不同材料對中子射線的屏蔽效果研究

朱奇健

(福建省輻射環境監督站,福建 福州 350013)

0 引言

隨著核科學技術應用的發展,中子在活化分析、照相技術、輻射育種、測井等方面得到了廣泛應用[1-3],因此,對中子的防護顯得十分重要和迫切。從中子的屏蔽角度而言,中子與物質相互作用可以分為兩個過程,首先是快中子與物質發生相互作用,快中子速度降低至熱中子,然后是熱中子被物質俘獲,從而完成對中子的屏蔽[4-5]。在快中子到熱中子的作用過程,以及熱中子被俘獲吸收的過程均會產生次級γ射線。因此,在對中子的防護過程中還需考慮對次級γ輻射的防護。

按照中子的產生方式,常見的中子源可以分為反應堆中子源、加速器中子源、同位素中子源以及等離子體中子源四類[6-7]。考慮到中子能譜的展寬、中子產額,以及產生中子的可控程度等因素,目前科研及實際工作中最常用的是加速器中子源。氘氚(D-T)和氘氘(D-D)聚變反應中子發生器是重要的加速器中子源,可廣泛應用于核數據測量、核聚變堆基礎研究等方面[8-9]。

從中子屏蔽角度出發,中子與屏蔽體發生相互作用主要是非彈性散射和彈性散射。非彈性散射過程的發生具有閾能,而一般規律是原子核越重,第一激發態能級越低。因此,快中子更易與中等質量數以上的原子核發生非彈性散射損失能量。當中子能量降低到小于非彈性散射閾能時就靠彈性散射來降低能量;在彈性散射過程中,與中子相碰撞的原子核越輕,中子轉移給反沖核的能量就越多。因此,中子與氫核發生彈性散射時轉移給氫核的能量最多,氫是最好的中子慢化材料。

綜上,對于能量在若干MeV以上的快中子的防護,屏蔽體中必須含有一定數量的中等原子序數的元素用來將快中子快速降低至熱中子,同時還必須含有一定數量的輕元素對熱中子進行吸收。根據以上需求,并結合經濟適用性,常見的用于中子屏蔽的材料有混凝土、聚乙烯、石蠟、水[10-11]。本文主要利用以上四種屏蔽材料對D-D中子發生器產生的2.5MeV的中子射線進行屏蔽計算。通過對穿過一定厚度屏蔽層的中子能譜及γ能譜進行模擬分析,評價四種常用材料對中子的屏蔽效果。

1 仿真建模

本文基于蒙特卡洛方法,采用MNCP軟件進行建模計算。圖1給出了計算中采用的模型,主要包括源項、屏蔽材料、探測器三部分。源項采用常用的D-D中子發生器,產生的中子平均能量為2.5MeV,通量為1×109n/s。屏蔽材料垂直于源項入射方向放置,距離源項50mm,材料為方形板狀結構,厚度為50mm,初始尺寸為100mm×100mm×50mm。探測器與屏蔽材料平行放置,置于屏蔽材料后10mm的位置處,尺寸為50mm×50mm×10mm。

圖1 仿真建模

仿真建模過程中采用的四種屏蔽材料化學組成或元素組成如表1所示。其中,石蠟、聚乙烯和水給出了完整的分子式,混凝土材料給出了組成元素成分及各元素質量占比。

表1 屏蔽材料的化學組成或元素組成

2 模擬結果及分析

2.1 中子能譜模擬

根據建立的仿真模型,對混凝土、聚乙烯、石蠟和水四種常用的中子屏蔽材料進行計算。圖2～圖5分別為入射中子能量為2.5MeV時,穿過50mm厚不同屏蔽材料后的中子能譜。

由圖2可知,2.5MeV中子經過混凝土屏蔽層后,在2.5MeV附近形成了一個很高的峰,中子通量達到2×107n/s量級,在低于2.5MeV的能量段內未形成其他峰。

