SUPERVISOR
Ahmad Shirani bidabadi,Lohrasb Faramarzi,Mohammad reza Eftekhar
احمد شیرانی بیدابادی (استاد راهنما) لهراسب فرامرزی (استاد مشاور) محمدرضا افتخار (استاد راهنما)
STUDENT
Taban Shamshafshejani
تابان شمس هفشجانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Investigation of gamma ray attenuation in multi layered and mixture heavyweight concrete shields containing hematite and barite aggregates
Nowadays, with the growing use of nuclear technology in various fields, protection against nuclear radiation is one of the most important issues receiving special attention. Therefore, the use of shields that can attenuate and absorb harmful radiations has been considered; at the same time, such shields should display desirable mechanical and physical properties while being economical. In this regard, concrete shields are one of the best and most widely used. This research aimed at constructing and testing concrete shields of heavy concrete with barite and hematite graining in separate, mixed and multi-layered cases. Then nuclear and mechanical properties of these shields were compared with each other and with those of existing conventional concrete shields. In addition, the use of different percentages of heavy aggregates and their effect on protecting, absorbing, and attenuating radiation were investigated; hence, the effect of increase or decrease in thickness of shield and the useful part of the building, as well as its cost-effectiveness, was explored too. In this research, the multi-layered concrete shield wa obtained by putting together the layers of barite and hematite concrete and the mixture concrete shield was prepared from combining barite and hematite aggregates in the form of hematite-barite concrete. In order to achieve the objectives of the study, concrete samples in five general categories were produced. These were conventional concrete samples including two conventional concrete wet and dry samples, barite concrete samples including both barite concrete 50% and barite concrete 100%, samples of hematite concrete including hematite concrete 50% and hematite concrete 100%, and the mixed samples of barite and hematite including barite-hematite 50% and barite–hematite 100%. After the preparation of the samples, nuclear testing was employed to measure the linear attenuation coefficient for gamma rays with energies of 1173 and 1332 keV, as emitted by cobalt-60 radiation source. These are energies emitted in radiotherapy and radiology centers, as done using the HPGe detector. To determine the linear attenuation coefficient in each group of concrete shields, 5 samples in different thicknesses, totaling 40 , were prepared. Also, to measure the compressive strength of each of concrete samples, 3 cubic samples, totaling 21, were obtained. Structural and nuclear testing results indicated that increasing barite and hematite aggregates, either individually or in combination, led to the increase in the linear attenuation coefficient and compressive strength. So, the use of different volume percentages of hematite heavy aggregates instead of conventional aggregates showed that obtained concrete had good mechanical strength. It also increased absorption and suppression of harmful radiation, thus reducing the thickness of the shield and increasing the useful space. The impact of hematite aggregates on increasing the absorption and attenuation was greater than that of barite aggregates. But replacing the layers of concrete containing the mentioned aggregates had no effect on the absorption and attenuation. Also, under the same conditions, in terms of the amount of ingredients used, concrete density and energy of initial rays, the function of uniform concrete shields in the absorption and attenuation of initial rays was slightly better as compared to a layered concrete shield. Keywords : Nuclear radiation, concrete shield, heavy aggregate, hematite aggregate barite aggregate, layered, mixure , attenuation of radiation ,
