核电用压电加速度传感器的抗辐照屏蔽设计

钱俊江，袁宇鹏，陈清华，周 睿，张 萍，张祖伟，母江东

(1.中电科技集团重庆声光电有限公司，重庆 401332；2.中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060；3.军委装备发展部军事代表局驻重庆地区军事代表室,重庆 400060；4.防化军代局驻重庆地区防化军代室，重庆 400060；5.云南无线电有限公司，云南 昆明 650223)

0 引言

压电加速度传感器作为一种常见的振动测量关键器件在核电站、航空航天、核医学等领域有着重要的应用[1]。压电加速度传感器在核电中主要用于核电站松动部件监测及振动部件监测系统[2]，监测核电站主设备及相关振动部件的工作状态，出现异常时报警提醒，对反应堆的安全运行有重要的保障作用。然而加速度传感器常服役于强核辐射与高温的环境下，其宏观性能如压电性能、介电性能等参数会逐渐发生变化，这个性能的退化源自于材料在辐射和热的协同作用下，致使材料内部的原子核和核外电子发生相互作用而导致材料在微观层面发生损伤，微观损伤经过分子尺度、介观尺度的多尺度演化，最终导致材料在宏观层面上的性能变化，并可能造成传感器测量性能变化或失效，这会给反应堆的安全运行带来隐患。这个过程可分为：

1) 辐射对电子元器件及系统的影响，即辐照效应。

2) 辐射如何对电子元器件及系统产生影响，即损伤机制。

3) 电子元器件及系统如何对抗辐射的影响，及抗辐射加固技术。

这3部分紧密相连，在早期的研究中以辐照效应为主，逐渐向辐照损伤机制转移，目前是以抗辐射加固技术为主。屏蔽防护是抗辐照加固中的一种有效的技术手段，通过添加屏蔽体使射线的强度降低，进而使传感器材料受到辐照产生的吸收剂量降低[3]。本文主要采用蒙特卡洛法对服役于反应堆中的压电加速度传感器的屏蔽抗辐照加固研究[4]。

1 屏蔽模型及屏蔽优化计算介绍

反应堆主要是释放中子和γ射线。快中子主要采用重金属元素通过非弹散射的方式进行屏蔽，慢化后的中能中子主要采用轻元素来进一步慢化。而γ射线主要采用重金属材料来进行屏蔽[5]。

1.1 屏蔽机理分析

σt=σs+σs′+σγ+σf……

(1)

式中：σs为弹性散射截面；σs′为非弹性散射截面；σγ为辐射俘获截面；σf为裂变截面。

中子与原子核的反应截面σ称为微观截面，σ×N(N为靶材料单位体积内原子核数)为宏观截面，即

∑=Nσ

(2)

一个多层结构材料的宏观截面为

(3)

式中：Sk为第k层材料的面积；lk为第k层材料的厚度；σk为第k层材料的微观截面；NA为阿伏伽德罗常数。

如果组成某层屏蔽体的材料是复合材料，那么这一块屏蔽体的宏观截面可为

(4)

式中：mi为第i种材料组分的质量；Mi为第i种材料组分的分子量；zi为 第i种材料质量比；σi为 第i种材料总的微观截面。

图1～4分别为铅(Pb)材料、聚乙烯(PE)材料和碳化硼(B4C)材料的宏观截面计算结果。

图1 3种材料非弹性散射截面

图2 3种材料弹性散射截面

图3 3种材料总的作用中子作用截面

图4 3种材料γ射线作用截面

根据图1～4所示结果，拟采用Pb-含硼聚乙烯-Pb的结构组合进行屏蔽布置。第一层Pb通过非弹性散射来慢化中子，然后含硼聚乙烯进一步慢化和吸收中子，在这个过程中会产生γ射线，最后布置一层Pb材料来屏蔽γ射线。

1.2 模型介绍

图5为传感器屏蔽抗辐照加固示意图，传感器外面由屏蔽材料包覆。本文主要采用两种方式来屏蔽：

1) 正面体由3层材料组成，从前到后分别是Pb-PE-Pb，这种方式排布合理，以含氢元素为夹心的材料能有很好的屏蔽效果，同时材料简单,造价便宜，但PE耐温性能和抗辐照性能相对较差，Pb材料有毒。

2) 由单层复合材料组成，复合材料由Fe+W+ B4C组成，这种组合具有很好的耐温性能和抗辐照性能，但是材料的造价较高，屏蔽效果因缺少H元素会弱于第1)种。放射源采用裂变谱，同时考虑到16N产生的6.13 MeV和7.14 MeV高能γ射线，对于腐蚀活化源项产生的中子和γ射线暂时未加考虑。

