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辐射屏蔽材料如何选择

发布时间:2020-09-08   点击次数:136次

  核反应堆运行时,堆芯将产生α、β、γ、 X射线及中子(n)、质子(p)、重氢核(d)、裂变产物(FP)辐射,其中尤以γ射线和中子的穿透力较强,可对周边物体和人员产生辐照损伤。

    对γ射线来说,含有高原子序数的物质,其屏蔽效果就大,所以,常常用铁和铅等做屏蔽材料。与此相反,对于中子来说,因为散射截面随元素种类和中子能量而变化复杂,所以不能像γ射线那样一概而论,原子序数小的元素,通过弹性散射能使中子能量大幅度减小,结果,因为能够很容易发生辐射俘获反应之类的吸收反应,所以这样的元素,尤其是像含有大量氢的物质,屏蔽中子的效果就大 [1]  。

  
屏蔽材料

把屏蔽材料分为非金属材料和金属材料进行讨论介绍,另外,混凝土既对γ 射线和中子是很有效的屏蔽材料,而且作为结构材料也有很多优点,故将单做介绍 [1]  。

非金属屏蔽材料

(1)水

水是一种最容易获得而又廉价的材料,而且因为它含有多量的氢,所以是一种极有效的中子屏蔽材料。水中含有的氧因俘获中子,而放出的次级γ射线又少,主要是氢放出能量为2.2兆电子伏的俘获γ射线。因而,可以说水是一种产生次级γ射线比较少的中子屏蔽材料。但是,因为水的电子密度低,所以对于γ射线,却不能说一种良好的屏蔽材料。
  水的优点是绝对不产生微小间隙,化学性能稳定又是有效的冷却剂,但也有一些缺陷,比如,必须进行完全的防水施工,另外,如果长时间放置,就要产生混沌现象。 [1]

(2)石墨

石墨具有作中子慢化剂和反射剂的优良性质,而且还因为高纯石墨在很高的温度下,物理性能,化学性能,机械性能都稳定,所以广泛用作反应堆材料及屏蔽材料。在液体金属冷却的快中子反应堆中,用石墨作快中子屏蔽体的一次屏蔽体。为了改善石墨的种子屏蔽性能,有时混合一些硼化合物之类的热中子吸收剂。在用石墨作中子屏蔽体的场合,密度在1.69/m3以上。

(3)硼以及含硼物质

硼被用来做热中子吸收体,这是通过硼的同位素10B(丰度比为18.45~18.98%)的(n,α)反应来实现的,因为它的热中子吸收截面,约为3840靶恩。在该反应中所产生的α射线,在屏蔽体中容易被吸收,但当入射的中子通量大的时候,这种α射线氦气生成并发热。硼可直接使用或混入石墨和聚乙烯中使用,或者以氧化硼和碳化硼的形式与其他材料组合起来使用 [1]  。

含硼矿石

在日本,几乎不出产适于作屏蔽材料的含硼矿石。含有少量硼的物质有赛黄晶石和斧石。另外,培加特是与铁磁矿及其他矿石共生的纤维状集块,原矿的硼含量为36%(B2O3),精矿中为11-13%。

包铝碳化硼铝板

把碳化硼(B4C)与铝粉末混合在一起,然后再烧结,再把这种烧结物用铝板夹起来,作夹层板,这种碳化硼夹



层板就是包拉尔(Boral),市场上出售的有板厚1/4英寸和1/8英寸两种。包拉尔具有非常硬、加工性差的缺点。另外,有人指出,如按硼在包拉尔中是均匀分布的,来求包拉尔的热中子屏蔽效率,是极其危险的 [1]  。
含硼混凝土

为了提高混凝土的热中子屏蔽性能,往往在混凝土中加入硼。这种硼还起着减少混凝土中产生二次γ射线的作用。含硼材料一般都具有溶水性,因为它有使混凝土硬化滞后的特性,所以加硼量大于1%,要特别注意。