امروزه با توجه به گسترش روزافزون تکنولوژی هستهای در زمینههای گوناگون، حفاظت در برابر تابشهای هستهای به عنوان یکی از مهمترین مسائل توجه خاصی را به خود معطوف کرده است. بدین منظور استفاده از حفاظهایی که بتوانند به نحو مناسب موجب تضعیف و جذب تشعشعات زیانآور شوند و ضمن برخورداری از خواص مکانیکی و فیزیکی مطلوب ازنظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه باشند، در عمل مورد توجه قرارگرفته است. در این راستا حفاظهای بتنی ازجمله مناسبترین و پرکاربردترین حفاظها در این زمینه میباشند. در این پژوهش هدف، ساخت و آزمایش بتن حفاظ از نوع بتن سنگین با دانه بندی باریت و هماتیت به صورت جداگانه، مخلوط و چند لایهای و بررسی و مقایسهی خواص هستهای و مکانیکی آنها با یکدیگر و با حفاظهای رایج موجود از بتن معمولی، میباشد. علاوه بر آن، استفاده از درصدهای متفاوت از سنگ دانههای سنگین در حفاظ و بررسی تأثیر آنها در میزان جذب و تضعیف تشعشعات و در نتیجه افزایش یا کاهش ضخامت حفاظ و فضای مفید ساختمان و هم چنین صرفهی اقتصادی، نیز مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در این مطالعه، بتن حفاظ چند لایهای از کنار هم قرار گرفتن لایههای بتن باریتی و بتن هماتیتی و بتن حفاظ مخلوط از ترکیب سنگ دانههای باریت و هماتیت به صورت بتن هماتیت-باریت، به دست میآید. در راستای دست یابی به اهداف تحقیق، نمونههای بتنی در 5 دستهی کلی شامل نمونههای بتن معمولی متشکل از دو گروه بتن معمولی مرطوب و خشک، نمونههای بتن باریتی شامل دو گروه بتن باریتی 50 درصد و بتن باریتی 100 درصد ، نمونههای بتن هماتیتی شامل دو گروه بتن هماتیتی 50 درصد و بتن هماتیتی100 درصد و نمونههای مخلوط باریت-هماتیت شامل دو گروه مخلوط باریت-هماتیت 50 و 100 درصد، تولید شد. پس از ساخت نمونهها، آزمایشات هستهای شامل اندازه گیری ضریب تضعیف خطی برای پرتوهای گاما با انرژیهای 1173 و 1332 کیلو الکترون ولت، ساطع شده از چشمهی تابشی cobalt-60 که انرژیهای ساطع شده در مراکز رادیوتراپی و رادیولوژی هستند، با استفاده از آشکارساز HPGe، انجام شد. برای اندازه گیری ضریب تضعیف خطی هر گروه از نمونههای بتنی تعداد 5 نمونه در ضخامتهای متفاوت جمعاً 40 نمونه و جهت اندازه گیری مقاومت فشاری مشخصهی هر گروه از نمونههای بتنی تعداد 3 نمونهی مکعبی به ابعاد 100 میلی متر جمعاً 21 نمونه ساخته شد. نتایج آزمایشات سازهای و هستهای حاکی از آن است که افزایش سنگ دانههای باریتی و هماتیتی چه به صورت مجزا و چه به صورت مخلوط باعث افزایش ضریب تضعیف خطی و مقاومت فشاری مشخصه میشود. بنابراین جایگزینی درصدهای حجمی متفاوت از سنگ دانههای سنگین هماتیتی و باریتی بهجای شن و ماسه موجود در بتن معمولی نشان میدهد که بتن مذکور ضمن دارا بودن مقاومتهای مکانیکی مناسب، باعث افزایش میزان جذب و تضعیف تشعشعات فوتونی و در نتیجه کاهش ضخامت حفاظ و افزایش فضای مفید خواهد شد. تأثیر سنگ دانههای هماتیت در افزایش میزان جذب و تضعیف پرتوها نسبت به سنگ دانههای باریتی بیشتر است. اما جا به جایی لایههای بتن حاوی سنگ دانههای مذکور در میزان جذب و تضعیف پرتوها بیتأثیر است. هم چنین در شرایط یکسان از نظر مقدار مصالح، وزن مخصوص حفاظ بتنی و انرژی پرتوهای اولیه، عملکرد حفاظ یکپارچه در میزان جذب و تضعیف پرتوها نسبت به نوع لایهای آن تا حدودی بهتر مشاهده شد. واژههای کلیدی: تابشهای هستهای، حفاظ بتنی، سنگ دانههای سنگین، سنگ دانههای هماتیت، سنگ دانههای باریت، چند لایهای، مخلوط، تضعیف تشعشعات