热压微晶碳化硼材料中子屏蔽性能仿真

马丹丹，秦湘阁

(1.佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007；2.佳木斯大学材料科学与工程学院，黑龙江 佳木斯 154007)

1 引言

随着太空领域技术以及核电技术的飞速发展和广泛应用，针对中子等射线的屏蔽材料，在制备过程中人们对其性能提出了更高的要求[1]。在中子屏蔽性能方面，含Li元素的氟化锂LiF、氢氧化锂LiOH、溴化锂LiBr以及含B元素的碳化硼B4C、硼酸H3BO3、氧化硼B2O3等都属于慢中子吸收物质，其中屏蔽性能较好的是碳化硼H3BO3的中子[2]。将碳化硼H3BO3引入铝基复合材料(B4C/Al)的制备过程中，可以提高材料的导电性能、降低材料的质量、提高导热性能、降低热膨胀系数、提高热稳定性能，同时可以优化中子的屏蔽性能[3]。在燃料运输容器、乏燃料水池等方面铝基复合材料以板的形式得到了广泛的应用。在上述背景下对热压微晶碳化硼材料中子的屏蔽性能进行分析具有重要意义，提出热压微晶碳化硼材料中子屏蔽性能仿真方法。

2 实验材料制备

制备热压微晶碳化硼材料所用的主要原料如表1所示。

表1 主要原料

热压微晶碳化硼材料中子屏蔽性能仿真方法制备热压微晶碳化硼材料过程中用到的主要仪器以及设备如图1所示。

图1 主要仪器及设备

设计5.8g/cm3密度的热压微晶碳化硼材料，当碳化硼在材料中的比例较低误差增大时，为了降低误差，需要调整铅砂和聚乙烯在热压微晶碳化硼材料中的比例，并在热压微晶碳化硼材料设置合理的碳化硼质量百分比[4-5]，所提方法设计的热压微晶碳化硼材料配方如表2所示。

表2 热压微晶碳化硼材料设计配方

将烘箱温度设置为105 ℃，并将烘箱运行时间设置为4 h，对聚乙烯、加工助剂、碳化硼和铅砂进行鼓风干燥处理，根据参考文献，将鼓风干燥处理后的材料进行称重，并在一百五十摄氏度的开炼机中加入脱模剂、碳化硼和抗氧剂等助剂熔融聚乙烯颗粒[6-7]，混炼8到10 min，对开炼机的辊距进行调整，将铅砂加入开炼机中；并将模具温度设定为150 ℃，倒入混合后的物料，出模；最后在样板上利用水切割机对屏蔽性能样板进行切割，晾干样板，备用[8]。

设Kn代表的是热压微晶碳化硼材料的中子屏蔽系数，其计算公式如下

(1)

式中，N0描述的是源强在无样品时对应的总计数；N0b描述的是本低在无样品情况下对应的计数；N0-N0b描述的是源强在无样品情况下对应的净计数；Nb描述的是本低在有样品情况下对应的计数；N描述的是源强在有样品情况下对应的总计数；N-Nb描述的是源强在有样品状态下对应的净计数。

设Kr代表的是屏蔽系数，其计算公式如下

(2)

式中，D、D0分别代表的是t时间内，探测器在有无屏蔽材料下的累积剂量。

3 热压微晶碳化硼材料中子屏蔽性能仿真

在蒙特卡洛模拟程序中对粒子的运行路径进行跟踪，根据记录的相关信息获得物理参数，所提方法采用蒙特卡洛计算方法对热压微晶碳化硼材料的中子屏蔽性能进行计算。

在MCNP4C程序中通过蒙特卡洛方法抽样入射中子的方向、位置和能量，具体过程为：跟踪入射的中子，将随机参数分配给原子核与中子碰撞物理的过程，使其被吸收或持续碰撞[9-10]；当中子从投射面穿出或中子能量低于1*10-11MeV时，停止跟踪，并开始模拟下一个中子，当全部中子都完成模拟后，停止程序，并对穿过投射面的中子数量进行记录。

设F1代表的是投射系数，描述的是粒子穿过投射面的概率，其计算公式如下

(3)

式中，A、E、t、μ均代表的是能量系数；J(A，E，t，μ)描述的是能量函数；N代表的是入射粒子的数量。

用F11描述剂量转换因子与投射系数F1之间的乘积，其表达式如下

(4)

式中，R1代表的是剂量转换因子。

用F21描述剂量当量转换因子与F11之间的乘积，其表达式如下

(5)

式中，R2描述的是剂量当量转换因子。

利用近似指数函数描述屏蔽层中中子的减弱规律，设φ代表的是中子通量，其计算公式如下

(6)

式中，R描述的是测量点与源之间存在的距离；∑r描述的是分出截面；x描述的是屏蔽层厚度。

设I0代表的是无屏蔽材料状况下对应的中子注量，其计算公式如下

(7)

设I代表的是通过屏蔽材料后对应的中子注量，可通过下式计算得到

(8)

用I/I0描述中子投射系数。

构建热压微晶碳化硼材料三维仿真模型，对热压微晶碳化硼材料的中子性能进行模拟[11-12]。通过下式计算中子屏蔽系数Kn

(9)

