反应堆屏蔽

核能源系统的核心部分

反应堆屏蔽是用一定厚度的铅包围反应堆，用以阻挡或减弱反应堆发出的大量中子和γ射线。

反应堆屏蔽简介

反应堆一般都有两重屏蔽。反应堆本体的屏蔽称为一次屏蔽，其作用是把从堆芯泄漏出来并穿过压力壳的中子和γ辐射降低到允许的水平。这就是说，一次屏蔽后的辐射水平，在正常的运行条件下，不应使二回路等受到严重活化，在停堆一定时间后，运行人员可以接近。

二次屏蔽的作用则是对一次屏蔽泄漏出来的辐射以及一回路管道和设备的辐射进行屏蔽。压水堆的安全壳实际上是兼作二次屏蔽的。

因此，一次与二次屏蔽都属于一种整体屏蔽。此外，某些区域还可设置局部屏蔽。

反应堆系统的辐射

原则上说，可能由反应堆系统逸出的辐射中包括α和β粒子，γ射线，各种能量的中子，裂变碎片，甚至有(n，p)反应产生的质子。然而，与屏蔽设计有关的辐射却只需考虑γ射线和中子两种，因为它们的穿透能力最强。能够有效地阻挡这两种射线的任何材料都自然能将其余所有辐射减弱到可以忽略不计的地步。

反应堆屏蔽的目的

设置在堆外围保护人员和设备免受放射线伤害的核反应堆材料。当反应堆运行时，核裂变反应将产生大量中子和γ射线，裂变产物衰变也释放出α、β粒子和γ射线。α和β粒子射程很短，很容易被空气或其他物体吸收，一般对操作人员不构成威胁；中子和γ射线有极强穿透能力，为了阻挡它们要求在反应堆四周设置保护屏蔽层。

反应堆屏蔽的要求

原则上说，反应堆本身的屏蔽问题包含三个方面：快中子慢化、慢化后(或原已慢化)的中子俘获、各种形态的γ辐射的减弱。

1、快中子慢化

低质量数的元素是最好的慢化剂；因此，常采用水中所含的氢作为屏蔽层的组分，以期通过弹性散射慢化中子。然而，对于高能中子，弹性散射截面一般很小，特别是低质量数元素更是如此。

于是，如在屏蔽中加进一种(或几种)中等质量数或高质量数的元素并利用其非弹性散射慢化中子，可能是有利的，这些物质并非优良的慢化剂，即它们不可能通过弹性散射显著降低中子能量，但它们通过非弹性散射可使高能中子迅速慢化。

2、慢化后(或原已慢化)的中子俘获

反应堆屏蔽的另一个问题就是中子在慢化之后被俘获。这实际上是一个比较简单的过程，即使屏蔽材料内不含慢中子俘获截面很大或相当大的材料时也无问题。事实上，一般认为在含有足够多氢原子的屏蔽内，快中子在遭受非弹性散射之后就可以当作已被除去，因为它们进一步慢化并被俘获的概率非常大。

3、γ辐射的减弱

包括由反应堆堆芯产生的初级射及由中子与堆芯以外的材料相互作用而产生的次级辐射。

从这些辐射的行为看来，它们的来源并不重要；在给定介质内的减弱程度只取决于其能量。所有各种物质都能在一定程度上减弱γ射线；对于给定能量的光子，其线性衰减系数(宏观截面)随物质密度而增加。这一系数大体上正比于密度，将特定能量γ辐射减弱到同等程度所需的各种材料厚度反比于其密度。所以在屏蔽层厚度成为重要问题的场合下，应采用高密度材料来减弱γ射线。

