基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土及验证方法与流程

本发明属于混凝土，特别涉及一种基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土及验证方法。

背景技术：

1、作为核设施生物屏蔽层的核心材料，中子屏蔽混凝土的性能直接影响反应堆系统的小型化、轻量化设计目标能否实现。其核心功能在于有效屏蔽贯穿性强、危害大的中子和伽马射线，保障人员及环境安全。然而，现有中子屏蔽混凝土技术主要依赖于两类互补但各自存在功能局限的技术路线：

2、含氢慢化型混凝土：以蛇纹石混凝土、磁铁矿混凝土等为代表，主要依靠材料中丰富的氢元素有效慢化快中子，但其对慢化后的热中子吸收能力相对有限。

3、高俘获截面添加剂型混凝土：通过在混凝土基体中掺入碳化硼（b4c）、氧化钆（gd2o3）等具有高中子吸收截面的物质，可高效俘获热中子，但在慢化快中子方面效果不佳。

4、然而，单一类型的中子屏蔽混凝土难以同步优化对快中子慢化和热中子吸收这两种关键屏蔽效能。因此，为实现全谱中子有效屏蔽，往往需要显著增加屏蔽层的厚度与重量，严重制约了先进核能系统在紧凑化设计，例如小型模块化反应堆和移动式/偏远地区应用等方面的潜力。

5、因此，如何提供一种基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土及验证方法，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土及验证方法，旨在解决单一组分屏蔽材料难以兼顾快中子慢化与热中子高效吸收的问题。

2、为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：

3、一种基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土， 包括内层和外层，所述内层包括含氢混凝土，所述外层包括含高俘获截面元素的混凝土；所述内层用于将入射中子慢化至热中子能量范围，所述外层用于吸收慢化后的热中子。

4、进一步地，所述含氢混凝土为蛇纹石混凝土，所述含高俘获截面元素的混凝土为含有氧化钆的混凝土，氧化钆的体积分数为3%~8%。

5、进一步地，所述内层厚度根据中子慢化年龄理论确定，具体通过计算蛇纹石混凝土的宏观散射截面、平均对数能降及慢化年龄，并使得中子空间分布满足将所需比例的中子慢化至热中子能量范围的条件，所述慢化年龄计算包括：

6、建立中子慢化方程（fermi年龄理论），中子能量从初始值e0降至e的慢化年龄定义为：

7、，

8、其中，e0为中子初始能量，一般考虑初始能量为2mev；e为中子的目标能量，蛇纹石混凝土需要将中子能量降低至10-7mev以下；d（e’）为在能量e’处的中子扩散系数，单位为cm； 为在能量e’处的宏观散射截面，单位为cm-1，中子扩散系数为d，表征中子空间扩散能力：

9、，

10、其中，为宏观输运截面，为平均散射角余弦，蛇纹石混凝土一般取0.82，将d代入 并分离变量：

11、，

12、慢化后的中子能量服从高斯分布：

13、，

14、其中，q为源中子总数；x为穿透深度，当中子慢化至能量e时，其空间分布标准差，为将99.9999%的中子慢化至易吸收区需满足：

15、，

16、d为临界厚度。

17、进一步地，所述蛇纹石混凝土的宏观散射截面由下式计算：

18、，

19、式中，ni为i原子在蛇纹石混凝土中的原子密度， 为i原子的微观散射截面，氢为82.0，铁为11.0，氧为4.2，镁为3.4，硅为2.2，钙为3.0，单位为barn，10-24cm2，蛇纹石混凝土中的氢含量为a0，铁含量为b0，氧含量为c0，镁含量为d0，硅含量为e0，钙含量为f0，同时蛇纹石混凝土的密度为g/cm3。

