專利名稱:一種中子垃圾桶及防中子輻射的復(fù)合材料的制作方法
【專利摘要】本申請(qǐng)公開(kāi)了一種中子垃圾桶及防中子輻射的復(fù)合材料。本申請(qǐng)的中子垃圾桶，包括一端開(kāi)口的具有桶形空腔結(jié)構(gòu)的重核材料桶，重核材料桶的底端依序鋪設(shè)有中子吸收層、鋼材層和輕元素層；重核材料桶采用鉛、鎢或貧鈾制備；中子吸收層采用硼、鋰或釓，或者硼、鋰或釓的化合物制備；輕元素層采用聚乙烯、水或石蠟中的指示一種制備。本申請(qǐng)的中子垃圾桶及復(fù)合材料，能夠有效的截?cái)嘀凶邮?，并且在重核材料桶中設(shè)計(jì)輕元素層、鋼材層和中子吸收層，利用各層的相互作用，提高了中子吸收效果，在相同的吸收效果下，有效的減小了中子垃圾桶的體積，以方便其在各種空間條件下安裝使用。
【專利說(shuō)明】
一種中子垃圾桶及防中子輻射的復(fù)合材料
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本申請(qǐng)涉及防輻射領(lǐng)域，特別是涉及一種中子垃圾桶及防中子輻射的復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002]中子由于是電中性的，在穿過(guò)物質(zhì)時(shí)不與原子外圍的電子發(fā)生電磁相互作用，而只與原子核產(chǎn)生強(qiáng)相互作用。因?yàn)樵雍说陌霃椒浅Ｐ。仍影霃叫?個(gè)量級(jí)，因此中子與原子核的作用截面也就非常小，所以中子穿透能力非常強(qiáng)。這種特性對(duì)利用中子探測(cè)物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是非常有利的，但是對(duì)于輻射防護(hù)而言，就增加了難度。
[0003]中子不帶電，在通過(guò)物質(zhì)時(shí)不會(huì)引起直接電離，但是通過(guò)核反應(yīng)后，產(chǎn)生能引起電離反應(yīng)的次級(jí)粒子?？偟膩?lái)說(shuō)，中子與物質(zhì)的相互作用可能發(fā)生的過(guò)程有:產(chǎn)生帶電粒子的核反應(yīng)、彈性散射和非彈性散射、核裂變和中子俘獲。由于中子的能量范圍很寬，因此不同的反應(yīng)道其截面也各不相同。
[0004]在天然本底宇宙射線中，中子輻射少，對(duì)環(huán)境與人體的危害幾乎可以忽略不計(jì)，一般情況不采取任何防護(hù)措施。但對(duì)于核電站反應(yīng)堆、實(shí)驗(yàn)核反應(yīng)堆、以及新興起的散裂中子源來(lái)說(shuō)，輻射中含有大量的中子，做好輻射防護(hù)是開(kāi)展相關(guān)裝置建設(shè)的首要條件。在實(shí)驗(yàn)室，采用各種辦法將中子集成很強(qiáng)的中子束流，以供特殊的實(shí)驗(yàn)使用。實(shí)驗(yàn)中束流只有一部分中子參與實(shí)驗(yàn)，而剩余的束流則必須采用特殊裝置擋在束線的末端將其吸收掉，這種裝置就叫中子垃圾桶。一般的中子垃圾桶是將鋼塊嵌入一大塊混凝土中，由于鋼鐵具有吸收中子本領(lǐng)，再加上混凝土中夾雜各種輕重元素材料，因此可以達(dá)到截?cái)嘀凶邮鞯哪康?。但是這樣簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)往往體積非常龐大，對(duì)于空間非常有限的地方來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)好的選擇。因此，有必要設(shè)計(jì)一種更為有效的中子垃圾桶，以應(yīng)對(duì)像散裂中子源這樣大量中子束的特殊設(shè)備。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本申請(qǐng)的目的是提供一種新結(jié)構(gòu)的中子垃圾桶，以及基于該中子垃圾桶而提出的防中子輻射的復(fù)合材料。
[0006]本申請(qǐng)采用了以下技術(shù)方案:
