一步慢化。而γ射線主要采用重金屬材料來進行屏蔽[5]。

1.1 屏蔽機理分析

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截面σ稱為微觀截面，σ×N(N為靶材料單位體積內原子核數)為宏觀截面，即

∑=Nσ

(2)

一個多層結構材料的宏觀截面為

(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。

如果組成某層屏蔽體的材料是復合材料，那么這一塊屏蔽體的宏觀截面可為

(4)

式中：mi為第i種材料組分的質量；Mi為第i種材料組分的分子量；zi為 第i種材料質量比；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)材料的宏觀截面計算結果。

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

根據圖1～4所示結果，擬采用Pb-含硼聚乙烯-Pb的結構組合進行屏蔽布置。第一層Pb通過非彈性散射來慢化中子，然后含硼聚乙烯進一步慢化和吸收中子，在這個過程中會產生γ射線，最后布置一層Pb材料來屏蔽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，同時材料簡單,造價便宜，但PE耐溫性能和抗輻照性能相對較差，Pb材料有毒。

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

圖5 傳感器屏蔽抗輻照加固示意圖

在對屏蔽進行設計過程中，采用MCNP軟件進行，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。屏蔽效果分別通過傳感器位置的射線強度和吸收劑量來表示。

1.3 Geant4對MCNP軟件進行校驗

在對各種材料組合的屏蔽效果進行MCNP軟件模擬計算前，要對軟件的準確性進行校驗，以確定所計算結果的準確性。本研究采用Geant4軟件[7]對MCNP軟件進行校驗，保證MCNP與Geant4所選擇的源信息，屏蔽材料模型，探測器信息及源、材料、探測器的間距保持一致。

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

表1 Geant4 對MCNP校驗結果對比

2 計算結果和分析

屏蔽計算采用圖5所示的模型，計算采用MCNP軟件，分別對Pb-PE-Pb多層組合和60%Fe(質量分數)+30%W(質量分數)+10%B4C(質量分數)復合材料兩種屏蔽方式進行計算。

1) Pb-PE-Pb多層屏蔽計算結果。采用總厚度為30 cm時3種Pb和含硼聚乙烯組合方式進行計算，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中子能譜、次級γ射線能譜及初級γ射線能譜圖。

圖6 3種組合屏蔽后傳感器內中子能譜

圖7 3種組合屏蔽后傳感器內次級γ射線能譜

圖8 3種組合屏蔽后傳感器內初級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γ射線的屏蔽效果下降，所以厚度組合有一個較優的組合值。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行不同總厚度的材料吸收劑量計算，計算結果如圖9所示。

圖9 單次裂變后傳感器內吸收劑量值

圖9為單次裂變后傳感器內吸收劑量值，10 cm的屏蔽材料大約將吸收劑量降1個數量級，50 cm的屏蔽材料可使傳感器內的吸收劑量降約3.5個數量級，從5×10-14Sv降到1×10-18Sv。

2) Fe+W+B4C復合材料計算結果。圖10為單次裂變產生的中子和γ射線穿過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為單次裂變產生的中子和γ射線穿過不同質量厚度屏蔽體的屏蔽效果。圖11中材料質量是由圖10中材料厚度乘以材料的密度。

圖11 不同材料質量情況下的屏蔽效果

由圖10可知，在屏蔽裂變的情況下，Fe+W+B4C的組合好于純鐵，但其密度較大，因此做了圖11中不同材料質量情況下的兩種材料屏蔽效果對比。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。在同等屏蔽效果情況下，Fe+W+B4C相對于純鐵可減重40%左右。

當服役時間相對較短、屏蔽體受到輻射劑量不強、服役溫度小于PE的服役溫度時，可以考慮采用Pb(10 cm)+ PE(15 cm)+ Pb(5 cm)的組合方式。當屏蔽體受到的輻射劑量很強、服役溫度很高時，可以考慮采用60%Fe+30%W+10%B4C(質量分數)復合材料。

3 結束語

核電站、航空航天、核醫學等領域中常見使用壓電加速度傳感器進行振動測量，但環境中核輻射與高溫應力，會導致傳感器產生壓電性能、介電性能等參數的變化。因此，本文根據服役溫度、抗輻照性能、造價、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+碳化硼組成的復合材料兩種屏蔽體組合方式，采用MCNP軟件進行仿真計算，并形成了服役時的屏蔽體形式的組合建議。