科研人員設(shè)計(jì)了一種高性能無鉛的表面改性氧化釓/碳化硼/高密度聚乙烯復(fù)合屏蔽材料,其防護(hù)性能甚至優(yōu)于我國大科學(xué)裝置——全超導(dǎo)托卡馬克科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置中原有的摻硼聚乙烯準(zhǔn)直屏蔽體。
通常在人們的印象里,核輻射防護(hù)材料往往離不開厚重的鉛。例如,醫(yī)院X射線檢查室所用的防護(hù)門就是由鉛材料制造的。然而鉛的生物學(xué)毒性對環(huán)境不友好,使其應(yīng)用范圍受到限制。
日前,中國科學(xué)院合肥研究院等離子體物理研究所科研團(tuán)隊(duì)取得了一項(xiàng)新進(jìn)展,有望改變?nèi)藗儗溯椛浞雷o(hù)材料的傳統(tǒng)認(rèn)知。該團(tuán)隊(duì)研制了一類高性能、無鉛化的中子及伽馬射線復(fù)合屏蔽材料,并圍繞材料的屏蔽性能與機(jī)制展開了實(shí)驗(yàn)研究和模擬計(jì)算驗(yàn)證,相關(guān)成果發(fā)表在核科學(xué)技術(shù)期刊《核材料與能源》上,并申請了發(fā)明專利。
傳統(tǒng)屏蔽材料難以滿足現(xiàn)代社會輻射防護(hù)需求
中子是電中性粒子,不受庫侖力作用,穿透性極強(qiáng),且在碰撞過程中會產(chǎn)生次級伽馬射線,是現(xiàn)代核輻射防護(hù)的研究重點(diǎn)。而科學(xué)高效的中子屏蔽方案,會在選用高原子序數(shù)(原子序數(shù)是指元素在周期表中的序號)材料和低原子序數(shù)材料的同時(shí),還選用中子吸收材料,以進(jìn)行復(fù)合屏蔽。例如常用的由鉛、硼、聚乙烯組合而成的鉛硼聚乙烯板,就是這種復(fù)合屏蔽材料。
鉛硼聚乙烯是一種傳統(tǒng)的屏蔽材料,其中聚乙烯具有較高的含氫量,氫原子對快中子具有良好的慢化作用;硼原子能吸收熱中子;鉛原子除了對具有一定能量的快中子有屏蔽作用外,對伽馬射線的屏蔽也特別有效。相比其他核屏蔽材料,鉛硼聚乙烯除了具有高效的核屏蔽性能外,還具有質(zhì)量輕、體積小的特點(diǎn),已廣泛用于核電、核動力、軍工、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域中的核防護(hù)。
但隨著原子能工業(yè)的發(fā)展,人們必須采取嚴(yán)密的防護(hù)措施來保障涉核人員的身體健康和環(huán)境安全。而鉛硼聚乙烯等傳統(tǒng)材料屏蔽功能單一、屏蔽性能有限,有的熱力學(xué)性能不佳,難以滿足現(xiàn)代社會對核輻射防護(hù)的要求,并且這些含鉛的防護(hù)材料,往往使用幾年就會失去防護(hù)效果,淘汰后流入環(huán)境中,會對周圍環(huán)境造成污染。
新防護(hù)材料具有優(yōu)異的綜合屏蔽性能
而稀土元素釓在自然界中通常以無毒的氧化釓形式存在,且其平均熱中子吸收截面非常高,不但耐高溫,還具有良好的伽馬射線屏蔽性能??蒲腥藛T根據(jù)其材料特性,設(shè)計(jì)了一種高性能無鉛的表面改性氧化釓/碳化硼/高密度聚乙烯復(fù)合屏蔽方案。
首先,研究人員采用偶聯(lián)劑對氧化釓進(jìn)行表面改性處理,提高了其在基體內(nèi)部的界面相容性和彌散性,使輻射粒子更充分地與材料內(nèi)部的功能組元相互作用從而迅速衰減。其次,研究人員設(shè)計(jì)的復(fù)合材料,采用了釓—氫—硼體系對中子進(jìn)行慢化和吸收,利用輕、重核與中子的相互作用特性以及釓和硼的高熱中子吸收截面特性,使高能入射中子與釓產(chǎn)生非彈性碰撞,與氫、碳、氧發(fā)生彈性碰撞直至成為熱中子,最后被釓和硼吸收。其中釓作為重核元素還兼具吸收伽馬射線的功能。
科研人員通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),改性納米氧化釓對復(fù)合材料的性能提升明顯優(yōu)于改性微米氧化釓及未改性的納米和微米氧化釓,并且在6厘米以下較薄的材料厚度時(shí),氧化釓的改性處理對復(fù)合材料輻射屏蔽性能的提升尤為明顯。
而后,科研人員將他們研制的新型無鉛核輻射防護(hù)材料送往北京市射線應(yīng)用研究中心,進(jìn)行樣品屏蔽實(shí)際測試。測試的結(jié)果令人滿意:在锎-252中子源輻照環(huán)境下,該復(fù)合材料在厚度為15厘米時(shí)達(dá)到了98%的中子屏蔽率;在銫-137和鈷-60伽馬源輻照環(huán)境下,復(fù)合材料在厚度為15厘米時(shí)分別達(dá)到了72%和60%的伽馬屏蔽率。
值得一提的是,這種新型無鉛核輻射防護(hù)材料綜合屏蔽性能,甚至優(yōu)于我國大科學(xué)裝置——全超導(dǎo)托卡馬克科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置中原有的摻硼聚乙烯準(zhǔn)直屏蔽體。說明這種新型無鉛核輻射防護(hù)材料可作為改進(jìn)型替代材料,也可作為其他中子—伽馬混合場的防護(hù)材料,在受控核聚變的科學(xué)攻關(guān)當(dāng)中,提供更好的核輻射防護(hù)手段。
關(guān)鍵詞: 核輻射防護(hù)材料 新進(jìn)展 無鉛化時(shí)代 傳統(tǒng)屏蔽材料
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