CN111489796B - 计算材料的中子屏蔽性能的方法、系统及介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种计算材料的中子屏蔽性能的方法、系统及介质，包括：步骤1：对样品进行微观表征，统计样品的微观组织信息；步骤2：根据微观组织信息，计算屏蔽颗粒的个数和基底材料的吸收截面；步骤3：计算复合材料的有效吸收截面；步骤4：将复合材料的有效吸收截面作为基底材料的吸收截面，返回步骤2继续执行，直到计算完所有屏蔽颗粒，得到复合材料的总体中子衰减系数。本发明可以根据材料中所含有多种微观颗粒的尺寸分布，形状，体积分数等信息对材料的中子屏蔽性能的进行定量计算；解决了传统匀质的中子屏蔽性能计算方法中忽略了材料中多种颗粒和相的微观尺寸分布，形状等信息对中子屏蔽性能的影响的问题。

Description

计算材料的中子屏蔽性能的方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及中子应用技术领域，具体地，涉及一种计算材料的中子屏蔽性能的方法、系统及介质。

背景技术

中子辐射在核电站和航空航天行业中十分常见，并且危害极大。对中子辐射屏蔽的研究十分重要，对材料中子屏蔽能力的计算和评估也十分重要。

Toshihiro Yamamoto在2010年在Annals of Nuclear Energy期刊的37版的398-405页公布了一种计算材料屏蔽性能的方法。虽然该方法可以考虑添加屏蔽颗粒的尺寸对材料的屏蔽性能的影响，但该方法只能考虑单一尺寸的单一球形颗粒的影响。

专利文献109101704A(申请号：201810819405.6)公开了一种贫化铀用作船用核动力舱室防护材料的可行性评价方法，针对贫化铀用作船用核动力反应堆舱室防护材料，采用蒙特卡罗粒子输运程序与燃耗计算程序相耦合的分析方法，进行中子与贫化铀材料相互作用过程的精细化表征，计算堆芯中子、堆芯γ射线、贫化铀(n,γ)反应产生的γ射线、贫化铀中子辐照二次产物的γ射线等四种射线的屏蔽效果，分别给出贫化铀材料对核动力反应堆周围中子屏蔽性能评价指标和γ射线综合屏蔽性能评价指标。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种计算材料的中子屏蔽性能的方法、系统及介质。

根据本发明提供的计算材料的中子屏蔽性能的方法，包括：

步骤1：对样品进行微观表征，统计样品的微观组织信息；

步骤2：根据微观组织信息，计算屏蔽颗粒的个数和基底材料的吸收截面；

步骤3：计算复合材料的有效吸收截面；

步骤4：将复合材料的有效吸收截面作为基底材料的吸收截面，返回步骤2继续执行，直到计算完所有屏蔽颗粒，得到复合材料的总体中子衰减系数。

优选地，所述微观组织信息包括微观颗粒的尺寸、行政、体积分数和化学成分。

优选地，所述步骤2包括：材料的中子衰减系数表示为：Σ＝∑N_i×σ_i；

其中，N_i表示单位体积内的i原子数量；σ_i表示i原子的中子吸收截面。

优选地，N_i表示为：

则材料的中子衰减系数表示为：

其中ρ表示该成份的密度；N_a是阿伏加德罗常数，大小为6.02x10^23每摩尔；n_i表示单个分子中含有i原子的个数；M表示分子的摩尔质量。

优选地，基底和颗粒的宏观中子衰减系数分别表示为Σm和Σa，材料总体的宏观中子有效衰减系数为

颗粒为单一平均尺寸，将厚度为Z的材料沿着入射方向分成N等分，每份厚度为L＝Z/N，若L足够小，则在每一层中沿着入射方向都只存在一个颗粒。

优选地，所述颗粒在材料中均匀分布，在每层中随机的分布。

优选地，材料垂直于入射方向的总截面面积为S，每一个颗粒投影到截面上的面积为S₀，颗粒体积为V₀，颗粒投影到截面上的总面积为：

入射中子与颗粒相碰撞的可能性p为：

其中，α表示颗粒的体积分数；

中子在单层中的传输比表示为：

其中，t表示中子经过的颗粒的弦长，q(t)表示弦长的密度，不同形状的颗粒具有不同的q(t)，C max是颗粒的最大弦长；I表示中子的强度；I₀表示入射中子的强度；