(4)砂石,土,粘土

因为砂石,土,粘土容易获得而又价廉,所以往往用来作屏蔽体。当利用这些材料时,要注意不要使砂,土因雨水而产生下沉和坍塌。经普通捣固施工的土砂密度大致是1.4克/厘米3左右,其成分大致与普通混凝土的成分相同。因而,当利用士砂作屏蔽体时,只要其厚度是普通混凝土的1.7倍,就可期望具有与混凝土相同的屏蔽性能。

(5)有机屏蔽材料

有机材料当作一般使用的材料也有种种优点,因为大部分有机材料都含有多量的氢原子,所以也经常单独用它作中予慢化剂和屏蔽材料。但是,对有机材料单体本身来说,因为有效原子序数小,所以不适合作γ射线的屏蔽材料,另外,因为对中子的吸收效率未必大,故为了更进一步提高屏蔽效率,对于γ射线,把铅等原子系数大的物质,以及对慢中子和热中子吸收截面大的硼和锂,与有机材料一起合并使用,或者把这些金属粉末与有机材料混合起来使用,或者作成互相重迭的多层板来使用 [1]  。

石蜡

它是一种被人们广泛使用而又深为熟悉的材料。因为不仅加工容易而且价格又便宜,常常在实验室中作中子屏蔽材料。因为它的比重是0.87~0.91,熔点又低(40~60℃),所以加工容易,只要熔注于模型中就可使用。

聚乙烯及其他塑料

聚乙烯是比重为0.92的纯碳化氢,每立方厘米体积中,水含有6.7x1022个氢原子,聚乙烯含约8x1022,因而很明显,可以说这种材料是与水可婉美的中子屏蔽材料。另外,适合作屏蔽材料的原因是因为它不产生活化,但却有容易受到辐射损伤的缺点(是对一般有机材料而言)。通常100℃就软化,一些高密度(~o.96克/厘米3)者,

聚乙烯
聚乙烯
软化点就高(~200℃)。因为硬度适当,机械加工也容易,也使用块状和板状材料,为了使其自由变形,也有把它作成粒状的。另外,与石蜡一样,把聚乙烯作为基体,加入硼和锂的化合物,以增加中子吸收能力,或与铅粉混合以改善对γ射线吸收性能。加硼的聚乙烯,作成硼含量小于35%(重量)的材料。加锂的聚乙烯,因为俘获γ射线少,尤其适于作探测器的屏蔽体,作成含锂为10%(重量)以下的材料。另外,加铅的聚乙烯,则作成含铅量约为80%(重量)左右的材料 [1]  。
  塑料中除聚乙烯之外,聚苯乙烯和异丁烯酸甲酯以及苯酚甲醛树脂等也含大量的氢,所以有时也用来作中子屏蔽材料,这些材料不论哪一种,都冈脆性和辐射损伤问题,不能像聚乙烯那样用来做屏蔽材料。
木材及其制品

因为木材也含有大量氢,所以也能作中子屏蔽材料用。木材基本上由纤维素和很少的木质素组成,因种类而异,比重为0.5~0.8,约含6%(重量)的氢。加工容易,作结构材料也有适当的强度,并且价格便宜,但是,其中所含水分的量,易受环境的影响而变化,因而容易产生变形,所以很少使用原木,通常都是把木材切成小片或木屑,然后压缩成板状物来使用。这样,作为结构材料其强度不比木材差,由于强度及形状的变化和吸湿性的变化军小,所以比普通木材优越 [1]  。

金属屏蔽材料

(1)铁

因为铁的比重大,机械强度高,所以广泛用作反应堆结构材料、热屏蔽材料和压力壳材料。另外,除了对热中子的屏蔽效应之外,它本身很难说是一种好的中子屏蔽材料。通过非弹性散射,铁能使高能中子减速,但到某一能量范围内,使中能中子能量减低的作用很小。因而,很少单独用铁作屏蔽体,与其他屏蔽材料,例如同水配合在一起,作成铁-水多层结构来应用,或者混在混凝土中应用。由于俘获热中子,铁能放出大量10MeV

