反應堆禁止

反應堆禁止是用一定厚度的鉛包圍反應堆，用以阻擋或減弱反應堆發出的大量中子和γ射線。

反應堆是核能源系統的核心部分，核裂變(或聚變)產生各種輻射射線如不同能級的中子、γ射線、二次γ射線及其它帶電粒子和高能射線。輻射防護依賴於禁止材料的性能和輻射禁止結構的最佳化設計，顯然，選擇材料時應該考慮的基本核性能是中子和射線的減弱性能。

基本介紹

• 中文名：反應堆禁止
• 外文名：reactor shielding
• 目的：減弱輻射

反應堆禁止簡介

反應堆一般都有兩重禁止。反應堆本體的禁止稱為一次禁止，其作用是把從堆芯泄漏出來並穿過壓力殼的中子和γ輻射降低到允許的水平。這就是說，一次禁止後的輻射水平，在正常的運行條件下，不應使二迴路等受到嚴重活化，在停堆一定時間後，運行人員可以接近。

二次禁止的作用則是對一次禁止泄漏出來的輻射以及一迴路管道和設備的輻射進行禁止。壓水堆的安全殼實際上是兼作二次禁止的。

因此，一次與二次禁止都屬於一種整體禁止。此外，某些區域還可設定局部禁止。

反應堆系統的輻射

原則上說，可能由反應堆系統逸出的輻射中包括α和β粒子，γ射線，各種能量的中子，裂變碎片，甚至有(n，p)反應產生的質子。然而，與禁止設計有關的輻射卻只需考慮γ射線和中子兩種，因為它們的穿透能力最強。能夠有效地阻擋這兩種射線的任何材料都自然能將其餘所有輻射減弱到可以忽略不計的地步。

反應堆禁止的目的

設定在堆外圍保護人員和設備免受放射線傷害的核反應堆材料。當反應堆運行時，核裂變反應將產生大量中子和γ射線，裂變產物衰變也釋放出α、β粒子和γ射線。α和β粒子射程很短，很容易被空氣或其他物體吸收，一般對操作人員不構成威脅；中子和γ射線有極強穿透能力，為了阻擋它們要求在反應堆四周設定保護禁止層。

反應堆禁止的要求

原則上說，反應堆本身的禁止問題包含三個方面：快中子慢化、慢化後(或原已慢化)的中子俘獲、各種形態的γ輻射的減弱。

1、快中子慢化

低質量數的元素是最好的慢化劑；因此，常採用水中所含的氫作為禁止層的組分，以期通過彈性散射慢化中子。然而，對於高能中子，彈性散射截面一般很小，特別是低質量數元素更是如此。

於是，如在禁止中加進一種(或幾種)中等質量數或高質量數的元素並利用其非彈性散射慢化中子，可能是有利的，這些物質並非優良的慢化劑，即它們不可能通過彈性散射顯著降低中子能量，但它們通過非彈性散射可使高能中子迅速慢化。

2、慢化後(或原已慢化)的中子俘獲

反應堆禁止的另一個問題就是中子在慢化之後被俘獲。這實際上是一個比較簡單的過程，即使禁止材料內不含慢中子俘獲截面很大或相當大的材料時也無問題。事實上，一般認為在含有足夠多氫原子的禁止內，快中子在遭受非彈性散射之後就可以當作已被除去，因為它們進一步慢化並被俘獲的機率非常大。

3、γ輻射的減弱

包括由反應堆堆芯產生的初級射及由中子與堆芯以外的材料相互作用而產生的次級輻射。

從這些輻射的行為看來，它們的來源並不重要；在給定介質內的減弱程度只取決於其能量。所有各種物質都能在一定程度上減弱γ射線；對於給定能量的光子，其線性衰減係數(巨觀截面)隨物質密度而增加。這一係數大體上正比於密度，將特定能量γ輻射減弱到同等程度所需的各種材料厚度反比於其密度。所以在禁止層厚度成為重要問題的場合下，應採用高密度材料來減弱γ射線。