传输比直接用宏观中子有效吸收截面表示为：

得到宏观中子有效吸收截面为：

其中，ΔΣ＝Σ_a-Σ_m。

优选地，对于多种尺寸的颗粒或相，尺寸分布用ω(D)表示，每一个颗粒投影到截面上的面积为S₀(D)，其体积为V₀(D)，则

其中，S_a(D)表示直径为D颗粒投影到截面上的总面积；p(D)表示中子与直径为D颗粒相碰撞的可能性；

每个尺寸的颗粒宏观中子有效吸收截面为：

对于多尺寸的颗粒，材料总的宏观中子有效吸收截面为：

q(t,D)为对于直径为D的颗粒的弦长的分布函数。

根据本发明提供的计算材料的中子屏蔽性能的系统，包括：

模块M1：对样品进行微观表征，统计样品的微观组织信息；

模块M2：根据微观组织信息，计算屏蔽颗粒的个数和基底材料的吸收截面；

模块M3：计算复合材料的有效吸收截面；

模块M4：将复合材料的有效吸收截面作为基底材料的吸收截面，调回模块M2，直到计算完所有屏蔽颗粒，得到复合材料的总体中子衰减系数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明可以根据材料中所含有多种微观颗粒的尺寸分布，形状，体积分数等信息对材料的中子屏蔽性能的进行定量计算；

2、本发明解决了传统匀质的中子屏蔽性能计算方法中忽略了材料中多种颗粒和相的微观尺寸分布，形状等信息对中子屏蔽性能的影响的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1，根据本发明提供的计算材料的中子屏蔽性能的方法，包括：

步骤一：对样品进行微观表征，统计样品的微观组织信息如微观颗粒的尺寸、行政、体积分数、化学成分等。

步骤二：根据已知化学成分，分别计算出基底材料和所含有的多种屏蔽颗粒的中子吸收截面，材料的中子衰减系数为各个原子的个数密度与其中子吸收截面的乘积Σ＝∑N_i×σ_i而N_i又可以表示为

所以各个成分的中子衰减系数可以表示为：

其中ρ表示该成份的密度；Na是阿伏加德罗常数，大小为6.02*10^23每摩尔；n_i表示单个分子中含有几个i原子；M则是该分子的摩尔质量。

步骤三：只考虑基底材料和其中一种颗粒的二元系统，此时基底和颗粒的宏观中子衰减系数分别表示为Σm和Σa，材料总体的宏观中子有效衰减系数为

首先只考虑颗粒的单一平均尺寸。将厚度为Z的材料沿着入射方向被分成N等分，每份厚度为L＝Z/N。L足够小，使得在每一层中沿着入射方向都只存在一个颗粒，而不会屏蔽其他颗粒。颗粒在材料中均匀分布，在每层中随机的分布。

假设材料垂直于入射方向的总截面面积为S，而每一个颗粒投影到截面上的面积为S₀，其体积为V₀。因此，颗粒投影到该截面上的总面积为Sa为

而入射中子与颗粒相碰撞的可能性p为：

因此，中子在单层中的传输比可以表示为：

其中，t表示中子经过的颗粒的弦长，q(t)表示弦长的密度，不同形状的颗粒具有不同的q(t)，Cmax是颗粒的最大弦长。同时，传输比还可以直接用宏观中子有效吸收截面来直接表示：

