基于蒙特卡罗方法的环氧树脂基屏蔽腻子优化设计及应用研究
发布时间：2019-10-03 14:38
【摘要】：本文针对船用核反应堆辐射场特点、屏蔽防护需求和使用环境条件,开展了屏蔽腻子的优化设计及应用研究。选用耐腐蚀防霉变优异、粘结度强、无毒性的双酚A环氧树脂和脂环胺固化剂作为基体材料,添加粒径约100μm的铅、聚乙烯、碳化硼等屏蔽添加剂提高屏蔽腻子的辐射防护性能。采用蒙特卡罗方法对屏蔽腻子的主要成分配比进行了优化设计。计算结果表明,碳化硼含量为5%~15%、铅含量为80%时,中子的慢化与吸收达到平衡,较高的铅含量大幅增强了其对γ射线及次级γ射线的屏蔽防护能力,使屏蔽腻子对235 U诱发裂变源的综合辐射防护能力达到最佳水平。消泡剂、分散剂、流平剂、促进剂等加工助剂的添加对屏蔽腻子快速固化、气泡排除、混合均匀、成型致密光滑起到了重要促进作用。通过样品试制和试验测试,证明了优化设计的屏蔽腻子具有优异的屏蔽性能、耐辐照老化性能、固化成型质量、粘结强度、混合浇灌施工便捷性能等,能有效满足船用核反应堆等设施屏蔽缝隙处及不规则部位的辐射防护使用需求。
【图文】：
图１屏蔽腻子设计思路Ｆｉｇ．１Ｄｅｓｉｇｎｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｓｈｉｅｌｄｉｎｇｐｕｔｔｙ有机硅树脂对双酚Ａ型环氧树脂进行改性［６］，从而提高基体树脂的整体性能。２）固化剂热固性环氧树脂是线型或带支链结构，仅在与固化剂发生交联反应生成具有三维网状结构的聚合物后才具有应用价值。环氧树脂的种类确定后，固化剂的选择对屏蔽腻子工艺性能和固化产物的成型外观、固化时间、收缩率、粘结强度等综合性能起到了决定性作用［８］。常用的胺类固化剂存在毒性大、气味较刺激、固化速度过快等缺点，导致其与环氧树脂相容性较差。本文采用具有环状结构的饱和脂肪族胺类化合物作为固化剂，并通过改性调整支链长度，以控制固化剂与环氧树脂的相容性及固化速度，提高基体材料对屏蔽添加剂等的分散均匀程度、柔韧性、抗环境开裂性等整体性能，并极大地降低了胺类固化剂的刺激性气味和毒性。３）屏蔽添加剂根据中子、γ射线与物质的相互作用［９－１０］可知，铅、铁、钨等高原子序数元素能通过光电效应、康普顿效应和电子对效应等吸收和散射γ射线，同时通过非弹性散射将快中子慢化为慢中子。慢中子主要与氢含量大的物质通过弹性散射进一步慢化为热中子，最后，添加含硼、钆、镉等热中子吸收截面大的化合物或单质，将热中子吸收。基体树脂氢含量较低（约５％～７％），其对中子的屏蔽性能大幅低于聚乙烯（氢含量约１４．３％）、含硼聚乙烯等常用的屏蔽板材，因此需在环氧树脂基体材料中添加聚乙烯、碳化硼粉等屏蔽添加剂，提高其对中子的慢化吸收能力；同时，针对某些使用部位或场合对γ射线的防护需求，添加铅粉等屏蔽添加剂增强屏蔽腻子对γ射线的防护能
２基于蒙特卡罗方法的屏蔽性能计算２．１计算工具简介本文采用基于蒙特卡罗方法的ＭＣＮＰ程序［１１］，模拟计算不同成分配比屏蔽腻子对２３５Ｕ诱发裂变谱的屏蔽衰减能力，并与主要成分、密度类似的铅硼聚乙烯板进行比较，从而设计出满足屏蔽性能的屏蔽腻子。２．２计算模型建立本文建立的２３５Ｕ诱发裂变谱源项计算模型如图２所示。该模型中将核动力装置辐射源项简化描述为一圆形面源，其能谱与半径无关，实际计算时半径取５ｃｍ。源发射方向垂直于待计算的屏蔽腻子表面，在６０ｃｍ×６０ｃｍ×（５～４０ｃｍ）尺寸的屏蔽腻子后采用点计数器统计该中心点处的注量率，再乘以注量率－剂量率转换因子得到中子、γ的剂量当量率。２３５Ｕ诱发裂变能谱［１２－１３］（即每次裂变释放２．４０７个中子和７．７７个γ光子）的中子和γ光子能谱分布分别为：Ｎ（Ｅｎ）＝０．７７０i幔牛睿澹牛睿保玻梗埃埃埃玻担澹帧埽牛睢埽保矗停澹郑ǎ保危ǎ纽茫剑叮叮埃保停澹帧埽纽茫迹埃叮停澹郑玻埃玻澹保罚福纽茫埃叮停澹帧埽纽茫迹保担停澹郑罚玻澹保埃梗纽茫保担停澹帧埽纽谩躳舙膒疲保埃担停澹郑ǎ玻玻臣扑愎碳敖峁治觯保┘扑愎瘫疚闹胁捎玫挠谢韪男曰费跏髦费踔滴埃矗浮埃担矗男园防喙袒料喽苑肿又柿课保罚埃钇们庠邮玻虼斯袒劣昧堪词剑ǎ常┙屑扑悖海祝剑停牛龋ǎ常┦街校海孜浚保埃埃缁费跏髦韫袒劣昧浚唬臀袒练肿恿浚，