不锈钢
不锈钢
以下的二次γ射线。另外,铁的同位素58Fe吸收热中子后生成放射性同位素59Fe,它的半衰期是59天,能放出1.5MeV能量的γ射 [1]  。
(2)不锈钢

不锈钢对γ射线及中子的屏蔽性能要比铁优越。尤其因为非弹性散射截面大,所以屏蔽快中子更有效。但是,不锈钢中的铬,镍,锰等元素,受中子辐照后要活化,反应堆停堆后限制人员接近,这个问题比铁严重。

(3)加硼钢

为了增加对热中子的屏蔽效果,把硼加到铁中,就成为加硼钢。因为从前,为了改善钢的淬透性,把加入微量硼的钢叫做硼钢,为了与此区别起见,所以把屏蔽用的这种材料叫做加硼钢。如果钢中加进去硼,一般钢的

加硼钢
加硼钢
硬度增加,塑性和加工性变坏。从加工性考虑,钢中硼含量以2%(重量)为限。
(4)铅

铅的密度为11.3克/厘米3,在空间有限的场所,一般用它作γ射线屏蔽材料。但是,因为铅非常之软,不能用它本身作结构体,这是它的缺点。另外,铅的熔点低(327.4。C),也容易被碱侵蚀,所以在使用上受到限制。

(5)其他金属材料

钠,铝,铬,锰,镍,铜,锌等元素作为单体而使用是极为罕见的,在钢和混凝土中,这些元素都是以杂质或者混合物而存在的。
  当这些元素在材料中达到相当含量时,当然大大影响材料的屏蔽性能,即使在含量很少,有时也不能忽视它引起材料的活化和产生二次γ射线。因而,当选择和使用屏蔽材料时,必须搞清楚那一种元素究竟含多少。
  钨和铋的原子序数较大,对γ射线的屏蔽效果。尤其是钨,熔点为3400℃,与铅和铋的熔点(相应为327.4℃,271.0℃)相比,因为大约高一个数量级,所以可用在高温场合。铀的原子序数也大(92),对γ射线的屏蔽能力,与其他材料相比,是最大的,所以有时用低品位的核原料物质二铀一作γ射线屏蔽材料使用 [1]  。

混凝土

因混凝土具有如下特点,所以常用作屏蔽材料。

(a)含有适当量的为屏蔽中予以及γ射线所必要的物质;

(b)假如需要的话,还可以把某种元素、物质混入其中;

(c)成形、加工容易,还能作成形状复杂的屏蔽体,

(d)具有结构体所必需的强度和耐用性;

(e)与其他屏蔽材料相比,价格便宜。

当用混凝土作屏蔽材料时,除了一般使用的结构用混凝土应具备的性能之外,还要求具备如下性能:

(a)混凝土的材质均匀,无论在何种场所,密度和化学成分都符合规定;

(b)体积变化小,不因出现裂纹而产生屏蔽上的缺陷;

(c)当壁厚较厚时,同化时的发热量也小;

(d)吸收射线后所造成的温度上升,不会产生热膨胀和水分显著地减少;

(e)在热学性能方面,热导率大,热膨胀系数小;

(f)辐射损伤小,不产生有害的放射性物质等 [1]  。

  普通的混凝土,如果局部吸收1毫瓦/厘米3的辐射,混凝土内温度大约上升3℃。而温度如果上升到80℃以上,混凝土中的水分则急剧丧失,中子屏蔽效果下降。因而,作为屏蔽材料混凝土的设计条件,必须考虑如下三点:

(a)总入射能量要在4x1010MeV/cm3.s以下;

(b)要控制周围温度在80℃以下;

(c)不能使温度梯度大于0.8℃/cm [1]  。

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