[0007]本申請(qǐng)公開(kāi)了一種中子垃圾桶，包括一端開(kāi)口的具有桶形空腔結(jié)構(gòu)的重核材料桶，重核材料桶的底端依序鋪設(shè)有中子吸收層、鋼材層和輕元素層;重核材料桶采用鉛、鎢或貧鈾制備；中子吸收層采用硼、鋰或釓，或者硼、鋰或釓的化合物制備;輕元素層采用聚乙烯、水或石蠟中的指示一種制備。
[0008]需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)的中子垃圾桶是按照各層的鋪設(shè)順序進(jìn)行描述的，即通常來(lái)說(shuō)，是先制備重核材料桶，該重核材料桶可以形象的理解為一個(gè)水桶，然后依次向桶底鋪設(shè)中子吸收層、鋼材層和輕元素層，使用時(shí)，桶的開(kāi)口面向中子束流，即中子束流先經(jīng)過(guò)輕元素層緩沖，然后由鋼材層吸收部分，再由中子吸收層吸收部分，最后由重核材料桶進(jìn)一步吸收中子以及次生伽瑪射線，以保障防輻射效果。可以理解，中子的吸收最主要的就是中子束流方向上中子的吸收，因此，本申請(qǐng)的各層是直接鋪設(shè)在重核材料桶的桶底的。在本申請(qǐng)的優(yōu)選方案中，中子吸收層、鋼材層和輕元素層將重核材料桶填充滿。
[0009]還需要說(shuō)明的是，其中輕元素層為水時(shí)，如果中子垃圾桶不是正向豎立放置，則需要采用一個(gè)容器將水固定，該容器只要能夠經(jīng)受中子輻射而不破損即可，在此不做具體限定。
[0010]優(yōu)選的，重核材料桶的底端厚度為10-20cm，側(cè)壁厚度為5-lOcmo
[0011]需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)的中子垃圾桶使用時(shí)，其開(kāi)口端是正對(duì)中子束流的，即通常來(lái)說(shuō)，中子束流是以垂直或近似垂直的角度射入中子垃圾桶;如前面提到的，中子的吸收最主要的就是中子束流方向上中子的吸收，因此，在優(yōu)選的方案中，重核材料桶的底端設(shè)計(jì)得更厚些，而側(cè)壁則相對(duì)薄些，這樣既不影響中子吸收效果，又能節(jié)約空間，節(jié)省材料。
[0012]優(yōu)選的，中子吸收層的厚度為5_20cm。
[0013]優(yōu)選的，鋼材層的厚度為20-30cmo[00M]優(yōu)選的，輕元素層的厚度為20_25cmo
[0015]優(yōu)選的，重核材料桶的外表面還包裹有一層混凝土層，位于重核材料桶底端的混凝土層的厚度為20-60cm，位于重核材料桶側(cè)壁的混凝土層的厚度為10-50cmo
[0016]需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)的中子垃圾桶是整個(gè)鑲嵌在混凝土層中的，這樣不僅可以很好的固定中子垃圾桶，而且可以利用混合土層進(jìn)一步的吸收中子，提高安全保障。同樣的，考慮中子束流方向，將重核材料桶底端的混凝土層設(shè)計(jì)得更厚，而側(cè)壁的混凝土層則相對(duì)較薄些。
[0017]優(yōu)選的，本申請(qǐng)的中子垃圾桶為四方形。
[0018]本申請(qǐng)的另一面公開(kāi)了一種防中子輻射的復(fù)合材料，該復(fù)合材料包括依序?qū)盈B設(shè)置的輕元素層、鋼材層、中子吸收層和重核材料層;輕元素層采用聚乙烯、水或石蠟中的指示一種制備；中子吸收層采用硼、鋰或釓，或者硼、鋰或釓的化合物制備；重核材料層采用鉛、鎢或貧鈾制備。
[0019]需要說(shuō)明的是，其中輕元素層為水時(shí)，需要采用一個(gè)容器將水固定，該容器只要能夠經(jīng)受中子輻射而不破損即可。本申請(qǐng)的復(fù)合材料，使用時(shí)，是輕元素層直接面向中子束流的，中子束流經(jīng)過(guò)輕元素層緩沖，先被鋼材層吸收部分，然后再由對(duì)中子吸收能力較強(qiáng)的中子吸收層對(duì)剩余部分的中子進(jìn)行吸收，最后采用重核材料層，進(jìn)一步保障中子的吸收，避免中子逃逸產(chǎn)生不良輻射。