图5 传感器屏蔽抗辐照加固示意图

在对屏蔽进行设计过程中，采用MCNP软件进行，分别模拟了几种屏蔽体情况下的快中子屏蔽效果、热中子屏蔽效果、γ射线屏蔽效果和总的射线屏蔽效果。屏蔽效果分别通过传感器位置的射线强度和吸收剂量来表示。

1.3 Geant4对MCNP软件进行校验

在对各种材料组合的屏蔽效果进行MCNP软件模拟计算前，要对软件的准确性进行校验，以确定所计算结果的准确性。本研究采用Geant4软件[7]对MCNP软件进行校验，保证MCNP与Geant4所选择的源信息，屏蔽材料模型，探测器信息及源、材料、探测器的间距保持一致。

表1为Geant4对MCNP的计算结果，所计算的厚度t分别为10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm，所计算的结果为单次裂变中子和γ射线的总剂量当量值。Geant4与MCNP的计算结果偏差在10%以内，两种软件的计算吻合较好。

表1 Geant4 对MCNP校验结果对比

2 计算结果和分析

屏蔽计算采用图5所示的模型，计算采用MCNP软件，分别对Pb-PE-Pb多层组合和60%Fe(质量分数)+30%W(质量分数)+10%B4C(质量分数)复合材料两种屏蔽方式进行计算。

1) Pb-PE-Pb多层屏蔽计算结果。采用总厚度为30 cm时3种Pb和含硼聚乙烯组合方式进行计算，即组合1为Pb(15 cm)+ PE(10 cm)+ Pb (5 cm)，组合2为Pb(10 cm)+ PE(15 cm)+ Pb(5 cm)，组合3为Pb(5 cm)+PE(20 cm)+Pb(5 cm)。图6～8分别为3种组合屏蔽后传感器内中子能谱、次级γ射线能谱及初级γ射线能谱图。

图6 3种组合屏蔽后传感器内中子能谱

图7 3种组合屏蔽后传感器内次级γ射线能谱

图8 3种组合屏蔽后传感器内初级γ射线能谱

由图6～8可知，含硼聚乙烯厚度增加，中子屏蔽效果较好，但是初级γ射线的屏蔽效果下降，所以厚度组合有一个较优的组合值。由表2可知，组合2(Pb(10 cm)+ PE(15 cm)+ Pb(5 cm))的屏蔽效果优于其他两组，其他两组含硼聚乙烯厚度分别厚于或薄于聚乙烯材料。

表2 3种组合的屏蔽效果

后续采用Pb(10 cm)+ PE(15 cm)+ Pb(5 cm)这一组合方式，按照这样的材料厚度比例进行不同总厚度的材料吸收剂量计算，计算结果如图9所示。

图9 单次裂变后传感器内吸收剂量值

图9为单次裂变后传感器内吸收剂量值，10 cm的屏蔽材料大约将吸收剂量降1个数量级，50 cm的屏蔽材料可使传感器内的吸收剂量降约3.5个数量级，从5×10-14Sv降到1×10-18Sv。

2) Fe+W+B4C复合材料计算结果。图10为单次裂变产生的中子和γ射线穿过不同厚度屏蔽体的屏蔽效果。

图10 不同厚度材料的屏蔽效果

图11为单次裂变产生的中子和γ射线穿过不同质量厚度屏蔽体的屏蔽效果。图11中材料质量是由图10中材料厚度乘以材料的密度。

图11 不同材料质量情况下的屏蔽效果

由图10可知，在屏蔽裂变的情况下，Fe+W+B4C的组合好于纯铁，但其密度较大，因此做了图11中不同材料质量情况下的两种材料屏蔽效果对比。由图11可知，约600 kg的纯铁和约360 kg的Fe+W+B4C的组合屏蔽效果相当。在同等屏蔽效果情况下，Fe+W+B4C相对于纯铁可减重40%左右。

当服役时间相对较短、屏蔽体受到辐射剂量不强、服役温度小于PE的服役温度时，可以考虑采用Pb(10 cm)+ PE(15 cm)+ Pb(5 cm)的组合方式。当屏蔽体受到的辐射剂量很强、服役温度很高时，可以考虑采用60%Fe+30%W+10%B4C(质量分数)复合材料。

3 结束语

核电站、航空航天、核医学等领域中常见使用压电加速度传感器进行振动测量，但环境中核辐射与高温应力，会导致传感器产生压电性能、介电性能等参数的变化。因此，本文根据服役温度、抗辐照性能、造价、屏蔽效果等因素，提出了铅-聚乙烯-铅多层组合屏蔽体和铁+钨+碳化硼组成的复合材料两种屏蔽体组合方式，采用MCNP软件进行仿真计算，并形成了服役时的屏蔽体形式的组合建议。