钨和铅作为γ射线屏蔽材料的性能对比研究
王建;邹树梁
【摘 要】首先通过对钨和铅的物理特性、价格、环保等方面特性进行了对比.当光子的能量为0.1、0.2、0.51、和1.25 MeV时,通过理论计算得出钨镍合金和铅在γ射线衰减10倍的情况下,分别所需两种物质的厚度,并作出对比图,其中钨镍合金是一种含钨量超过90%的钨基高比重合金,它是钨在工程应用中的主要存在形式.最后基于MCNP程序建立了常用的屏蔽模型,模拟计算结果显示理论计算的厚度都能够实现有效屏蔽.结果表明：钨作为新型的屏蔽材料具有很多的优势,对γ射线的屏蔽能力远高于铅.%This article firstly compares the tungsten and lead s physical properties,price and environmental performance,then calculates the thickness of tungsten and lead with the gamma ray 10% transmission when the photon energy are 0.1 MeV,0.2 MeV,0.5,1 MeV and 1.25 MeV,and makes a comparison chart.Finally,it establishes a commonly used shielding model,through which to validate whether the thickness of theoretical calculation can achieve an effective shielding effect by MCNP program.The results showes that tungsten as a new type of shielding material has a lot of advantages,whic
h shielding ability is far higher than the lead.Thus it provides the reference to choose the suitable shielding ma-terials in special occasions.
【期刊名称】《南华大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(025)004
【总页数】4页(P19-22)
【关键词】钨;钨镍合金;铅材料;物理特性;屏蔽模型;屏蔽能力
【作 者】王建;邹树梁
【作者单位】南华大学核科学技术学院,湖南衡阳421001;南华大学核能经济与管理研究中心,湖南衡阳421001
【正文语种】中 文
【中图分类】TL752
0 前言
随着核科学技术应用的不断发展，各种射线被广泛应用于医学、食品辐照等各个领域，射线对人体的伤害和对环境的污染也逐渐被人类所认识，绿健康生活概念深入人心.因此，对防护这些射线的各种屏蔽材料的研究便成为一项十分重要和迫切的课题，在γ射线屏蔽材料的研究中，除了传统的材料如铅、钢铁和水外，钨合金已被确定为一个可行的辐射屏蔽材料.本文在对预期应用的几个关键因素(空间和环境的考虑、长期贮藏和处置、多种应用等)考虑之后，对钨合金和铅的屏蔽性能进行了对比研究，为正确的选择屏蔽材料提供科学的依据.
1 γ射线衰减原理
γ射线是由贝克勒尔和维拉德在1900年进行铀和镭康普顿散射实验中首次发现的，它是一种比α粒子和β粒子穿透能力更强的粒子.1909年，Soddy和Russell发现了 γ射线的指数衰减规律.
图1 γ射线衰减规律实验模型示意图Fig.1 Experiment model of the fundamental law of gamma ray attenuation
图1 所示的是一个简单的衰减实验模型，当辐射量为I0的γ射线穿过厚度为L的吸收体之后，衰减后的辐射量I由公式(1)给出［1］:其中，μ为衰减系数，单位为cm－1;比值I0/I称为γ射线衰减倍数，用K来表示;B为累积因子，由γ射线的能量、介质种类及状态等条件决定的;R为吸收体厚度.其中将γ射线的照射率、剂量率或注量率等减弱一半所需屏蔽层的厚度称为半减弱倍数，常用 Δ1/2来表示，则
其中，n为半衰减厚度的数目，n=logK/log2公式中所需的μ和B可以通过查表获得.
2 钨和铅性能综合比较
表1提供了钨和铅以及它们屏蔽特性更为详细的比较［2］.
铅的结构强度极差，且不耐高温，常用来做铅容器、活动屏、铅砖等.用铅做较大容器和设备时需要用钢材做结构骨架，否则会因自重而坍塌.钨的原子序数为74，它是密度很大的天然金属单质之一.钨以合金系状态广泛应用于屏蔽材料中，钨合金是钨的一种常用形式，它是一种钨基高比重合金，是一种具有高硬度、高熔点的合金，含钨量不低于90%，同时混合了镍和碳等元素，以增强其硬度，可以很好的维持一定的形状.