[0020]可以理解，本申請(qǐng)的防中子輻射的復(fù)合材料，實(shí)際上就是根據(jù)中子垃圾桶的結(jié)構(gòu)而提出的。本申請(qǐng)的中子垃圾桶的結(jié)構(gòu)能夠有效的吸收中子，因此，獨(dú)立的提出其類似結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，該復(fù)合材料不僅可以用于中子垃圾桶，還可以用于其它對(duì)防輻射要求較高的中子設(shè)施中。
[°021 ]優(yōu)選的，輕元素層的厚度為20-25cm;鋼材層的厚度為20-30cm;中子吸收層的厚度為5-20cm;重核材料層的厚度為5-20cmo
[0022]需要說(shuō)明的是，各層的厚度可以根據(jù)具體需要處理的中子束流強(qiáng)度而定，本申請(qǐng)所列的具體厚度是針對(duì)散裂中子源的應(yīng)用而優(yōu)化設(shè)計(jì)的，其可以滿足幾個(gè)meV到幾個(gè)GeV的中子束流的防輻射?？梢岳斫猓谝恍┦鲝?qiáng)度相對(duì)較弱的設(shè)施中，為了減小占地空間，也可以將各層設(shè)計(jì)得更薄，在此不做具體限定。
[0023]優(yōu)選的，本申請(qǐng)的復(fù)合材料還包括混凝土層，混凝土層鋪設(shè)于重核材料層之后，SP復(fù)合材料依序包括輕元素層、鋼材層、中子吸收層、重核材料層和混凝土層。
[0024]需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)的復(fù)合材料在使用時(shí)通常都是鑲嵌在混凝土層中的，利用混凝土層中夾雜的各種輕重元素材料進(jìn)一步保障中子的吸收。
[0025]優(yōu)選的，混凝土層的厚度為30-60cm。
[0026]本申請(qǐng)的有益效果在于:
[0027]本申請(qǐng)的中子垃圾桶及復(fù)合材料，能夠有效的截?cái)嘀凶邮鳎⑶以谥睾瞬牧贤爸性O(shè)計(jì)輕元素層、鋼材層和中子吸收層，利用各層的相互作用，提高了中子吸收效果，在相同的吸收效果下，有效的減小了中子垃圾桶的體積，以方便其在各種空間條件下安裝使用。
【附圖說(shuō)明】

[0028]圖1是本申請(qǐng)實(shí)施例中中子垃圾桶的正面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2是本申請(qǐng)實(shí)施例中中子垃圾桶的側(cè)面剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3是本申請(qǐng)另一實(shí)施例中中子垃圾桶的正面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4是本申請(qǐng)另一實(shí)施例中中子垃圾桶的側(cè)面剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]本申請(qǐng)的中子垃圾桶，在桶形結(jié)構(gòu)的重核材料桶內(nèi)填充多層材料，包括中子吸收層、鋼材層和輕元素層，利用各層相互作用，實(shí)現(xiàn)了中子的有效吸收截留，與傳統(tǒng)的直接采用鋼材和混凝土吸收中子的方式相比，本申請(qǐng)的中子垃圾桶體積可以更小，能夠在更小的空間內(nèi)安裝使用，并且能夠?qū)崿F(xiàn)從幾個(gè)meV到幾個(gè)GeV的中子束流的截?cái)?，完全可以滿足散裂中子源的使用需求。
[0033]下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例僅對(duì)本申請(qǐng)進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不應(yīng)理解為對(duì)本申請(qǐng)的限制。
[0034]實(shí)施例一
