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空间堆阴影屏蔽结构与材料选型

黄迁明 李兰 柴晓明 刘斌 应栋川

黄迁明, 李兰, 柴晓明, 刘斌, 应栋川. 空间堆阴影屏蔽结构与材料选型[J]. 核动力工程, 2023, 44(4): 17-24. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.04.0017
引用本文: 黄迁明, 李兰, 柴晓明, 刘斌, 应栋川. 空间堆阴影屏蔽结构与材料选型[J]. 核动力工程, 2023, 44(4): 17-24. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.04.0017
Huang Qianming, Li Lan, Chai Xiaoming, Liu Bin, Ying Dongchuan. Selection of Shadow Shielding Structure and Material for Space Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(4): 17-24. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.04.0017
Citation: Huang Qianming, Li Lan, Chai Xiaoming, Liu Bin, Ying Dongchuan. Selection of Shadow Shielding Structure and Material for Space Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(4): 17-24. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.04.0017

空间堆阴影屏蔽结构与材料选型

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.04.0017
详细信息
    作者简介:

    黄迁明(1992—),男,高级工程师,现主要从事反应堆源项与屏蔽设计研究,E-mail: huangqianming@pku.org.cn

  • 中图分类号: TL371

Selection of Shadow Shielding Structure and Material for Space Reactor

  • 摘要: 空间堆对辐射屏蔽尺寸和重量要求苛刻,为寻找合适的屏蔽方案,需要对屏蔽材料、结构进行选型研究。本文首先介绍了国内外对空间堆屏蔽目标及限值的研究进展,基于反应堆屏蔽设计原理,针对不同应用场景抽象出平板模型和球模型,在不同设计目标下对不同材料的屏蔽性能进行分析,基于分析结果采用自动化优化工具对屏蔽方案进行选型,分析了各个方案的优缺点。结果表明,放射源的能谱、源的尺寸大小、屏蔽体离源的距离、不同的屏蔽设计目标都会影响屏蔽材料和结构的选择,需要根据应用需求进行筛选;碳化硼、氢化锂和钨是较好的空间堆屏蔽材料;利用自动化优化工具对屏蔽体进行分层布置可实现有效减重。

     

  • 图  1  中子屏蔽性能计算模型

    Figure  1.  Calculation Model of Neutron Shielding Performance

    图  2  反射层外表面中子能谱

    Figure  2.  Neutron Energy Spectrum of Reflector Outer Surface

    图  3  光子屏蔽性能计算模型

    Figure  3.  Calculation Model of Photon Shielding Performance

    图  4  材料在不同分析模型下的中子屏蔽性能

    Figure  4.  Neutron Shielding Performance of Materials under Different Analysis Models

    图  5  球模型中中子通过不同6Li富集度氢化锂、不同10B富集度碳化硼的注量率随重量的变化

    Figure  5.  Variation of Fluence Rate of Neutron Passing Through Lithium Hydride (Different 6Li Enrichment) and Boron Carbide (Different 10B Enrichment) with Weight in Spherical Model

    图  6  球模型中经过相同屏蔽重量后的中子能谱

    Figure  6.  Neutron Energy Spectrum with the Same Shielding Weight in Spherical Model

    图  7  球模型中经过不同屏蔽重量后次生光子产生率

    Figure  7.  Generation rate of Secondary Photons with Different Shielding Weights in Spherical Model

    图  8  材料在不同分析模型下的光子屏蔽性能

    Figure  8.  Photon Shielding Performance of Materials under Different Analysis Models

    图  9  距离敏感性计算模型

    Figure  9.  Distance Sensitivity Calculation Model

    图  10  不同屏蔽指标与屏蔽体距放射源不同距离的关系

    Figure  10.  Relationship between Different Shielding Index and Different Distance from Shield to Source

    图  11  聚乙烯+铅组合屏蔽结构示意图

    Figure  11.  Schematic Diagram of Polyethylene + Lead Combined Shielding Structure

    图  12  碳化硼+氢化锂组合屏蔽结构示意图

    Figure  12.  Schematic Diagram of Boron Carbide + Lithium Hydride Combined Shielding Structure

    表  1  美国和俄罗斯的空间堆屏蔽目标及限值

    Table  1.   U.S. and Russian Space Reactor Shielding Targets and Limits

    反应堆国别年代屏蔽目标设计限值
    SNAP-10A美国1958—1965电子器件1×104 Gy
    1×1012 cm−2(En>0.1 MeV)
    TOPAZ-2苏联/俄罗斯1972—199218.5 m处用户平面5×102 Gy
    1×1011 cm−2
    (等效1 MeV中子)
    SP-100美国1983—199022 m处用户平面5×103 Gy
    1×1013 cm−2
    (等效1 MeV中子)
    Naval美国2002—200522 m处用户平面5×103 Gy
    1×1013 cm−2
    (等效1 MeV中子)
    Kilopower美国2006—10 m处用户平面2.5×102 Gy
    1×1011 cm−2(En>0.1 MeV)
      En—中子动能
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    表  2  不同电子器件抗中子辐照能力

    Table  2.   Resistance of Different Electronic Devices to Neutron Irradiation

    器件类型中子注量/cm−2器件类型中子注量/cm−2
    低频晶体管1010~1011整流二极管1013~1014
    中频晶体管1012~1013稳压二极管5×1013~5×1014
    高频晶体管1013~1014隧道二极管5×1014~5×1015
    可控硅<1013逻辑电路5×1013~1×1015
    单结晶体管5×1011~5×1012继电器6.5×1014
    线性电路5×1012微波器件1014~1015
    结型场效应管1014~1015石英晶体1013~1014
    金属氧化物半导体场效应管1014~1015阻容元件1015~1016
    金属氧化物半导体电路5×1014电真空器件1015~1017
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    表  3  不同屏蔽方案的屏蔽效果

    Table  3.   Shielding Performance of Different Shielding Schemes

    方案种类屏蔽总
    重/kg
    屏蔽体
    厚度/cm
    中子注量率/
    (cm−2·s−1)
    光子剂量率/
    (Gy·s−1)
    聚乙烯+铅61.262+5.63.0×1063.0×10−3
    聚乙烯+碳化硅94.643+30.52.8×1063.0×10−3
    碳化硼82.967.53.1×1063.3×10−4
    碳化硼+氢化锂67.559+62.9×1062.9×10−3
    氢化锂+钨53.953+53.2×1062.9×10−3
    氢化锂+碳化硅85.134+343.0×1063.1×10−3
    氢化锆106.3512.8×1061.4×10−4
    氢化锆+氢化锂46.426.5+28.53.1×1062.9×10−3
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-05
  • 修回日期:  2022-09-29
  • 刊出日期:  2023-08-15

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