Bachelor's Thesis

Trends in the development of shielding materials for neutron sources with a focus on accompanying gamma radiation

Final Thesis 3.41 MB

Author of thesis: Ondřej Kusák

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Vendula Vrtalová

Reviewer: Ing. Peter Mičian, Ph.D.

Abstract:

This thesis focuses on neutron radiation shielding, secondary γ radiation, and current trends in shielding material development. The introductory part summarizes the basic concepts related to radioactivity, the types of ionizing radiation, and mechanisms of their interaction with matter. Subsequently, the principles of γ and neutron radiation shielding are described, including neutron moderation, neutron absorption, and the generation of secondary γ radiation. Furthermore, an overview of modern shielding materials and their development is presented, particularly with regard to the replacement of toxic lead with alternative materials. Attention is focused on alloys, rare-earth element oxides, shielding glasses and composite materials. The following part of the thesis focuses on numerical modeling of neutron and γ radiation transport to determine the shielding properties of selected materials. The simulations were performed using the PHITS code and supplemented by calculation using the Phy-X/PSD tool. The obtained results are then evaluated and plotted to compare the shielding properties of the individual materials.

Keywords:

ionizing radiation, neutron radiation, gamma radiation, radiation shielding, shielding materials, alloys, rare-earth element oxides, shielding glasses, composite materials, simulations, PHITS, Phy-X/PSD, Monte Carlo

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student představil výsledky svojí bakalářské práce. Předseda komise prof. Drápela seznámil komisi s posudkem vedoucí práce doktorky Vrtalové a vyzval oponenta doktora Mičiana, aby komisi seznámili se svým posudkem závěrečné práce. Po seznámení s posudky oponent položil studentovi tři otázky. Student na ně samostatně odpověděl s využitím vlastní přípravy v prezentaci. Oponent pokládal doplňující otázky. Student odpovídal na doplňující otázky samostatně upřesnil okolnosti experimentů a chvalitebně reagoval i v následné diskusi.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Power Electrical and Electronic Engineering (BPC-SEE)

Composition of Committee

prof. Ing. Jiří Drápela, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. David Topolánek, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Lukáš Radil, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Vojtek, Ph.D. (člen)
Ing. Václav Vyčítal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vladimír Král, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Vendula Vrtalová

Student Ondřej Kusák se ve své bakalářské práci věnoval problematice stínění ionizujícího záření se zaměřením na aktuální trendy ve stínění neutronového a fotonového záření.  Práce je rozdělena do sedmi kapitol, přičemž teoretická část tvoří první čtyři kapitoly. Student v rámci teoretické části charakterizoval jednotlivé druhy ionizujícího záření, dále se zaměřil na mechanismy interakce fotonů a neutronů s látkou a na způsoby stínění těchto částic. Pro práci je pak stěžejní čtvrtá kapitola, která obsahuje rešerši materiálů, jež jsou předmětem současného světového výzkumu v oblasti stínění ionizujícího záření. 

V praktické části bakalářské práce student porovnával stínicí vlastnosti materiálů identifikovaných v rámci rešerše. Porovnání bylo realizováno na základě Monte Carlo simulací a výpočtů parametrů pomocí nástroje Phy-X/PSD.  Pro účely praktické části si student osvojil práci se simulačním nástrojem PHITS. 

Přínosem práce je vzájemné porovnání jednotlivých materiálů, které v současné literatuře v obdobné podobě chybí. Při volbě hodnoticích parametrů student vycházel z poznatků získaných v rámci práce na teoretické části, výsledné porovnání je zpracováno důkladně a v širokém rozsahu, místy však na úkor přehlednosti textu.

Co se týče formální a jazykové stránky, v práci se místy vyskytují neobratné formulace, plynulost práce snižují některé nedostatky v sazbě.  Student se odkazuje na 54 zdrojů, přičemž je na místě vyzdvihnout, že jejich značná část jsou cizojazyčné odborné texty z posledních let.

Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm B (84 bodů). Points proposed by supervisor: 84

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Peter Mičian, Ph.D.

