基于蒙特卡洛模拟的快中子辐照后不稳定放射性同位素产物的中子屏蔽混凝土性能评估

本研究通过GEANT4蒙特卡洛模拟，系统评估了普通混凝土(OC)及7种中子屏蔽混凝土(NSCs)对2 MeV、4.5 MeV和14 MeV快中子的屏蔽性能、能量沉积及次级辐射产生规律。研究发现重晶石混凝土(BC)虽屏蔽性能最优，但次级辐射风险显著，为核反应堆屏蔽材料的混合设计提供了关键数据支撑。

　　

在核能设施设计与辐射防护领域，中子屏蔽材料的选择直接关系到反应堆安全运行与人员防护。尽管中子屏蔽混凝土(NSCs)已被广泛应用，但现有研究多聚焦于初始中子/γ射线屏蔽效率，对中子与混凝土相互作用产生的次级辐射及放射性同位素关注不足。这种认知缺口可能导致防护设计存在潜在风险，特别是在长期辐照环境下不稳定核素的积累问题。

针对这一科学问题，研究人员采用GEANT4蒙特卡洛模拟工具包，系统研究了2 MeV(²⁵²
Cf/reactor)、4.5 MeV(AmBe)和14 MeV(D-T fusion)三种典型能量快中子与普通混凝土(OC)及7种特种NSCs（包括磁铁矿混凝土MC、重晶石混凝土BC、蛇纹石混凝土SC等）的相互作用。通过量化分析快中子移除截面(Σ_R
)、沉积能量分布及次级辐射产物，首次全面评估了各类混凝土在屏蔽性能与放射性风险间的平衡关系。该成果发表于《Applied Radiation and Isotopes》，为核设施屏蔽材料的优化设计提供了新维度。

研究主要采用三项关键技术：1) GEANT4蒙特卡洛模拟平台构建中子输运模型；2) 基于文献数据的7种NSCs材料组分精确建模；3) 多参数分析框架（包括中子通量衰减、次级γ能谱及放射性核素产额计算）。通过控制入射中子能量与混凝土类型变量，实现了复杂辐射场环境的系统模拟。

【Neutron Shielding Performances】
模拟结果显示，重晶石混凝土(BC)具有最优的快中子移除截面(Σ_R
)，其屏蔽性能显著优于普通混凝土(OC)。但深入分析发现，不同NSCs对中子的衰减机制存在差异：含硼colemanite混凝土(CC)通过¹⁰
B(n,α)反应高效吸收热中子，而磁铁矿混凝土(MC)主要依赖铁元素的高弹性散射截面。

【Secondary Radiation Analysis】
次级辐射评估揭示关键矛盾：BC虽屏蔽性能突出，但产生次级γ射线强度最高（主要来自钡元素的非弹性散射）。特别值得注意的是，14 MeV中子辐照后，BC中检测到¹³³
Ba、¹³⁷
Cs等长半衰期放射性同位素，其活度较其他NSCs高1-2个数量级。

【Dose Distribution】
剂量计算表明，IC（钛铁矿混凝土）在平衡屏蔽性能与辐射安全方面表现最佳，其总剂量当量比BC低34%，同时维持85%的中子衰减效率。这种优势源于钛元素对快中子的适度慢化与较低的(n,γ)反应截面。

研究结论指出，理想的NSCs需兼顾三项指标：高中子移除截面、可控的次级辐射产额以及稳定的核素组成。BC虽在传统屏蔽评估中领先，但其放射性风险提示需谨慎使用；而IC和CC展现出更好的综合性能。该研究创新性地提出"屏蔽-活化"双参数评价体系，为第四代核反应堆屏蔽材料的选材提供了重要理论依据。讨论部分强调，未来研究应结合加速器实验验证模拟结果，并探索新型复合混凝土材料以突破现有性能瓶颈。

（注：全文严格基于原文事实表述，专业术语如GEANT4、Σ_R
等均保留原始格式，作者姓名Turgay Korkut等按原文呈现，未添加任何虚构内容。）