20、进一步地，通过mcnp模拟，将蛇纹石混凝土的元素比例和密度参数输入后得到该种类蛇纹石混凝土平均对数能降，一般而言，当中子辐射能量为2.0mev时，。

21、进一步地，所述外层厚度根据热中子宏观吸收截面确定，所述宏观吸收截面由外层混凝土中钆同位素的微观吸收截面、丰度及含量计算得出，宏观吸收截面的计算方式如下：

22、，

23、，

24、其中，为钆原子的原子密度，f155为155gd的同位素丰度，为155gd的微观吸收截面；f157为157gd的同位素丰度，为157gd的微观吸收截面，为氧化钆混凝土的密度，为钆的质量分数，为氧化钆的相对分子质量；

25、慢化后的热中子屏蔽效率达到99.9999%时，氧化钆混凝土的厚度可由下式进行计算：

26、。

27、进一步地，所述内层厚度和外层厚度之和为双层结构中子屏蔽混凝土总厚度由下式进行计算：

28、。

29、本发明还提供了一种基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土的验证方法，包括：

30、步骤s1：分别提供两种厚度一致的混凝土，所述两种混凝土分别为单层结构混凝土和双层结构中子屏蔽混凝土，所述双层结构中子屏蔽混凝土为所述基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土，所述单层结构混凝土主要为蛇纹石混凝土中掺入体积分数为3%~8%的氧化钆；

31、步骤s2：分别向两种混凝土的方向发射出2mev的中子，并穿透所述两种混凝土；

32、步骤s3：分别记录两种混凝土透射而出的中子数量和能量。

33、进一步地，所述内层含氢混凝土为蛇纹石混凝土，所述外层含高俘获截面元素混凝土为氧化钆混凝土。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

35、本发明提供的基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土，包括内层和外层，内层包括含氢混凝土，外层包括含高俘获截面元素的混凝土，采用基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土及其厚度设计方法得到的混凝土，功能分区设计：利用内层含氢混凝土优先慢化快中子，将中子能量谱主体降至热中子能区<0.1ev；协同吸收机制：通过外层高俘获截面元素混凝土高效俘获经慢化后的热中子；理论驱动厚度优化：基于中子输运与慢化过程的物理规律，建立数学模型精确推导内、外层材料的临界厚度，确保屏蔽效能最大化。通过上述功能-结构耦合设计，本发明显著提升混凝土对全谱中子的综合屏蔽能力，为钍基熔盐堆等先进核设施实现小型化、轻量化建造及安全运行提供关键材料支撑。

1.一种基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土，其特征在于，包括内层和外层，所述内层包括含氢混凝土，所述外层包括含高俘获截面元素的混凝土；所述内层用于将入射中子慢化至热中子能量范围，所述外层用于吸收慢化后的热中子。

2.根据权利要求1所述基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土，其特征在于，所述含氢混凝土为蛇纹石混凝土，所述含高俘获截面元素的混凝土为含有氧化钆的混凝土，氧化钆的体积分数为3%~8%。

3.根据权利要求1所述基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土，其特征在于，所述内层厚度根据中子慢化年龄理论确定，具体通过计算蛇纹石混凝土的宏观散射截面、平均对数能降及慢化年龄，并使得中子空间分布满足将所需比例的中子慢化至热中子能量范围的条件，所述慢化年龄计算包括：

4.根据权利要求3所述基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土，其特征在于，所述蛇纹石混凝土的宏观散射截面由下式计算：

5.根据权利要求3所述基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土，其特征在于，通过mcnp模拟，将蛇纹石混凝土的元素比例，密度等参数输入后可以获得该种类蛇纹石混凝土平均对数能降，一般而言，当中子辐射能量为2.0mev时，。

6.根据权利要求3所述基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土，其特征在于，所述外层厚度根据热中子宏观吸收截面确定，所述宏观吸收截面由外层混凝土中钆同位素的微观吸收截面、丰度及含量计算得出，宏观吸收截面的计算方式如下：

7.根据权利要求1所述基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土，其特征在于，所述内层厚度和外层厚度之和为双层结构中子屏蔽混凝土总厚度由下式进行计算：

8.一种基于能量分级吸收的双层结构中子屏蔽混凝土的验证方法，其特征在于，包括：