طراحی و ساخت حفاظ پرتوی کامپوزیت‌های پلیمری انعطاف‌پذیر برای میدان‌های آمیخته نوترون-گاما

نویسندگان

1 دانشگاه دامغان

2 دانشگاه مازندران

چکیده

در این پژوهش، حفاظ کامپوزیتی انعطاف‌پذیر با ترکیبی از پلی‌اتیلن، تنگستن و کاربید بور برای میدان‌های آمیخته نوترون-گاما طراحی و ساخته شده است. برای این منظور، در مرحله اول، مطالعات نظری با استفاده از کد چند منظوره MCNP < /span> و در مرحله دوم با توجه به نتایج مطالعات شبیه‌سازی، برای اولین بار در داخل کشور کامپوزیت چند منظوره‌ای با استفاده از ترکیب فاز سخت ذرات کاربید بور به همراه پودر فلز تنگستن و ترکیبی از انواع مختلفی از پلی‌اتیلن نرم و سخت به صورت آزمایشگاهی در مرکز پلیمر و پتروشیمی ایران ساخته شد. در مرحله سوم برای حفاظ ساخته شده، میزان تضعیف شار نوترون چشمه‌ی Am-Be241 با استفاده از آشکارساز 3BF و میزان تضعیف شار گامای چشمه‌ی سزیوم µCi 100 با استفاده از آشکارساز NaI اندازه‌گیری شد. نتایج نشان می‌دهند در کامپوزیت پلی اتیلن/ کاربید بور/ تنگستن (PE/B4C/W) با توجه به ابعاد میکرومتری ذرات تقویت‌کننده و سطح مقطع بالای برهم‌کنش پرتوهای رادیواکتیو با این ذرات، حفاظ ترکیبی با ضخامت بسیار کمتر نسبت به حفاظ‌های معمولی قدرت جذب بیشتری در برابر پرتوهای گاما و نوترون را دارا است. حفاظ با ضخامت 5/0 سانتی‌متر با 30 درصد تنگستن و 30 درصد بور،  تقریباً 90 درصد نوترون‌های چشمه آمرسیوم- بریلیوم را جذب می‌کند و با ضخامت 2 سانتی‌متر، حدود40 درصد شار فوتون‌های گامای چشمهCs 137 را کاهش می‌دهد.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Design and manufacture of composite flexible shield for neutron-gamma mixed fields

نویسندگان [English]

  • Seyed Reza Hashemi 1
  • Mojtaba Tajik 1
  • Eskandar Asadi-Amirabadi 2
چکیده [English]