圖2 經過混凝土屏蔽后的中子能譜

由圖3可知,2.5MeV中子射線經過聚乙烯屏蔽層后,出射中子能譜在2.5MeV附近達到峰值,中子通量由入射的1×109n/s減弱到了1×107n/s;在0.025MeV附近也出現了一個較弱的峰,中子通量達到106n/s;低于2.5MeV的其余能量范圍內,中子通量基本保持在104～105n/s。

圖3 經過聚乙烯屏蔽后的中子能譜

由圖4可知,2.5MeV中子射線經過石蠟屏蔽層后,出射中子能譜與穿過相同厚度聚乙烯屏蔽層的中子能譜幾乎完全一致,也是在2.5MeV附近達到峰值,在0.025MeV附近也出現了一個較弱的峰;低于2.5MeV的其余能量范圍內,中子通量基本保持在很低的水平。

圖4 經過石蠟屏蔽后的中子能譜

由圖5可知,2.5MeV中子射線經過水屏蔽層后,出射中子能譜與穿過相同厚度聚乙烯、石蠟屏蔽層的中子能譜大致保持一致。在2.5MeV附近形成的峰要稍高于聚乙烯和石蠟的出射中子峰,而在0.025MeV附近形成的熱中子峰要稍低于聚乙烯和石蠟的熱中子峰。這可能是聚乙烯和石蠟的組成成分均只有C和H,而水的組成成分中有O元素的存在,導致出射中子譜的不同。但水和聚乙烯、石蠟對2.5MeV中子的屏蔽效果沒有太大區別,出射中子譜分布保持高度一致。以上結果說明,聚乙烯、石蠟和水這三種材料對熱中子的屏蔽效果欠佳,實際應用中可在屏蔽材料中增加適量的10B或6Li等熱中子吸收截面較大的核素[12]。

圖5 經過水屏蔽后的中子能譜

對比圖2～圖5可以看出,聚乙烯、石蠟和水對中子的屏蔽效果大致一樣,而混凝土對中子的屏蔽效果與其他三種材料差別較大。與聚乙烯、石蠟和水相同的是,中子經過混凝土屏蔽層后,在2.5MeV附近也形成了一個很高的峰,中子通量達到2×107n/s,但該峰值是其他三種材料出射中子峰值的2倍,說明混凝土對中子的屏蔽效果不及其他三種材料。與聚乙烯、石蠟和水不同的是,中子經過混凝土屏蔽層后,在低能部分熱中子段(0.025MeV左右)并未形成峰。這可能是由于50mm的混凝土材料對熱中子起到了很好的屏蔽作用,在0.025MeV左右未形成熱中子峰,而50mm厚的混凝土對快中子的屏蔽效果不及相同厚度的其他三種材料,導致了更多初始能量為2.5MeV的中子穿過屏蔽層。

2.2 γ能譜模擬

對2.5MeV中子經過四種屏蔽材料后的γ能譜進行了仿真模擬,結果如圖6所示。

圖6 經過混凝土、聚乙烯、石蠟、水四種

由圖6可知,經過聚乙烯、石蠟、水這三種屏蔽材料后,中子與屏蔽材料相互作用產生的γ射線在2.23MeV左右形成一個很高的峰,其他能量的γ光子占比很少。而混凝土材料的情況與其他三種材料不同,在2.23MeV附近并未形成γ峰,而是在1.8MeV附近及0.8～1.2MeV能量段內形成多個峰。以上結果說明混凝土材料對較高能量的γ射線有很好的屏蔽作用,將中子與混凝土相互作用產生的γ射線能量從2.23MeV左右降低到了2MeV以下,從而導致在1.8MeV附近及0.8～1.2MeV能量段內形成多個γ峰。