式中，n0、nm分别代表的是计数球在存在和不存在屏蔽材料测试样板时接收到的中子注量。

材料屏蔽性能可以通过中子屏蔽系数进行反映，两者之间为正比关系。

4 结果及讨论

对所有同性的单能中子源进行考虑，针对能量不同的中子，计算热压微晶碳化硼材料的屏蔽性能，利用超级蒙卡SUPERMC构建的模型对空气产生的影响进行考虑，中子从源中子与屏蔽体之间的距离为1米时，源中子与经过运输到达屏蔽体入射面的中子之间存在较小的差异，因此屏蔽材料对中子源的屏蔽性能在考虑空气产生影响的情况下可以用透射系数进行描述。中子之间的能量各不相同，根据能量的不同，对中子的类型进行划分，分为高能中子、慢中子、快中子以及中能中子，其能量分别大于10MeV、在区间0eV-1keV内取值、在区间100keV-10 MeV内取值、小于1-100keV。

分析投射系数与屏蔽体厚度及碳化硼含量之间存在的关系，分析结果如图2所示。

图2 材料在不同碳化硼比例下对中子的投射系数

根据图2可知，中子的投射系数受屏蔽体厚度、碳化硼含量和中子源强的影响。无论是快中子还是慢中子，中子投射系数在普通水泥中与屏蔽体厚度之间呈反比关系。对比含5%碳化硼材料与普通材料的投射系数可知，屏蔽厚度相同时，中子的投射系数在添加碳化硼后有所下降。

分析图2(a)可知，采用普通材料对0.1 keV的中子源进行屏蔽时，投射系数在屏蔽厚度为5 cm时约为0.27；在相同厚度的屏蔽体条件下测试，普通材料在加入5%的碳化硼后投射系数有所下降，但继续在材料中加入碳化硼却无法提高热压微晶碳化硼材料的屏蔽性能。

分析图2(c)可知，在1MeV能量的单能中子源情况下，无论屏蔽材料的厚度是多少，在基材料中添加碳化硼的屏蔽效果与普通材料的屏蔽效果没有太大差异；只有在屏蔽体厚度为5-25 cm时，材料的屏蔽性与碳化硼含量之间呈正比关系；且当屏蔽材料厚度相同时，在材料中添加不同含量的碳化硼得到的中子投射系数不存在差异，碳含量的多少将不会影响热压微晶碳化硼材料的屏蔽效果。

结合上述分析可知，在高能中子区和低能中子区，将不同含量的碳化硼加入热压微晶材料中，热压微晶材料的屏蔽性能是不同的；在低能中子区加入相同比重的碳化硼获得的屏蔽效果优于高能中子区的屏蔽效果。产生上述现象的主要原因是中子的能量会影响10B对中子的吸收截面，即10B对高能中子的吸收截面通常情况下要低于对低能中子的吸收截面。

屏蔽材料厚度与裂变中子进行屏蔽的投射系数之间存在的关系如图3所示。

图3 屏蔽厚度与投射系数之间的关系

分析图3中的数据可知，热压微晶碳化硼材料对中子的屏蔽性能通过热压微晶材料中碳化硼含量的增加而提升。热压微晶碳化硼材料在相同厚度条件下对应的投射系数随着碳化硼含量的增加而降低。只有当普通材料的厚度高于20 cm时，裂变中子对应的投射系数才能低于0.01；如果采用碳化硼屏蔽材料，当材料厚度为15 cm时投射系数就可降到0.01。

含10%碳化硼的材料和不同材料屏蔽裂变中子后，出射中子能谱曲线如图4所示。

图4 出射中子能谱

根据图4中的数据可知，高能部分比例在中子能谱被屏蔽后明显下降，表明高能中子经过屏蔽体后的速度有所减小。对比图4(a)和图4(b)可知，裂变中子经过屏蔽后，低能中子大量存在于裂变中子谱中。将碳化硼加入热压微晶材料后，低能中子在裂变中子谱中的含量明显变小，表明低能中子被加入的碳化硼吸收了。

5 结论

所提方法通过蒙特卡罗模拟方法分析了不同碳化硼含量的材料与中子屏蔽性能之间存在的关系。根据分析可知，中子的投射系数在掺杂碳化硼材料和普通材料中与屏蔽层厚度之间呈反比关系。当普通材料中的中子能量不同时，在屏蔽厚度相同的情况下，即使材料中碳化硼的含量相同，中子的屏蔽性能也存在差异，如果想要使中子屏蔽性能相同，需要将一定比例的碳化硼加入到热压微晶材料中，达到降低屏蔽体的厚度的目的，屏蔽体的厚度与碳化硼含量之间成反比关系，热压微晶碳化硼材料的屏蔽效果在加入5%的碳化硼时最佳，如果继续添加碳化硼，则无法提高热压微晶碳化硼材料的屏蔽性能。

6 结束语

随着核技术的广泛应用和快速发展，辐射安全问题受到了人们的重视，人们关注的焦点通常是辐射防护问题、诱发放射性问题以及核加热问题。与其它辐射源相比，中子辐射的穿透性较强，与物质作用下中子会出现激发与电离现象，对生物体造成危害。对辐射防护进行分析时，外照射防护在一般情况下分为屏蔽、距离和时间三种方法，其中屏蔽是中子源防护的主要措施。在中子屏蔽材料中热压微晶材料的地位较高，在与核工程相关的防护体、医用X摄像防护室以及核反应度的安全保护壳等工程中得到了广泛的应用。将与中子非弹性散射截面较大的重元素添加到热压微晶材料中，可以提高热压微晶材料的中子屏蔽效果，快中子和高能中子在重元素影响下的屏蔽性也能有所提升。在热压微晶屏蔽材料的研究领域中，提高热压微晶碳化硼的中子屏蔽性是研究的重要方向。