核反應堆禁止材料及特點

禁止快中子需選用輕元素組成的材料，禁止γ射線則需選用重元素組成的材料，因此堆外禁止層往往採用兼含輕重元素的聯合結構。

常用的禁止層材料有：禁止混凝土、含硼貼層、重金屬等。

1、X射線禁止材料

X射線是一種光子輻射，本質上是一種電磁波，有很強的穿透力，其波長範圍為0.01～100A，主要是由原子內層軌道電子躍遷或高能電子減速時與物質的能量交換作用產生，實驗室常用具有高真空的X射線管來產生。目前對低能X射線的禁止一般採用含鉛玻璃、有機玻璃及橡膠等製品，考慮到含鉛氧化物的毒性，現在一般採用混凝土[53或纖維E6～10]織物來防護X射線。

最初前蘇聯科研人員用粘膠纖維織物為對象，通過對聚丙烯腈接枝，用硫酸鈉溶液處理接枝共聚材料，最後用醋酸鉛溶液處理被改性的織物來製成防護服，此防護服禁止效果好，但工藝較複雜，製取難度大。日本和奧地利的研究人員分別將硫酸鋇添加到粘膠纖維中製成防輻射纖維，用該纖維加工的織物經層壓或在織物中填加含有禁止劑的粘合劑後熱壓製成的層壓織物，均是防護X射線輻射的良好材料。

2、防γ射線禁止材料

γ射線與X射線一樣，也是一種比紫外線波長短得多的電磁波。通常由重核裂變、裂變產物衰變、輻射俘獲、非彈性散射、活化產物衰變產生。γ光子不帶電，與物質相互作用機制不同於帶電粒子，主要以光電效應、康普頓效應和電子對效應為主，與物質發生一次相互作用會導致其損失大部分或全部能量。

禁止γ射線的材料很多，如水、土壤、鐵礦石、混凝土、鐵、鉛、鉛玻璃、鈾以及鎢、鉛硼聚乙烯等。這些材料對γ射線的禁止效果各不相同，其中重金屬最有效，體積小、總重量輕，但通常對γ射線具有良好減弱性能的材料也會因發生中子非彈性散射和輻射俘獲而產生二次γ射線，此時次級輻射的產生就必須要考慮，我們可在相應禁止材料中再加入一定量的鉛，目的是禁止掉一次和二次γ射線。

日本曾用甲基丙烯酸鉛與乙烯基酯共聚的方法製取了防了射線透明材料，防護效果較好，並申請了專利；國內蔣平平等通過溶劑法、重結晶法合成了純度較高，適合本體聚合的有機鉛化合物，製備了透光率大於80%，有一定力學性能的防輻射有機材料，經實驗，此聚合物對中、低能γ射線具有明顯的防護作用。

由於鉛有毒，近年來人們為了防止公害、保護環境，提出了開發代替鉛的輻射禁止材料的要求。日本東京都立產業技術研究所與橡膠、塑膠生產廠商合作，通過在氯丁橡膠里混入10%的鎢、鉍、氧化鉍等3種添加料而獲得了高密度橡膠。與鉛橡膠相比，此高密度橡膠更薄、更輕，禁止輻射效果優於鉛。

3、其它粒子及其禁止材料

帶電粒子主要有：電子、質子、a粒子和核反應產生的一切帶電重粒子，其中a粒子是通過與靶原子電子多次碰撞後逐漸損失能量，射程較短，一般無外照射危險，但當一定量的a放射性核素進入體內時，可造成嚴重內照射，因此對a射線主要是內照防護。

β射線是高速運動電子流，帶負電，質量小、速度快，可接近光速。β粒子在穿過物質時，可與原子的核外電子發生非彈性碰撞，使後者發生電離或激發，還會使其產生電磁輻射，特別是高能電子與重元素相互作用時，更容易發生軔致輻射，發出波長連續的x射線，從這點上考慮，用鉛等重金屬禁止β射線，並不能起到很好的防護作用。應使用原子序數較小的物質，如鉛或是有機玻璃。

由此可見，防護射線必須考慮兩層禁止，第一層用低原子序數的材料禁止β射線，常用材料有烯基塑膠、有機玻璃及鋁等；第二層用高原子序數的材料禁止軔致輻射，如鐵、鋼板和鉛板等。