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类型第四章--反应堆辐射屏蔽---A.ppt

  • 上传人:精品资料
  • 文档编号:10539538
  • 上传时间:2019-11-27
  • 格式:PPT
  • 页数:31
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    第四章--反应堆辐射屏蔽---A.ppt
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    1、第四章 反应堆辐射屏蔽,4.1 概述,在核反应堆堆芯中,发生裂变时不但直接放射出中子和 射线,而且裂变所形成的碎片是不稳定核素,它们要经受衰 变并放出某种辐射。为了保障辐射场所工作人员和周围邻近 地区居民的安全和健康,保护环境,必须对反应堆设置辐射 屏蔽。辐射屏蔽设计的目的:确保辐射源附近的工作人员和周 围的居民所接受的外照射剂量、当量低于规定的限制;确保 反应堆压力容器等部件在反应堆整个运行寿期内所受的辐射 损伤低于规定的限制;确保由核发热所引起的各种材料的升 温,升温梯度及热应力低于规定的限值。辐射屏蔽主要作用:保护辐射源附近工作人员的健康。辐射屏蔽的种类:生物屏蔽,热屏蔽,设备屏蔽,等等

    2、。,辐射屏蔽设计总的原则:保证辐射场所工作人员及周围居民在反应堆运行期间所受到的辐射照射低于规定限值,并在考虑到经济和社会因素的条件下所有的辐射照射保持合理可行尽量低(As Low As Reasonably Achievable,简称ALARA原则)。 反应堆系统中产生的辐射有和粒子,射线、中子和质子等,但屏蔽设计中考虑的只是射线和中子。因为它们的穿透力强,任何能把它们减低到足够程度的材料将自动地把其他辐射减低到可以忽略不计的程度。,4.2 射线与物质的相互作用,4.2.1 射线与物质的相互作用的主要过程,当光子能量在0.8- 4MeV之间时。对原子 序数为任何值的物质, 康普顿效应都占优势

    3、。 一般地说,对于低原子 序数的物质,康普顿效 应在很宽的能量范围内 占优势,对于中等以上 原子序数的物质,在低 能时光电子效应占优势, 在高能时电子对效应占 优势。,光子通过物质时,可与原子的某壳层中的一个轨道 电子相互作用,把自己的全部能量转移给这个电子,使 该电子脱离它所在的壳层,并以光电子的形式从原子中 释放出来,这样的效应称光电效应。若入射光的能量为E,轨道电子的结合能为Be,则光 电子的动能为:E=E- Be (4-1),(1) 光电效应,发生光电效应的条件是:入射光子的能量必须大于某壳层电子的结合能。,表示一个原子发生光电效应的概率(截面)pe,其定义与核反应微观截面的定义完全类

    4、似。 光电效应的截面与光子能量E及吸收材料的原子序数Z有关,可写成(4-2)当入射射线能量由低能变高能时,n值由3变到5,(4-2)式表明,低能射线与高原子序数的物质发生相互作用时,光电效应占优势。,当光电效应留下的电子空位被外壳层电子填充时,多余的 电子位能可能以特征X射线的形式放出。如果这种多余的电子 位能不是以特征X射线形式放出,而是直接传给另一个外层电 子使这个外层电子从原子中逸出则形成饿歇电子。可见入射光 子的能量最终转化为两部分:一部分为次级电子(光电子和饿 歇电子)的动能,另一部分为特征X射线。而这两部分都易于 止住,从辐射屏蔽的观点看,光电效应可以看成是真正的吸收 过程,它使入

    5、射的光子完全消失。,(2)康普顿效应,当初始能量为E的入射光子与原子内一个轨道电子相互作用后,把自己一部分能量交给轨道电子,而本身能量变成E,并与入射方向角散射(康普顿散射光子),获得足够能量的轨道电子与光子的入射方向成角而射出(康普顿散射电子),这种效应称为康普顿效应。实际处理时,忽略轨道电子的结合能,把轨道电子近似看作自由电子,这样,康普顿效应可认为是光子与原子中外层轨道电子的弹性散射,在这个过程中,光子和反冲电子遵循动量和能量守恒定律,由此可得:(4-3),其中E和E是入射和散射光子的能量(MeV),是散射 角, 是电子静止质量me所对应的能量。 可见散射光子的能量E随散射角的增大而减小

    6、,当= 时,E达最小值。类似的可以定义一个原子的康普顿散射截面c,由 于康普顿效应完全依赖于电子数Z,且与入射光子能量成 反比,可写成:(4-4),由于反冲电子总要吸收一部分能量,所以散射光子 的能量必定低于入射光子的能量,但康普顿散射不是完 全吸收射线的过程,光子每经过一次康普顿散射后, 其次级光子能量都降低一些,出射方向改变一次,于 是形成多次散射。多次散射对反应堆屏蔽很重要。,当光子的能量E大于两倍电子静止质量(1.02MeV) 所对应的能量时,与原子核或电子的库仑场发生相互作用 过程中,一个入射光子的光子转化成一对正负电子,这样的过程称为电子对效应。,(3)电子对效应,在电子对产生时,

    7、入射光子能量一部分转化为两个电子静止质量,其余部分转化为正、负电子的动能。电子对产生的负电子在物质中耗尽动能便停止下来。而正电子在动能损失以后,与物质中的一个电子结合,并转化为两个光子。这个过程称为电子对湮没,这两个光子称为湮没辐射。 实验表明,电子对效应的截面pp与入射光子能量E及吸收体的原子序数Z之间有如下关系:(4-5) 在屏蔽计算中,由于湮没辐射能量较低,而且发射时各向同性,通常把电子对效应认为是真正的吸收过程。,4.2.2 截面与衰减系数,射线与物质中每个原子相互作用的总截面是上述光电 效应、康普顿效应、电子对效应之和:(4-6)由于前两种效应随射线能量的增加面减少,电子对效应却随射

