前沿技术
L eading-edge technology
高含钨铝基复合屏蔽材料成分优化设计
牛昊轩1，杨 剑2，陈富财2，莫锦涛1，甘 斌1
（１．中国核动力研究设计院　核反应堆系统设计技术重点实验室，四川　成都　６１０２１３；２．有研工程技术研究院有限公司，北京　１０１４００）
摘 要：利用Ｘ－ＣＯＭ及ＭＣＮＰ程序开展高含钨铝基复合屏蔽材料对γ射线、热中子、快中子的屏蔽计算，给出了屏蔽材料的优化成分配比，与同厚度的铅硼聚乙烯材料相比，快中子注量下降２４％。
关键词：屏蔽材料；屏蔽计算；成份优化
中图分类号：ＴＢ３３  文献标识码：Ａ  文章编号：１００２－５０６５（２０２０）０８－０１６４－２Composition optimization design of high tungsten aluminum matrix composite shielding material NIU Hao-xuan1, YANG Jian2, CHEN Fu-cai2, MO Jin-tao1, GAN Bin1（１．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　ｎｕｃｌｅａｒ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ，　Ｃｈｉｎａ　Ｎｕｃｌｅａ
ｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，　Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１０２１３，Ｃｉｎａ；
２．Ｙｏｕｙａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，　Ｌｔｄ．，　Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０１４００，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｔｈｅ　Ｘ－ＣＯＭ　ａｎｄ　ＭＣＮＰ　ｐｒｏｇｒａｍｓ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ　ｏｆ　γ－ｒａｙ、ｔｈｅｒｍａｌ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ａｎｄ　ｆａｓｔ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｄｏｇｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｗａｓ　ｇｉｖｅｎ．
Keywords: ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ；ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　
1 概述
高含钨铝基屏蔽材料是以高纯铝为基体，钨和碳化硼为屏蔽组元的高性能复合屏蔽材料，能够同时屏蔽γ射线、热中子和快中子，有助于实现反应堆体积小、质量轻的设计目标。本文基于X-COM及MCNP程
序对材料的成份进行了优化计算，给出了不同配比下该材料的屏蔽性能及力学性能，能够为材料的最终定型提供依据。
2 γ射线线性减弱系数（μl ）的理论计算
图1  不同材料的γ射线线性减弱系数与γ射线能量的关系曲线采用X-COM程序分别计算了密度为4.1g/cm3、6.9g/cm3、8.2g/cm3、9.1g/cm3和10.0g/cm3的Al/W/B4C材料的γ射线线性减弱系数（μl），材料编号依次为：LWB41、LWB69、LWB82、LWB91和LWB10。几种材料的γ射线线性减弱系数（μl）计算结果如图1所示。
从图中可以看出，铝基复合屏蔽材料中的钨含量越高、密度越大，γ射线线性减弱系数越高。随着γ射线能量的增加，材料的线性减弱系数显著降低。
针对Co60和Cs137γ射线，这两种射线的平均能量分别为1.25MeV和662KeV。由理论计算得到当材料密度≥8.2g/cm3时，对Co60和Cs137γ射线线性减弱系数（μl）分别大于0.41cm-1和0.7cm-1，能够较好地满足工程要求。
3 热中子吸收率的理论计算
计算了不同B4C含量的铝基复合屏蔽材料（厚度25mm）的热中子吸收率。几种铝基复合屏蔽材料的密
度均为8.2g/cm3，成分如表1所示：
表1  用于热中子吸收率计算的材料成分
材料编号密度g/cm3
成分wt%
B
4
C
B058.20.5%
B078.20.7%
B098.20.9%
B118.2  1.1%
B138.2  1.3%
B158.2  1.5%
几种材料的中子吸收率计算结果如图2所示：
从图中可以看出，随铝基复合屏蔽材料中B4C含量的升高，对热中子（能量为0.025eV）的吸收率升高。随中子能量的升高，中子吸收率呈下降趋势。在厚度为25mm时，当铝基复合屏蔽材料中的B4C含量≥0.7%时，热中子吸收率的
收稿日期：２０２０－０４
作者简介：牛昊轩，男，生于１９９９年，汉族，四川南充人，硕士，助理工程师，研究方向：反应堆结构设计。
世界有金属 2020年 4月下
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计算值＞99%（指标值）。
图2  不同材料的热中子吸收率计算结果（厚度25mm）
4 快中子慢化的理论计算
采用MCNP 程序模拟计算了14.88MeV 快中子（DT 中子源）穿过100mm 厚铝基复合屏蔽材料（8.2g/cm 3）和铅硼聚乙烯的能谱以及无屏蔽材料时的中子能谱，计算快中子对屏蔽材料的透射率，评价两种屏蔽材料对快中子的慢化效果。
铝基复合屏蔽材料和铅硼聚乙烯的成分如表2所示：
表2  用于快中子慢化模拟计算的材料成分
屏蔽材料元素含量 wt%
Al W B C Pb H 铝基复合屏
蔽材料--0.7040.196--铅硼聚乙烯
--  1.56
15.85
80
2.59
14.88MeV 快中子及其经100mm 厚的铝基复合屏蔽材料和铅硼聚乙烯慢化后的中子能谱见图
3。
图3  14.88MeV 快中子及其经100mm 厚
不同样品慢化后的中子能谱
从图中可以看出，14.88MeV 的快中子穿过100mm 厚铝基复合屏蔽材料和铅硼聚乙烯后，高能区中子数占比降低，低能区中子数占比升高，整个中子能谱被慢化。相比铅硼聚乙烯，铝基复合屏蔽材料对高能区快中子的慢化效果更加明显。
以中子注量衰减比来量化两种材料对快中子的屏蔽性能。材料对快中子的注量衰减比按照公式（1）计算
：
（1）
式中：
F Φ(E n )——材料对能量为En 的中子的快中子注量衰减比；
Φ0——在未经过衰减的自由场中，试验点处的中子注量；
Φ1——在经过样品衰减后的辐射场中，试验点处的中子注量。
两种材料对14.88MeV 快中子的注量衰减比计算结果见表3。
表3  两种材料对14.88MeV 快中子注量衰减比
屏蔽材料厚度(mm)注量衰减比
铝基复合屏蔽材料
100  3.7铅硼聚乙烯
100
2.8
根据快中子注量衰减比进行计算，铝基复合屏蔽材料对快中子的慢化效果与同厚度的铅硼聚乙烯相比，快中子注量下降约24%。
5 结论
根据屏蔽性能计算结果并结合材料密度和力学性能指标要求，本文设计开展研制的屏蔽材料的理论密度为8.2g/cm 3，其中W 屏蔽组元的含量范围为75%~80%，B 4C 屏蔽组元的含量范围为0.5%~2.5%。同厚度下快中子屏蔽性能优于铅硼聚乙烯，γ射线屏蔽性能与优于或相当于一般钢材。
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