不同芯板层合板屏蔽性能的模拟计算

梅宗书,石成英,鲁昌兵

(火箭军工程大学 核工程系，西安710025)



不同芯板层合板屏蔽性能的模拟计算

梅宗书,石成英,鲁昌兵

(火箭军工程大学 核工程系，西安710025)

摘要：利用MCNP程序，模拟计算Fe/W/Fe、Fe/Pb/Fe和Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe 3种层合板屏蔽材料在相同强度γ源或中子源辐照后透过的粒子注量，从而比较层合板的屏蔽性能；同时，改变层合板Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe的芯板厚度，计算其对透过的粒子注量的影响。结果发现，在3种层合板各层厚度对应相同时，3种层合板屏蔽材料对中子的屏蔽性能为Fe/W/Fe>Fe/Pb/Fe>Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe， 对γ射线的屏蔽性能为Fe/W/Fe >Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe>Fe/Pb/Fe；Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe芯板材料厚度的变化对整体屏蔽性能的影响并不明显。

关键词：层合板；屏蔽性能；MCNP；粒子注量

近年来，以日本福岛核电站为代表的民用核设施事故频发，危害严重，使得辐射屏蔽材料的研究越来越成为各国关注的重点。复合屏蔽材料是近年来发展较快的一类防核辐射材料[1-2]，和传统金属屏蔽材料相比，这类材料具有密度小、价格廉的特点，且可根据不同的辐射环境改变其组分比，以达到最优的屏蔽效能。为提高屏蔽材料的综合防护性能，将多种材料通过焊接、轧压形成层合板，可兼顾良好的屏蔽性能和高结构强度性能。本文通过MCNP模拟计算[3]，对传统金属屏蔽材料与新型复合屏蔽材料的屏蔽性能进行了比较，并研究了芯板厚度对层合板整体屏蔽性能的影响，为研究综合性能好的辐射屏蔽材料提供借鉴。

1材料选择

选择钨(W)、铅(Pb)两种金属及新型复合屏蔽材料铅硼聚乙烯(Pb-B-(CH2)n)分别作为层合板的芯板材料，铁(Fe)作为层合板内外蒙皮材料。钨、铅、铁都是传统的金属屏蔽材料。其中，钨是一种高Z值的辐射屏蔽材料，对空间高能质子和电子具有良好的屏蔽效果；铅是一种常见的辐射屏蔽材料，对慢中子和γ射线均有良好的屏蔽效果[4]。铅硼聚乙烯是目前比较常用的复合屏蔽材料，其高含量的硼元素和氢元素对中子屏蔽性能较好。

为便于分析，将Fe/W/Fe、Fe/Pb/Fe和Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe 3种层合板分别记为组合1、组合2和组合3。

2模型建立

设定一定能量的中子源和γ射线源[5]，对上述3种层合板分别进行辐照，用MCNP模拟计算[6-8]屏蔽性能，计算模型如图1所示。

图1模型示意图

层合板的轴线为x轴，在x=-2.0 cm处设定一个点源，x=10 cm处为层合板的内侧所在位置，层合板半径为5.0 cm，蒙皮厚度为1.0 cm，芯板厚度为2.0 cm。探测面为与层合板平行的一个正方形面，轴线也为x轴，边长为10 cm ，厚度为1.0 cm。使用FMESH4记数卡，记录通过探测面每个小网格的粒子注量。

3屏蔽性能模拟

3.1中子源

采用SDEF通用源卡，设定中子源为单向单能点源，中子能量为14 MeV，方向沿x轴正方向。为在探测面上记录得到中子数量和能量，对FMESH4计数卡上的中子能量区间和空间网格划分进行了不同的设置，可实现两个目的：1)将能量区间数设置为1，将正方形探测面的y、z方向长度区间数设置为10，得到透射中子在探测面上不区别能量的粒子数；2)将能量范围0～2 MeV划分为16个区间，能量范围2～4.5 MeV划分为10个区间，将正方形探测面的y、z方向长度区间数设置为1，得到每个能量区间的总粒子数。

用Tecplot和Matlab处理计算结果，得到透射中子注量空间分布和中子能谱，如图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 图2中子注量及能谱Fig.2Neutron fluence and energy spectrum

由图2可知，中子穿透屏蔽材料后在探测面上的落点较为集中，3种屏蔽材料的落点分布比较一致。以穿过屏蔽材料的透射中子注量判定屏蔽性能，根据中子能谱可知，在3种层合板各层厚度对应相同时，3种层合板对中子屏蔽性能为组合1>组合3>组合2。

3.2γ源

采用单能窄束γ源，能量为2 MeV，方向沿x轴正方向，得到γ粒子注量分布及能谱如图3所示。

由图3可知，探测面中心位置处，γ粒子注量最大，被探测的光子主要为透射光子，其他大片区域γ粒子注量较小，主要为衍射γ光子以及少量轫致辐射γ光子。由能谱可知，组合1的粒子注量比组合2小1个量级，比组合3小3个量级。以穿过屏蔽材料的粒子注量判定屏蔽性能，得到在3种层合板各层厚度对应相同时，3种层合板对γ射线的屏蔽性能为组合1>组合2>组合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 图3γ粒子注量及能谱Fig.3γ particle fluence and energy spectrum

4不同芯板厚度下的屏蔽性能

为研究Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe中芯板厚度对层合板整体抗辐射性能的影响，在铅硼聚乙烯板厚度为2.0 cm的基础上，对厚度进行递减，选择1.5，1.0，0.6 cm进行屏蔽性能计算，采用图1中的计算模型，用FMESH4计数卡记录粒子注量，计算结果如图4所示。

由图4可知，γ粒子透射后主要集中在轴线与探测面的交点处。随着芯板厚度由小到大，透射粒子注量呈递减规律。为更直观地观察芯板厚度与γ粒子注量之间的关系，将探测面上的100个规则排列的网格在z轴方向进行10等分，计算每个等分区间内γ粒子注量的平均值，并对数据进行可视化处理，得到γ粒子注量柱状图如图5所示。

(a)0.6 cm

(b)1.0 cm

(c)1.5 cm

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

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

由图5可知，当铅硼聚乙烯材料的厚度由2.0 cm变为0.6 cm时，层合板整体抗γ辐射性能降低的幅度并不大，说明铅硼聚乙烯芯板在层合板抗γ辐射性能中的贡献不大，但由于其突出的密度小、价格廉特点，对层合板可有效减小整体质量、降低制造成本，因此仍然有较高的使用价值。

5结论

在Fe/W/Fe、Fe/Pb/Fe和Fe/Pb-B-(CH2)n/Fe 3种层合板板屏蔽材料中，钨芯板的中子、γ射线屏蔽性能最强。铅硼聚乙烯芯板在中子屏蔽性能方面比铅芯板要强，但对γ屏蔽性能并不强。作为层合板屏蔽材料的芯板，铅硼聚乙烯芯板厚度的变化对整体屏蔽性能的影响并不明显，在使用时无需加大厚度。

参考文献

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收稿日期：2015-10-13；修回日期：2016-03-24

作者简介：梅宗书(1991- )，男，湖北随州人，博士研究生，主要从事辐射防护技术设计及应用研究。 E-mail:9240043582@qq.com

中图分类号：TL84

文献标志码:A

文章编号：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