بخشی از مقاله
چکیده:
طراحی حفاظهای منا سب برای چ شمههای نوترونی با هدف د ستیابی به وزن و حجم کمتر، از طریق لایهلایه کردن حفاظ برای رسیدن به حد مجاز تابش در محیط بیرون، از تحقیقات روز دنیا بهشمار میآید. هدف این تحقیق، طراحی و شبیهسازی حفاظ مناسب برای چشمه نوترونی کالیفرنیم-252، با استفاده از کد MCNPX، میباشد. طرح مورد نظر شامل چند لایه حفاظ استوانهای هممرکز با چشمه نوترونی است. پارافین و پارافین حاوی %10 گرافیت به عنوان کندکننده، بریلیوم به عنوان بازتابنده و بورات پلیاتیلن و تنگ ستات سرب به ترتیب به عنوان جاذب نوترون حرارتی و جاذب گاما انتخاب شدند. نتایج حاکی از کاهش%89 حجم و%86 وزن نسبت به حفاظ قدیمی دارند.
مقدمه:
چشمههای پرتوزا شامل چشمههای ذرات باردار، گاما - ایکس - و چشمههای نوترونی میباشند. از دیدگاه حفاظگذاری، تابشهای گاما و نوترون و ذرات باردار به دلیل تفاوت آنها در میزان نفوذ در مواد مختلف از اهمیت یکسانی برخوردار نیستند. ذرات باردار به دلیل برهمکنشهای کولنی با الکترونها و هستهها، برهمکنش هستهای، تابش ترمزی و ... دارای برد کمی هستند و بهراحتی حفاظت میشوند.[1]
در بحث حفاظسازی، تابشهای نوترون و گاما بهدلیل بدون بار بودن و نداشتن هیچ برهمکنشی با میدان الکترونها یا هستهها، ضخامتهای نسبتا زیادی از مواد را پشت سر گذاشته و عدم وجود حفاظ باعث بالا رفتن آهنگ دز در محیط بیرون میشوند. به منظور طراحی حفاظ، بهترین مواد برای کند کردن نوترونها مواد با عدد اتمی پایین و برای پرتوهای گاما مواد با عدد اتمی بالا است.[2]
فرآیند اصلی که نوترون با مواد برهمکنش میکنند، شامل: پراکندگی الاستیک، نا الاستیک و جذب است که فرآیند کندسازی نوترونهای سریع در اثر پراکندگی الاستیک نوترون با هستههای سبک انجام می پذیرد2]و.[3 به طور کلی سه چشمهی نوترونی اصلی وجود دارد: - 1رادیوایزوتوپی، - 2شتابدهندهها و - 3راکتورها که ویژگیهای رادیولوژیکی1 هر کدام از لحاظ انرژی، شار و طیفهای تولیدی بسیار متفاوت با یکدیگر هستند.
از انواع چشمههای رادیوایزوتوپی میتوان به چشمهی شکافت خودبهخودی کالیفرنیم-252و چشمهی نوترونی - 'n - اشاره کرد5]و.[4 با توجه به کاربردهای چشمهی نوترونی کالیفرنیم-252در زمینههای مختلف صنعتی، پزشکی و...، حفاظسازی چشمهی نوترونی مهم میشود. همچنین به واسطهی نوع اندرکنشهای میان نوترون با مواد حفاظ و نیز اثر بخشی حفاظگذاری مواد حفاظ چشمه که به انرژی نوترون وابسته است، دقت در انتخاب مواد لایههای مختلف حفاظ، اهمیت ویژهای پیدا خواهدکرد.[6] با توجه به حفاظهای طراحی شدهی سنتی که به صورت یک لایه منفرد با ضخامت بالایی از پارافین، مواد غنی هیدروژنی، است هدف در این مقاله علاوه برت ضعیف نوترونها، برر سی پیکربندی منا سب حفاظ از لحاظ حجم و وزن و ملاحظاتی از قبیل در دسترس بودن و بهای تمام شده میباشد.
