无铅化:核辐射防护材料用稀土元素钆

中国科学院合肥研究院等离子体物理研究所科研团队设计了一种含有稀土元素钆的核辐射防护材料,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。

核辐射防护材料用稀土元素钆图片

核辐射防护材料是指用于防止或削弱核辐射源所产生的辐射伤害的材料,主要包括铅等重金属材料。从综合性能来看,现在大多数的防辐射材料都是使用重金属铅制成的,比如医院X射线检查室所用的防护门。然而,随着核工业对屏蔽材料要求的不断升高以及金属铅对生态环境非常不友好,使得铅的应用范围受到限制。

据悉,在科学高效的中子屏蔽方案,会在选用高原子序数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,如铅硼聚乙烯。

铅硼聚乙烯是由铅、硼、聚乙烯组合而成的一种复合屏蔽材料,具有高效的核屏蔽性能,较轻的重量和较小的体积等特点,已广泛用于核电、核动力、军工、航空、医疗等领域中的核防护。在铅硼聚乙烯材料中,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;铅原子能屏蔽快中子和伽马射线。

不过,铅硼聚乙烯材料由于屏蔽功能单一、屏蔽性能有限和有毒,而难以满足现代社会对核辐射防护的要求。所以,科研人员就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。

核辐射防护材料用稀土元素钆图片

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。

此外,科研人员还发现,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,幷且在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。

北京市射线应用研究中心对新型无铅核辐射防护材料进行测试,发现在锎-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。

综述,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,能提供更好的核辐射防护手段。

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