[0035]本例的中子垃圾桶，如圖1和圖2所示，包括一端開(kāi)口的具有桶形空腔結(jié)構(gòu)的重核材料桶，重核材料桶呈四方形，重核材料桶的底端依序鋪設(shè)有中子吸收層、鋼材層和輕元素層，重核材料桶的外表面包裹一層混凝土層。本例的重核材料桶是采用鉛制備四邊形的鉛桶2，鉛桶2的底端厚10cm，鉛桶的側(cè)壁厚5cm;中子吸收層為碳化硼制備的5cm的碳化硼層4;鋼材5的厚度為30cm ；輕元素層為聚乙稀制備的20 cm的聚乙稀層3。鉛桶外表面的混凝土層I中，位于鉛桶底端的混凝土層厚40cm，鉛桶側(cè)壁的混凝土層厚30cmo
[0036]采用FLUKA多功能蒙特卡羅模擬軟件對(duì)本例的中子垃圾桶在中國(guó)散裂中子源實(shí)驗(yàn)束線的應(yīng)用進(jìn)行了模擬計(jì)算。需要說(shuō)明的是，本例采用的FLUKA是一款國(guó)際通用的多功能模擬軟件，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋宇宙射線物理、中微子物理、加速器物理設(shè)計(jì)、粒子物理、熱量、粒子跟蹤以及探測(cè)模擬、ADS系統(tǒng)、屏蔽計(jì)算、放射劑量與輻射防護(hù)、強(qiáng)子、和中子物理等眾多領(lǐng)域。測(cè)試結(jié)果顯示，中子束流能被中子垃圾桶有效截?cái)啵椛鋭┝慨?dāng)量從垃圾桶前端的約1.5萬(wàn)微希沃特每小時(shí)(ySv/hr)經(jīng)過(guò)垃圾桶后到達(dá)末端降到安全值2.5微希沃特每小時(shí)以下。
[0037]實(shí)施例二
[0038]本例的中子垃圾桶，如圖3和圖4所示，其基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一相同，只是，重核材料桶采用貧鈾制備的貧鈾桶22替換實(shí)施例一的鉛桶，貧鈾桶的底端和側(cè)壁厚度與實(shí)施例一相同；同時(shí)，中子吸收層采用氧化釓制備的氧化釓層24替換實(shí)施例一的碳化硼層，氧化釓的厚度與實(shí)施例一相同；本例的鋼材25的厚度為25cm;本例的輕元素層采用石錯(cuò)層23替換實(shí)施例一的聚乙烯層，石蠟層的厚度為25cm?；炷翆?1的厚度與實(shí)施例一相同，其余與實(shí)施例一相同。
[0039]同樣的，采用與實(shí)施例一相同的模擬測(cè)試方法對(duì)本例的中子垃圾桶進(jìn)行了模擬計(jì)算。結(jié)果顯示，輻射劑量當(dāng)量從垃圾桶前端的約1.5萬(wàn)微希沃特每小時(shí)經(jīng)過(guò)垃圾桶后到達(dá)末端降到安全值2.5微希沃特每小時(shí)以下，可見(jiàn)本例的中子垃圾桶能夠有效的截?cái)嘀凶邮鳌?br>[0040]在以上實(shí)施例的基礎(chǔ)上，本申請(qǐng)進(jìn)一步對(duì)重核材料桶、中子吸收層和輕元素層的材料以及各層的厚度進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。結(jié)果顯示，重核材料桶除了采用鉛和貧鈾外還可以采用鎢；中子吸收層除了碳化硼和氧化釓以外，還可以直接采用硼、鋰或釓;輕元素層處理聚乙烯和石蠟以外，還可以采用水。對(duì)于各層的厚度，結(jié)果顯示，重核材料桶的底端厚度為10-20cm，側(cè)壁厚度為5-10cm，中子吸收層的厚度為5-20cm，鋼材層的厚度為20-30cm，輕元素層的厚度為20-25cm，位于重核材料桶底端的混凝土層的厚度為20-60cm，位于重核材料桶側(cè)壁的混凝土層的厚度為10-50cm;在這樣一個(gè)范圍內(nèi)基本上都可以滿足安全使用需求，厚度越大其中子束流截留效果越好，也越保險(xiǎn)。
[0041]此外，鑒于本申請(qǐng)的中子垃圾桶具有良好的中子吸收效果，并且體積小，本申請(qǐng)單獨(dú)將中子垃圾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成防中子輻射的復(fù)合材料，即包括依序?qū)盈B設(shè)置的輕元素層、鋼材層、中子吸收層、重核材料層和混凝土層。其中，輕元素層采用聚乙烯、水或石蠟中的指示一種制備；中子吸收層采用硼、鋰或釓，或者硼、鋰或釓的化合物制備；重核材料層采用鉛、鎢或貧鈾制備。輕元素層的厚度為20-25cm;鋼材層的厚度為20-30cm;中子吸收層的厚度為5-20cm;重核材料層的厚度為5-20cm;混凝土層的厚度為20-60cm。其中，混凝土層可以根據(jù)使用需求選擇使用。由于復(fù)合材料采用了類似中子垃圾桶的結(jié)構(gòu)，因此，其同樣具有良好的中子吸收功能，能夠有效的對(duì)中子束流進(jìn)行截留。