    8、线能量的增加而增大。对于所有元素来说,总的截面总会在某个能量处出现最小值,这个地方辐射最容易穿透,图4.5(a)和图4.5(b)分别表示氧和铅的三种相互作用的总截面,由这两个图联想到,总截面出现最小值的能点随原子序数的增大而减小。图4.6表示最小值能点位置随Z的变化情况。,习惯上把宏观截面叫做衰减系数,并用表示, 即(4-7) 实验表明,当经过准直的窄束光子射到吸收体 上时,辐射束强度I随吸收体厚度按指数规律衰减,即(4-8) 式中x为吸收体厚度,I0为入射的辐射强度,I为经厚度为x的吸收体后的辐射强度。 若用物质的密度去除衰减系数就可以得到质量衰减系数:(4-9),如果是混合物,其密度是,所

    9、含元素的质量衰减系数分别为(/ )1 ,(/ )2 ,则混合物的质量衰减系数可用下式计算:(4-10),表4.1给出了某些物质的射线质量衰减系数,由于在射线能量相当大的范围内,除了非常重的元素外,对一切元素,康普顿截面都超过光电截面和电子对截面,而康普顿效应是一个电子过程,且除氢以外的等质量的一切物质含有大致相同的电子数,所以在此能量范围内,等质量的一切物质具有大致系统的减弱的效率,也就是说,总量相同的任何材料其屏蔽能力大致相等。,4.3 中子与物质的相互作用,中子和射线的减弱过程的不同之处: (1)它们与物质的相互作用过程不同; (2) 光子反应涉及到电子,而中子只涉及原子核; (3)除了在

    10、K层和L层边界等处外,光子与物质相互左右的概率是能量和原子序数二者的平滑函数。 光子的大多数截面数据是通过精确计算得到的,并有实验做了充分检验,而中子的许多截面中存在着由共振和阔现象所引起的急剧变化,中子和原子核相互作用有关的一些过程比较复杂,某些截面数据仍然存在着空白,因此中子的屏蔽问题要比射线的复杂的多。,4.3.1 中子与物质的相互作用中子不带电荷,它不受原子电场的影响。中子与原子核发生相互作用的结果,中子可以改变能量和运动方向,也可以被原子核吸收。中子和特定的原子核相互作用的总截面是散射截面和吸收截面之和。散射是使中子慢化的主要核反应过程,它有弹性散射非弹性散射两种;而中子吸收反应有辐

    11、射俘获、裂变、放出带电粒子等反应。, 弹性散射中子与原子发生散射反应后,中子重新出射,靶核的内能不变仍处于基态。散射前后中子-靶核系统的动能和动量是守恒的。, 非弹性碰撞,中子与原子核发生非弹性散射时,入射中子的一部分动能变成靶核的激发能,处于激发态的靶核接着通过发射光子而回到基态。非弹性散射中子从发生碰撞处离开通 常要改变运动方向,能量也大为减少。实际上,非弹性碰撞是反应堆屏蔽中使快中子能量逐渐减少的主要过程。非弹性散射反应仅当入射中子动能高于靶核第一激发态时才能发生。,辐射俘获:在辐射俘获过程中,入射中子首先被靶核吸收而消失,由此形成的复合核总是处于激发状态,并以发射一个或几个光子的方式发

    12、生衰变。复合核总的激发能等于入射中子的能量加上中子的结合能。,裂变反应:中子与重核作用,重核分裂成两个碎片,平均放出2-3个中子,并放出大量热量。,放出带电粒子的反应:中子与靶核作用,生成一个新核,并发出质子,粒子等的反应。放出带电粒子反应通常是由能量大于1MeV的中子引起的。,放出几个中子的反应:高能中子轰击靶核时,会产 生两个或多个中子。这类反应在堆内发生的概率很小。,中子与物质的很多相互作用都可以形成处于激发态的原子核。激发态的原子核会以各种方式发生衰变,如果这些衰变不是在核反应后瞬时进行,而是以一定的半衰期逐渐进行,则这种核反应称为活化,活化截面就是用于描述形成某种放射性核概率的截面。

    13、在估计反应堆屏蔽层和结构材料中的次级源及计算同位素产额,进行活化分析等都要利用它。 综上所述,中子在屏蔽中的吸收基本分为两个步骤:第一步,高能中子经过屏蔽时,由于弹性和非弹性散射而慢化;第二步,当中子慢化成低能中子时,被各种物质吸收,因为大多数元素的低能中子俘获截面都很大,中子一旦慢化下来就迅速地被吸收,不会扩散很远。,分出截面法是快中子屏蔽的半经验方法。当一束裂变中子射到屏蔽材料上时,快中子注量率在屏蔽层内的分布可近似的用指数函数来描述:(4-17)值不但随材料而异,并且还是中子能量的函数。可是在2-12MeV能区内,分出截面值大致是不变的。表4.4给出各种元素对裂变中子的宏观质量分出截面的实验值。,4.3.2 快中子分出截面法,对于化合物或混合物,其宏观分出截面时将它的各个组分元素的微观分出截面求和而得,即:(4-20) 严格的说,分出截面法仅当屏蔽中含有相当数量的氢时才适用,如果很厚的重材料却没有含氢材料垫底,则由于能量为1MeV以下的电子在慢化过程中非弹性散射太少,使得中能中子在屏蔽层中大量积累,最终可能透过屏蔽层,因此,在这种情况下用分出截面法计算出的屏蔽层厚度是欠安全的。,谢谢观看! Thank you!,

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