在实践和工程中，发现铅作为屏蔽材料有不可克服的缺点，比如会产生二次韧致辐射，硬度比较差，同时铅本身是重金属污染源，很可能在使用过程中造成重金属中毒.相对铅来说，钨与粒子不起反应并且是无毒的，能够较好的克服铅的弊端，消除了伴随的毒性危害和混合废物处理成本［3］.
钨现有充足的、可用的数量来作为屏蔽材料，然而钨的价格高出铅13倍，但成本差异并不能掩盖钨作为屏蔽材料的优势，大量形式的钨屏蔽材料工艺已经存在，比如说钨塑料、钨合金等，其他相关的研究和产品生产正在进行中.
在核电厂中由于适用性、低成本和铅屏蔽材料的现有的库存量，用钨整体替换铅是不现实的［4］.有效的使用是根据情况及个别设备的周边环境来定的，当常规条件下铅屏蔽层能够达到剂量率减少程度的要求时，钨就没必要大规模的应用上去.当遇到特有的应用，比如说水下应用、箱体结构的屏蔽层时等，钨的屏蔽效果才能够真正的显示出来.
表1 钨与铅性能的完整比较Table 1 The complete performance comparison of tungsten and lead标准 钨 铅原子序数74 82密度/(g·cm－3) 19.25 11.34价格/(万元·t－1) 约22.8 约1.7混合物 钨树脂、钨聚乙烯、钨合金等 部分铅可以制成铅橡胶重复利用 可重复利用 可重复利用处
置 正常 潜在的混合危险废物毒性 无毒 有毒，戴手套操作空间考虑 可以应用于较多的特殊环境 箱体结构笨重，结构强度差
3 MCNP程序模拟钨和铅的屏蔽效果
3.1 理论计算γ射线衰减10倍时所需两种物质的厚度
高纯度金属钨质地柔弱，工程上通常采用混合了镍、碳等元素的合金来替代纯钨，钨合金是一种钨基高比重合金，它很好的继承了钨的优良特性，并且增强了其硬度，可以很好的维持一定的形状.钨镍合金作为钨工程应用中的典型存在形式，本节选取钨镍合金和铅为例，其中钨镍合金的成分为90%的钨，6%的镍，4%的碳.在表2中列出了钨镍合金和铅两种物质相对应于不同能量的γ光子的衰减系数，利用公式(1)以及表2中两种物质的线性衰减系数，计算出不同能量的γ光子衰减10倍时，所需两种屏蔽材料的厚度，列于表2，并作出对比图，如图2.
图2 钨和铅衰减特性对比图Fig.2 Comparison of attenuation properties of Tungsten and lead
表2 钨和铅的衰减特性Table 2 Attenuation properties of tungsten and leada合金:90%的钨，6%的镍，4%的碳能 量/MeV 衰减系数钨a 铅倍所需厚度钨a衰减10铅0.1 64.8 60.4 0.036 0.
038 0.2 11.5 10.6 0.20 0.22 0.5 2.14 1.70 1.08 1.35 1.0 1.08 0.77 2.14 2.98 1.25 0.929 0.598 2.48 4.62
3.2 MCNP程序模拟钨材料和铅的屏蔽效果计算过程
改进图1中的模型如图3，放射源为各项同性点源，距离屏蔽体材料为固定值30 cm.屏蔽体的长和宽的尺寸200 cm×200 cm，相对与点源来说为无限大，屏蔽体后10 cm处有一探测点，分别设定源的能量和屏蔽体的厚度后，利用F6卡对探测点进行光子计数，计算结果列于表3.子计数，得出光子能量的衰减倍数［6］，列于表3.
reactor 性能
3.3 计算结果分析
从表2和图2中可以看到，当光子的能量高于500 keV时，钨的衰减系数明显高于铅的衰减系数，所需的材料厚度也远小于铅所需的厚度，这主要是由于钨有更高的密度，钨的高密度弥补了钨原子序数小的缺陷.当光子的能量低于500 keV时，两种物质的衰减系数差异并不明显，射线衰减相同倍数下，两者所需的厚度相差不大.

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