In this study, a flexible composite shield with a combination of polyethylene, tungsten and boron carbide has been designed and constructed for neutron-gamma mixed fields. For this purpose, theoretical studies were conducted using the multi-purpose MCNPX Code. According to the results of simulation studies, a multi-purpose composite was constructed using a combination of a solid phase of boron carbide particles with tungsten metal powder and a mixture of different types of soft and hard polyethylene in a laboratory at the center of polymer and petrochemical industry in Iran. The 241Am-Be neutron flux attenuation rate and the cesium gamma flux attenuation were measured for the built shield. The results show that in the polyethylene /boron carbide / tungsten (PE / B4C / w) composite with respect to the micrometric dimensions of the reinforcing particles and the high cross-section of interactions of the radioactive beams with these particles, the composite shield with a much lower thickness than the ordinary shields has higher absorption of gamma and neutron beams. This shield containing 30% of tungsten and boron with a thickness of approximately 0.5 cm, absorbs 90% of the Americium-beryllium neutrons and at the thickness of 2 cm absorbs nearly 40% of the gamma rays of the 137Cs source.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Composite Flexible Shield
  • Nutron
  • Gamma
  • BF3 Detector
[1] V.P. Singh and N.M. Badiger. Gamma ray and neutron shielding properties of some alloy materials. Ann. Nucl. Energy. 64 (2014) 301–310. [2] J.W.N. Frohlich and H.D. Luginsland. The effect of filler–filler and filler–elastomer interaction on rubber reinforcement. Compos. A 36 (2005) 449–460. [3] S. Nambiar, J.T. Yeow. Polymer-composite materials for radiation protection. ACS applied materials & interfaces 4.11 (2012) 5717-5726. [4] B.B. Boonstra. Role of particulate fillers in elastomer reinforcement: a review. Polymer 20 (1979) 691–704. [5] G.M.K. Heinrich and T.A. Vilgis. Reinforcement of elastomers, current opinion in solid state. Mater. Sci. 6 (2002) 195–203. [6] A. Alipour, G. Naderi, G.R. Bakhshandeh, H. Valicm and S. Shokoohi. Elastomer nanocomposites based on NR/EPDM/organoclay: morphology and properties. Int. Polym. Proc. 26 (2011) 48–55. [8] S.E. Gwaily, H.H. Hassan, M.M. Badawy and M. Madani. Study of electrophysical characteristics of lead–natural rubber composites as radiation shields. Polym. Compos. 23 (2002) 1068–1075. [9] S.E. Gwaily, M.M. Badawy, H.H. Hassan and M. Madani. Natural rubber composites as thermal neutron radiation shields: I. B4C/NR composites. Polym. Test. 21 (2002) 129–133. [10] S.D. Kaloshkin, V.V. Tcherdyntsev, M.V. Gorshenkov, V.N. Gulbin and S.A. Kuznetsov. Radiation–protective polymer–matrix nanostructured composites. J. Alloy. Compd. 536 (2012) S522–S526. [11] M.M. Abdel-Aziz, S.E. Gwaily, A.S. Makarious and A. El–Sayed Abdo. Ethylene–propylene diene rubber/low density polyethylene/boron carbide composites as neutron shields. Polym. Degrad. Stab. 50 (1995) 235–240. [12] T. Korkut, A. Karabulut, G. Budak, B. Aygu¨n, O. Gencel and A. Hanc¸erliog˘ulları. Investigation of neutron shielding properties depending on number of boron atoms for colemanite, ulexite and tincal ores by experiments and FLUKA Monte Carlo simulations. Appl. Radiat. Isot. 70 (2012) 341–345. [13] V.P. Singh, N.M. Badiger and J. Kaewkhao. Radiation shielding competence of silicate and borate heavy metal oxide glasses: comparative study. J. Non-Cryst. Solids. 404 (2014) 167–173. [14] P. Gong, M. Ni, H. Chai and F. Chen, X. Ta. Preparation and characteristics of a flexible neutron and γ-ray shielding and radiation-resistant material reinforced by benzophenone. Nuclear Engineering and Technology. 50 (2018) 470–477. [15] M. Salimi, N. Ghal-Eh1 and E. Asadi Amirabadi. Characterization of a new shielding rubber for use in neutron– gamma mixed fields. Nucl. Sci. Tech. 36 (2018) 1–8. [16] J.S. Hendricks, G.W. McKinney, M.L. Fensin, M.R. James, R.C. Johns, J.W. Durkee. MCNPX 2.6. 0 Extensions. New Mexico, US: Los Alamos National Laboratory, LA-UR-08-2216 (2008). [17] Iran Polymer and Petrochemical Institute (IPPI), Rubber Processing and Engineering Department. [18] Sigma-Aldrich Co., Tungsten. [19] Sigma-Aldrich Co., Boron carbide. [20] M.K. Lee, J.K. Lee, J.W. Kim and G.J. Lee. Properties of B4C-PbO-Al(OH)3-epoxy nanocomposite prepared by ultrasonic dispersion approach for high temperature neutron shields. J. Nucl. Mater. 445 (2014) 63–71. [21] S.Y. Fu, X.Q. Feng, B. Lauke and Y.W. Mai. Effects of particle size, particle/matrix interface adhesion and particle loading on mechanical properties of particulate–polymer composites. Composites Part B. 39 (2008) 933–961.