روش کار :
در این تحقیق، با استفاده از کد MCNPX حفاظی با هندسهی لایهای که از کندکننده، بازتابنده و جاذب مناسب تشکیلشده و به صورت استوانههای هم مرکز چشمهی استوانهای کالیفرنیم را احاطه کردهاست، در نظر گرفتهایم. چشمهی نوعی مورد بررسی در اینجا، چشمهی شکافت خود به خودی کالیفرنیم-252 است. تمایل به انتخاب این چشمه، کاربردهای متنوع آن و القای سطوح پایین رادیواکتیویته در نمونههای کوچک مواد است.[3]
رادیوایزوتوپ کالیفرنیم دارای نیمه عمر 2/645 سال و دارای دو مد واپاشی است. احتمال واپاشی آلفا 96/91% و شکافت خود به خودی سهم 3/09 درصدی واپاشی را دارا میباشد. از آنجایی که چشمه داخل یک گلولهی آلومینیم فشرده محصور شدهاست، هر گونه ذرات آلفا را از فرار کردن متوقف میکند. این چشمه دارای طیف پیوستهای از انرژی است که از توزیع ماکسولی به صورت رابطهی - - 1، پیروی میکند و میانگین انرژی آن تقریبا2/1MeV میباشد و دارای بیشنیه انرژی0/7 MeV است.
با توجه به جدول شمارهی - 1 - ، پارافین به دلیل شاربالای نوترون حرارتی و داشتن چگالی اتمی بالای هیدروژنی به عنوان مادهی لایهی اول درنظر گرفته میشود. همانطور که مشاهده میشود، شار فوق حرارتی و سریع نوترون در ضخامتی که شار نوترون حرارتی بیشینه است، بالاتر است. بنابراین، با افزودن لایههایی به عنوان بازتابنده و کندکننده به ساختار حفاظ، شار حرارتی نوترون را افزایش میدهیم. برای این کار با توجه به شکل شماره - - 1 میتوان پارافین با ضخامت 7cm با عنوان لایهی اول با دو مخروط بریلیومی به عنوان بازتابنده، با ارتفاع7cm در نظر گرفت.
- 1 تابشهای گامایی که به صورت مستقیم از شکافت خود به خودی و محصولات شکافت حاصل میشود و - 2 تولید غیر مستقیم گاما ناشی از پدیدهی جذب نوترون.[5] به همین منظور در شبیهسازیهای انجام شده در تمام مراحل محاسبهی شار، چشمه به صورت نوترونی تعریف شده و برای محاسبات دز، یک بار به صورت چشمهی نوترونی در نظرگرفته و میزان دز نوترون و گاماهای ثانویه محاسبه شد و بار دیگر به صورت چشمهی گامایی و دز گاما محاسبه گردید.
برای محاسبه شار در شبیهسازیها از تالی F2 که شار عبوری از سطح را بدست میدهد، استفادهشد و برای محاسبات مربوط به دز از ضرایب تبدیل شار به دز موجود در ICRP استفاده کردیم10]و.[9 در فایل ورودی شبیهسازی، سه توزیع انرژی حرارتی، 0 - 0/5 eV، انرژی فوق حرارتی، 0/5eV -0/5MeVو نوترون سریع در محدودهی0/5 MeV تا 11MeVدر نظر گرفتهشد. چشمهی نوترونی کالیفرنیم-252انتخاب شده برای شبیهسازی MCNPX، چشمهی 50 g استوانهای با اکتیویتهی 1Gbq، معادل تقریبی نشر1/15 108 n/sو 6/5 108 /s میباشد.[7] همچنین، حداکثر خطای نسبی بدست آمده زیر %5 میباشد.
نتایج :
به منظور انتخاب مادهی لایهی اول، ابتدا سه کندکنندهی پارافین، پلیاتیل متاکریلات وهیدریدزیرکونیوم در ضخامتهای مختلف مورد بررسی قرار گرفتهاست. قلههای شار حرارتی و شار فوق حرارتی و سریع مرتبط بهآنها وضخامتهای این کندکنندهها در جدول شمارهی - - 1 نشان داده شدهاست.