核反应堆屏蔽材料及特点

屏蔽快中子需选用轻元素组成的材料，屏蔽γ射线则需选用重元素组成的材料，因此堆外屏蔽层往往采用兼含轻重元素的联合结构。

常用的屏蔽层材料有：屏蔽混凝土、含硼贴层、重金属等。

1、X射线屏蔽材料

X射线是一种光子辐射，本质上是一种电磁波，有很强的穿透力，其波长范围为0.01～100A，主要是由原子内层轨道电子跃迁或高能电子减速时与物质的能量交换作用产生，实验室常用具有高真空的X射线管来产生。目前对低能X射线的屏蔽一般采用含铅玻璃、有机玻璃及橡胶等制品，考虑到含铅氧化物的毒性，现在一般采用混凝土[53或纤维E6～10]织物来防护X射线。

最初前苏联科研人员用粘胶纤维织物为对象，通过对聚丙烯腈接枝，用硫酸钠溶液处理接枝共聚材料，最后用醋酸铅溶液处理被改性的织物来制成防护服，此防护服屏蔽效果好，但工艺较复杂，制取难度大。日本和奥地利的研究人员分别将硫酸钡添加到粘胶纤维中制成防辐射纤维，用该纤维加工的织物经层压或在织物中填加含有屏蔽剂的粘合剂后热压制成的层压织物，均是防护X射线辐射的良好材料。

2、防γ射线屏蔽材料

γ射线与X射线一样，也是一种比紫外线波长短得多的电磁波。通常由重核裂变、裂变产物衰变、辐射俘获、非弹性散射、活化产物衰变产生。γ光子不带电，与物质相互作用机制不同于带电粒子，主要以光电效应、康普顿效应和电子对效应为主，与物质发生一次相互作用会导致其损失大部分或全部能量。

屏蔽γ射线的材料很多，如水、土壤、铁矿石、混凝土、铁、铅、铅玻璃、铀以及钨、铅硼聚乙烯等。这些材料对γ射线的屏蔽效果各不相同，其中重金属最有效，体积小、总重量轻，但通常对γ射线具有良好减弱性能的材料也会因发生中子非弹性散射和辐射俘获而产生二次γ射线，此时次级辐射的产生就必须要考虑，我们可在相应屏蔽材料中再加入一定量的铅，目的是屏蔽掉一次和二次γ射线。

日本曾用甲基丙烯酸铅与乙烯基酯共聚的方法制取了防了射线透明材料，防护效果较好，并申请了专利；国内蒋平平等通过溶剂法、重结晶法合成了纯度较高，适合本体聚合的有机铅化合物，制备了透光率大于80%，有一定力学性能的防辐射有机材料，经实验，此聚合物对中、低能γ射线具有明显的防护作用。

由于铅有毒，近年来人们为了防止公害、保护环境，提出了开发代替铅的辐射屏蔽材料的要求。日本东京都立产业技术研究所与橡胶、塑料生产厂商合作，通过在氯丁橡胶里混入10%的钨、铋、氧化铋等3种添加料而获得了高密度橡胶。与铅橡胶相比，此高密度橡胶更薄、更轻，屏蔽辐射效果优于铅。

3、其它粒子及其屏蔽材料

带电粒子主要有：电子、质子、a粒子和核反应产生的一切带电重粒子，其中a粒子是通过与靶原子电子多次碰撞后逐渐损失能量，射程较短，一般无外照射危险，但当一定量的a放射性核素进入体内时，可造成严重内照射，因此对a射线主要是内照防护。

β射线是高速运动电子流，带负电，质量小、速度快，可接近光速。β粒子在穿过物质时，可与原子的核外电子发生非弹性碰撞，使后者发生电离或激发，还会使其产生电磁辐射，特别是高能电子与重元素相互作用时，更容易发生轫致辐射，发出波长连续的x射线，从这点上考虑，用铅等重金属屏蔽β射线，并不能起到很好的防护作用。应使用原子序数较小的物质，如铅或是有机玻璃。

由此可见，防护射线必须考虑两层屏蔽，第一层用低原子序数的材料屏蔽β射线，常用材料有烯基塑料、有机玻璃及铝等；第二层用高原子序数的材料屏蔽轫致辐射，如铁、钢板和铅板等。

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