以上結果也說明,石蠟、聚乙烯、水這三種材料單獨使用進行中子屏蔽會產生γ輻射危害,在實際的中子源項屏蔽作業必須考慮對次級γ射線的屏蔽。而混凝土雖然在屏蔽中子方面性能不及這三種材料,但在屏蔽次級γ射線方面的能力是優于這三種材料的。因此,在實際屏蔽設計中,可以考慮將混凝土與這三種材料中的一種進行組合,形成組合屏蔽材料,既能滿足對中子的有效屏蔽,又能兼顧對次級γ射線的屏蔽。

2.3 多種屏蔽材料組合仿真模擬

通過以上模擬結果分析可知,聚乙烯、石蠟和水三種材料對中子的屏蔽效果基本一致。因此,本文從三種材料中選取了聚乙烯,將聚乙烯和混凝土組合形成新的中子屏蔽材料。

為方便對比,本文控制組合材料總厚度為50mm,改變聚乙烯和混凝土二者的厚度來模擬其出射中子能譜和γ能譜。由于中子經過聚乙烯、石蠟和水這些相對較輕的材料后會形成較強的次級γ射線,而混凝土材料對γ射線的屏蔽效果較佳。因此,選擇將聚乙烯置于中子源一側,混凝土置于探測器一側,使中子先穿過較輕屏蔽材料后再得到較重的混凝土的屏蔽。出射中子能譜及次級γ射線能譜的具體結果見圖7、圖8。

由圖7可知,在低于2.5MeV的中子能量范圍內,隨著聚乙烯厚度的增加,出射中子計數率也在逐步增加,在0.025MeV左右,聚乙烯厚度越厚,出射中子計數率增加幅度越大;在2.5MeV的能量下,隨著聚乙烯厚度增加,出射中子計數率逐步降低。以上結果說明,聚乙烯材料對中子的屏蔽效果要優于混凝土。

圖7 不同厚度組合材料下的中子能譜

由圖8可知,隨著混凝土厚度的增加,在2.23MeV的能量處形成的γ峰會逐漸降低。而在低于2.23MeV的能量下,隨著聚乙烯厚度的增加,其余的峰會逐漸降低。以上結果說明,聚乙烯能降低相對較低能量的γ射線占比,混凝土能降低較高能量的γ射線占比。因此,組合采用聚乙烯和混凝土兩種屏蔽材料可以大幅降低次級γ射線的影響。

圖8 不同厚度組合材料下的γ能譜

以上模擬結果表明,聚乙烯一類的輕質中子屏蔽材料對中子主束的屏蔽效果優于混凝土,而對與中子相互作用后形成的次級γ射線的屏蔽效果不及混凝土,二者組合使用可以有效屏蔽中子和γ射線對環境及人類的危害。

3 結論

本文基于蒙特卡洛方法,采用MCNP仿真軟件,利用2.5MeV的D-D中子源對聚乙烯、石蠟、水、混凝土四種常用中子屏蔽材料的屏蔽性能進行了建模計算,通過對模擬計算結果的分析,得到以下結論:

①聚乙烯、水和石蠟因其密度接近,化學組成成分相近,對2.5MeV中子的屏蔽效果基本一致。聚乙烯和石蠟的組成元素中均只含有C和H,而水中除C和H外還含有O元素,導致屏蔽后的出射中子能譜略有差異。

②混凝土因其化學組成中含有較多的重元素,因此,對2.5MeV中子的屏蔽效果與聚乙烯、水和石蠟不同。出射中子能譜中的熱中子占比相對其他三種材料較低,次級γ能譜顯示混凝土對γ射線的屏蔽效果要優于其他三種材料。這是因為混凝土中的重元素對次級γ射線起到了充分的屏蔽作用。

③在實際中子源項的屏蔽設計中,考慮混凝土和聚乙烯、水、石蠟中的一種或幾種進行組合,可以有效屏蔽熱中子及快中子成分。同時,可以很好地對次級γ射線進行屏蔽,減少中子和γ射線對環境及人類的危害。

④使用聚乙烯、水和石蠟對中子源項進行屏蔽時,考慮在材料中加入適量的10B、6Li等熱中子吸收截面較大的核素,以實現對熱中子的有效屏蔽。