本文编号：2545476
【图文】：
图１屏蔽腻子设计思路Ｆｉｇ．１Ｄｅｓｉｇｎｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｓｈｉｅｌｄｉｎｇｐｕｔｔｙ有机硅树脂对双酚Ａ型环氧树脂进行改性［６］，从而提高基体树脂的整体性能。２）固化剂热固性环氧树脂是线型或带支链结构，仅在与固化剂发生交联反应生成具有三维网状结构的聚合物后才具有应用价值。环氧树脂的种类确定后，固化剂的选择对屏蔽腻子工艺性能和固化产物的成型外观、固化时间、收缩率、粘结强度等综合性能起到了决定性作用［８］。常用的胺类固化剂存在毒性大、气味较刺激、固化速度过快等缺点，导致其与环氧树脂相容性较差。本文采用具有环状结构的饱和脂肪族胺类化合物作为固化剂，并通过改性调整支链长度，以控制固化剂与环氧树脂的相容性及固化速度，提高基体材料对屏蔽添加剂等的分散均匀程度、柔韧性、抗环境开裂性等整体性能，并极大地降低了胺类固化剂的刺激性气味和毒性。３）屏蔽添加剂根据中子、γ射线与物质的相互作用［９－１０］可知，铅、铁、钨等高原子序数元素能通过光电效应、康普顿效应和电子对效应等吸收和散射γ射线，同时通过非弹性散射将快中子慢化为慢中子。慢中子主要与氢含量大的物质通过弹性散射进一步慢化为热中子，最后，添加含硼、钆、镉等热中子吸收截面大的化合物或单质，将热中子吸收。基体树脂氢含量较低（约５％～７％），其对中子的屏蔽性能大幅低于聚乙烯（氢含量约１４．３％）、含硼聚乙烯等常用的屏蔽板材，因此需在环氧树脂基体材料中添加聚乙烯、碳化硼粉等屏蔽添加剂，提高其对中子的慢化吸收能力；同时，针对某些使用部位或场合对γ射线的防护需求，添加铅粉等屏蔽添加剂增强屏蔽腻子对γ射线的防护能
２基于蒙特卡罗方法的屏蔽性能计算２．１计算工具简介本文采用基于蒙特卡罗方法的ＭＣＮＰ程序［１１］，模拟计算不同成分配比屏蔽腻子对２３５Ｕ诱发裂变谱的屏蔽衰减能力，并与主要成分、密度类似的铅硼聚乙烯板进行比较，从而设计出满足屏蔽性能的屏蔽腻子。２．２计算模型建立本文建立的２３５Ｕ诱发裂变谱源项计算模型如图２所示。该模型中将核动力装置辐射源项简化描述为一圆形面源，其能谱与半径无关，实际计算时半径取５ｃｍ。源发射方向垂直于待计算的屏蔽腻子表面，在６０ｃｍ×６０ｃｍ×（５～４０ｃｍ）尺寸的屏蔽腻子后采用点计数器统计该中心点处的注量率，再乘以注量率－剂量率转换因子得到中子、γ的剂量当量率。２３５Ｕ诱发裂变能谱［１２－１３］（即每次裂变释放２．４０７个中子和７．７７个γ光子）的中子和γ光子能谱分布分别为：Ｎ（Ｅｎ）＝０．７７０i幔牛睿澹牛睿保玻梗埃埃埃玻担澹帧埽牛睢埽保矗停澹郑ǎ保危ǎ纽茫剑叮叮埃保停澹帧埽纽茫迹埃叮停澹郑玻埃玻澹保罚福纽茫埃叮停澹帧埽纽茫迹保担停澹郑罚玻澹保埃梗纽茫保担停澹帧埽纽谩躳舙膒疲保埃担停澹郑ǎ玻玻臣扑愎碳敖峁治觯保┘扑愎瘫疚闹胁捎玫挠谢韪男曰费跏髦费踔滴埃矗浮埃担矗男园防喙袒料喽苑肿又柿课保罚埃钇们庠邮玻虼斯袒劣昧堪词剑ǎ常┙屑扑悖海祝剑停牛龋ǎ常┦街校海孜浚保埃埃缁费跏髦韫袒劣昧浚唬臀袒练肿恿浚，
本文编号：2545476
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/anquangongcheng/2545476.html