由可得到宏观中子有效吸收截面为：

其中ΔΣ＝Σ_a-Σ_m。

对于多种尺寸的颗粒或相，其尺寸分布用ω(D)表示。而每一个颗粒投影到截面上的面积为S₀(D)，其体积为V₀(D)，

因此，只考虑每个尺寸的颗粒宏观中子有效吸收截面为：

对于多尺寸的颗粒，材料总的宏观中子有效吸收截面为：

步骤四：将得到的复合材料的有效吸收截面作为基底材料的吸收截面，重复第二步直到计算完所有屏蔽颗粒，即可计算出复合材料的总体中子衰减系数

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种计算材料的中子屏蔽性能的方法，其特征在于，包括：

步骤1：对样品进行微观表征，统计样品的微观组织信息；

步骤2：根据微观组织信息，计算屏蔽颗粒的个数和基底材料的吸收截面；

步骤3：计算复合材料的有效吸收截面；

步骤4：将复合材料的有效吸收截面作为基底材料的吸收截面，返回步骤2继续执行，直到计算完所有屏蔽颗粒，得到复合材料的总体中子衰减系数；

所述步骤2包括：材料的中子衰减系数表示为：Σ＝∑N_i×σ_i；

其中，N_i表示单位体积内的i原子数量；σ_i表示i原子的中子吸收截面；

基底和颗粒的宏观中子衰减系数分别表示为Σm和Σa，材料总体的宏观中子有效衰减系数为

颗粒为单一平均尺寸，将厚度为Z的材料沿着入射方向分成N等分，每份厚度为L＝Z/N，若L足够小，则在每一层中沿着入射方向都只存在一个颗粒；

材料垂直于入射方向的总截面面积为S，每一个颗粒投影到截面上的面积为S₀，颗粒体积为V₀，颗粒投影到截面上的总面积为：

入射中子与颗粒相碰撞的可能性p为：

其中，α表示颗粒的体积分数；

中子在单层中的传输比表示为：

其中，t表示中子经过的颗粒的弦长，q(t)表示弦长的密度，不同形状的颗粒具有不同的q(t)，Cmax是颗粒的最大弦长；I表示中子的强度；I₀表示入射中子的强度；

传输比直接用宏观中子有效吸收截面表示为：

得到宏观中子有效吸收截面为：

其中，ΔΣ＝Σ_a-Σ_m；

对于多种尺寸的颗粒或相，尺寸分布用ω(D)表示，每一个颗粒投影到截面上的面积为S₀(D)，其体积为V₀(D)，则

其中，S_a(D)表示直径为D颗粒投影到截面上的总面积；p(D)表示中子与直径为D颗粒相碰撞的可能性；

每个尺寸的颗粒宏观中子有效吸收截面为：

对于多尺寸的颗粒，材料总的宏观中子有效吸收截面为：

q(t,D)为对于直径为D的颗粒的弦长的分布函数。

2.根据权利要求1所述的计算材料的中子屏蔽性能的方法，其特征在于，所述微观组织信息包括微观颗粒的尺寸、形状、体积分数和化学成分。

3.根据权利要求1所述的计算材料的中子屏蔽性能的方法，其特征在于，N_i表示为：

则材料的中子衰减系数表示为：

其中ρ表示成份的密度；N_a是阿伏加德罗常数，大小为6.02x10^23每摩尔；n_i表示单个分子中含有i原子的个数；M表示分子的摩尔质量。

4.根据权利要求1所述的计算材料的中子屏蔽性能的方法，其特征在于，所述颗粒在材料中均匀分布，在每层中随机的分布。

5.一种计算材料的中子屏蔽性能的系统，其特征在于，包括：

模块M1：对样品进行微观表征，统计样品的微观组织信息；

模块M2：根据微观组织信息，计算屏蔽颗粒的个数和基底材料的吸收截面；

模块M3：计算复合材料的有效吸收截面；

模块M4：将复合材料的有效吸收截面作为基底材料的吸收截面，调回模块M2，直到计算完所有屏蔽颗粒，得到复合材料的总体中子衰减系数；

所述模块M2包括：材料的中子衰减系数表示为：Σ＝∑N_i×σ_i；

其中，N_i表示单位体积内的i原子数量；σ_i表示i原子的中子吸收截面；

基底和颗粒的宏观中子衰减系数分别表示为Σm和Σa，材料总体的宏观中子有效衰减系数为

颗粒为单一平均尺寸，将厚度为Z的材料沿着入射方向分成N等分，每份厚度为L＝Z/N，若L足够小，则在每一层中沿着入射方向都只存在一个颗粒；

材料垂直于入射方向的总截面面积为S，每一个颗粒投影到截面上的面积为S₀，颗粒体积为V₀，颗粒投影到截面上的总面积为：

入射中子与颗粒相碰撞的可能性p为：

其中，α表示颗粒的体积分数；

中子在单层中的传输比表示为：

其中，t表示中子经过的颗粒的弦长，q(t)表示弦长的密度，不同形状的颗粒具有不同的q(t)，Cmax是颗粒的最大弦长；I表示中子的强度；I₀表示入射中子的强度；

传输比直接用宏观中子有效吸收截面表示为：

得到宏观中子有效吸收截面为：

其中，ΔΣ＝Σ_a-Σ_m；

对于多种尺寸的颗粒或相，尺寸分布用ω(D)表示，每一个颗粒投影到截面上的面积为S₀(D)，其体积为V₀(D)，则

其中，S_a(D)表示直径为D颗粒投影到截面上的总面积；p(D)表示中子与直径为D颗粒相碰撞的可能性；

每个尺寸的颗粒宏观中子有效吸收截面为：

对于多尺寸的颗粒，材料总的宏观中子有效吸收截面为：

q(t,D)为对于直径为D的颗粒的弦长的分布函数。

6.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。

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