Cieľom bakalárskej práce autora Ondřeje Kusáka bolo zoznámiť sa s princípmi tienenia neutrónového a gama žiarenia, vykonať rešerš aktuálnych trendov v oblasti materiálov tieniacich neutróny so zameraním na doprovodné gama žiarenie a následne realizovať simulácie zamerané na overenie vlastností vybraných materiálov. Získané výsledky boli vyhodnotené a vzájomne porovnané. Zadanie práce bolo splnené v plnom rozsahu. Hlavný prínos práce tkvie vo vykonaných simuláciách tieniacich materiálov, vyhodnotení dávkových príkonov a tokov častíc a v spracovaní prehľadu perspektívnych materiálov využiteľných pre tienenie neutrónových zdrojov.

Samotná práca je členená do siedmich kapitol. V prvých troch kapitolách autor oboznamuje čitateľa so základmi rádioaktivity, interakciami ionizujúceho žiarenia s látkou a princípmi tienenia gama a neutrónového žiarenia. Štvrtá kapitola sa venuje aktuálnym trendom vo vývoji tieniacich materiálov, pričom sú predstavené rôzne skupiny materiálov vrátane zliatin, oxidov vzácnych prvkov, tieniacich skiel a kompozitov. Kapitoly poskytujú dostatočný teoretický základ pre následnú simulačnú časť práce. V niektorých prípadoch sa však nachádzajú obrázky, ktoré slúžia iba ako ilustrácia problematiky a nie sú dostatočne uvedené alebo komentované v texte. Ďalej sa v práci objavujú podkapitoly nižších úrovní, ktoré obsahujú iba jednu podkapitolu, čo znižuje prehľadnosť členenia textu. Piata a šiesta kapitola sa venujú použitým výpočtovým nástrojom a samotným simuláciám realizovaným v programe PHITS. Autor popisuje model simulácie aj vstupné parametre výpočtov. Z práce je patrné, že sa dokázal oboznámiť s použitým softvérom a samostatne realizovať požadované simulácie. V kapitole sa však nachádzajú aj drobné formálne nedostatky, napríklad na obrázku 6.1 absentujú jednotky zobrazovaných veličín.

Posledná kapitola predstavuje hlavný prínos bakalárskej práce. Autor porovnáva tieniace vlastnosti jednotlivých materiálov, hodnotí dávkové príkony a toky častíc. Výsledky sú spracované formou grafov a tabuliek a vhodne komentované. Za najvýznamnejší nedostatok práce považujem použitie nesprávne zvoleného energetického spektra neutrónového zdroja Am-Be, ktoré predstavuje jednu z hlavných vstupných podmienok v časti simulácií. Táto skutočnosť môže ovplyvniť získané výsledky a ich interpretáciu.

Z práce plynie, že autor venoval riešeniu primerané množstvo úsilia a dokázal sa oboznámiť s riešenou problematikou aj použitými výpočtovými nástrojmi. Dokázal realizovať numerické simulácie, spracovať a vyhodnotiť získané výsledky a venoval sa aktuálnej problematike vývoja moderných tieniacich materiálov. Prínos práce však znižuje niekoľko formálnych nedostatkov a predovšetkým nevhodne zvolené spektrum zdroja Am-Be, ktoré predstavuje zásadný vstup pre vykonané výpočty. Celkovo je v práci použité značné množstvo zdrojov literatúry, ktoré sú vhodne zvolené a správne citované.

S ohľadom na vyššie uvedené skutočnosti túto prácu doporučujem k obhajobe a hodnotím ju C/77 bodov. Topics for thesis defence:
  1. Aké by malo byť energetické spektrum neutrónového zdroja Am-Be a v čom sa líši od spektra použitého na obrázku 6.2? Aký vplyv môže mať táto skutočnosť na výsledky vykonaných simulácií?
  2. Na obrázkoch 7.4 a 7.5 porovnávate polotloušťky jednotlivých materiálov. Prečo je v jednom prípade porovnanie vykonané do energie gama žiarenia 15 MeV a v druhom prípade do energie 30 MeV?
  3. Vysvetlite rovnicu (2.2) uvedenú v práci. Aké jadrové reakcie môžu nastávať pri interakcii neutrónov s látkou?
Points proposed by reviewer: 77

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová