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用上稀土元素钆 核辐射防护材料有望迎来无铅化时代

日期： 2022-01-06
浏览次数: 26
来源：科学网


科研人员设计了一种高性能无铅的表面改性氧化钆/碳化硼/高密度聚乙烯复合屏蔽材料，其防护性能甚至优于我国大科学装置——全超导托卡马克科学实验装置中原有的掺硼聚乙烯准直屏蔽体。
通常在人们的印象里，核辐射防护材料往往离不开厚重的铅。例如，医院X射线检查室所用的防护门就是由铅材料制造的。然而铅的生物学毒性对环境不友好，使其应用范围受到限制。
日前，中国科学院合肥研究院等离子体物理研究所科研团队取得了一项新进展，有望改变人们对核辐射防护材料的传统认知。该团队研制了一类高性能、无铅化的中子及伽马射线复合屏蔽材料，并围绕材料的屏蔽性能与机制展开了实验研究和模拟计算验证，相关成果发表在核科学技术期刊《核材料与能源》上，并申请了发明专利。
传统屏蔽材料难以满足现代社会辐射防护需求
中子是电中性粒子，不受库仑力作用，穿透性极强，且在碰撞过程中会产生次级伽马射线，是现代核辐射防护的研究重点。而科学高效的中子屏蔽方案，会在选用高原子序数（原子序数是指元素在周期表中的序号）材料和低原子序数材料的同时，还选用中子吸收材料，以进行复合屏蔽。例如常用的由铅、硼、聚乙烯组合而成的铅硼聚乙烯板，就是这种复合屏蔽材料。
铅硼聚乙烯是一种传统的屏蔽材料，其中聚乙烯具有较高的含氢量，氢原子对快中子具有良好的慢化作用；硼原子能吸收热中子；铅原子除了对具有一定能量的快中子有屏蔽作用外，对伽马射线的屏蔽也特别有效。相比其他核屏蔽材料，铅硼聚乙烯除了具有高效的核屏蔽性能外，还具有质量轻、体积小的特点，已广泛用于核电、核动力、军工、航空、医疗等领域中的核防护。
但随着原子能工业的发展，人们必须采取严密的防护措施来保障涉核人员的身体健康和环境安全。而铅硼聚乙烯等传统材料屏蔽功能单一、屏蔽性能有限，有的热力学性能不佳，难以满足现代社会对核辐射防护的要求，并且这些含铅的防护材料，往往使用几年就会失去防护效果，淘汰后流入环境中，会对周围环境造成污染。
新防护材料具有优异的综合屏蔽性能
而稀土元素钆在自然界中通常以无毒的氧化钆形式存在，且其平均热中子吸收截面非常高，不但耐高温，还具有良好的伽马射线屏蔽性能。科研人员根据其材料特性，设计了一种高性能无铅的表面改性氧化钆/碳化硼/高密度聚乙烯复合屏蔽方案。
首先，研究人员采用偶联剂对氧化钆进行表面改性处理，提高了其在基体内部的界面相容性和弥散性，使辐射粒子更充分地与材料内部的功能组元相互作用从而迅速衰减。其次，研究人员设计的复合材料，采用了钆—氢—硼体系对中子进行慢化和吸收，利用轻、重核与中子的相互作用特性以及钆和硼的高热中子吸收截面特性，使高能入射中子与钆产生非弹性碰撞，与氢、碳、氧发生弹性碰撞直至成为热中子，最后被钆和硼吸收。其中钆作为重核元素还兼具吸收伽马射线的功能。
科研人员通过进一步研究发现，改性纳米氧化钆对复合材料的性能提升明显优于改性微米氧化钆及未改性的纳米和微米氧化钆，并且在6厘米以下较薄的材料厚度时，氧化钆的改性处理对复合材料辐射屏蔽性能的提升尤为明显。
而后，科研人员将他们研制的新型无铅核辐射防护材料送往北京市射线应用研究中心，进行样品屏蔽实际测试。测试的结果令人满意：在锎-252中子源辐照环境下，该复合材料在厚度为15厘米时达到了98%的中子屏蔽率；在铯-137和钴-60伽马源辐照环境下，复合材料在厚度为15厘米时分别达到了72%和60%的伽马屏蔽率。
值得一提的是，这种新型无铅核辐射防护材料综合屏蔽性能，甚至优于我国大科学装置——全超导托卡马克科学实验装置中原有的掺硼聚乙烯准直屏蔽体。说明这种新型无铅核辐射防护材料可作为改进型替代材料，也可作为其他中子—伽马混合场的防护材料，在受控核聚变的科学攻关当中，提供更好的核辐射防护手段。
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