[0042]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本申請(qǐng)所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本申請(qǐng)的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本申請(qǐng)構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本申請(qǐng)的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種中子垃圾桶，其特征在于:包括一端開(kāi)口的具有桶形空腔結(jié)構(gòu)的重核材料桶，所述重核材料桶的底端依序鋪設(shè)有中子吸收層、鋼材層和輕元素層;所述重核材料桶采用鉛、鎢或貧鈾制備;所述中子吸收層采用硼、鋰或釓，或者硼、鋰或釓的化合物制備;所述輕元素層采用聚乙烯、水或石蠟中的指示一種制備。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子垃圾桶，其特征在于:所述重核材料桶的底端厚度為10-20cm，側(cè)壁厚度為5-10cm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子垃圾桶，其特征在于:所述中子吸收層的厚度為5-20cm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子垃圾桶，其特征在于:所述鋼材層的厚度為20-30cm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子垃圾桶，其特征在于:所述輕元素層的厚度為20-25cm。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的中子垃圾桶，其特征在于:所述重核材料桶的外表面還包裹有一層混凝土層，位于重核材料桶底端的混凝土層的厚度為20-60cm，位于重核材料桶側(cè)壁的混凝土層的厚度為10-50cm ο7.—種防中子輻射的復(fù)合材料，其特征在于:包括依序?qū)盈B設(shè)置的輕元素層、鋼材層、中子吸收層和重核材料層;所述輕元素層采用聚乙烯、水或石蠟中的指示一種制備;所述中子吸收層采用硼、鋰或釓，或者硼、鋰或釓的化合物制備;所述重核材料層采用鉛、鎢或貧鈾制備。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合材料，其特征在于:所述輕元素層的厚度為20-25cm;所述鋼材層的厚度為20-30cm;所述中子吸收層的厚度為5-20cm;所述重核材料層的厚度為5-20cm。9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的復(fù)合材料，其特征在于:還包括混凝土層，所述混凝土層鋪設(shè)于重核材料層之后，即復(fù)合材料依序包括輕元素層、鋼材層、中子吸收層、重核材料層和混凝土層。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的復(fù)合材料，其特征在于:所述混凝土層的厚度為10-60cm。
【文檔編號(hào)】G21F1/04GK205722830SQ201620345438
【公開(kāi)日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年4月22日
【發(fā)明人】羅萬(wàn)居, 梁天驕, 沈飛, 梁泰然, 于全芝, 殷雯
【申請(qǐng)人】東莞中子科學(xué)中心, 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所