稀土元素釓賦能屏蔽材料 核輻射防護(hù)材料有望迎來(lái)無(wú)鉛化時(shí)代

日前，中國(guó)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?duì)核輻射防護(hù)材料的傳統(tǒng)認(rèn)知。該團(tuán)隊(duì)研制了一類(lèi)高性能、無(wú)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(kāi)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(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利。

科研人員設(shè)計(jì)的高性能無(wú)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(guó)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(kāi)厚重的鉛。例如，醫(yī)院X射線檢查室所用的防護(hù)門(mén)就是由鉛材料制造的。然而，鉛的生物學(xué)毒性對(duì)環(huán)境并不友好，使其應(yīng)用范圍受到限制。

傳統(tǒng)屏蔽材料難以滿足

現(xiàn)代社會(huì)輻射防護(hù)需求

中子是電中性粒子，不受庫(kù)侖力作用，穿透性極強(qiáng)，且在碰撞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生次級(jí)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(huì)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(hào)）材料和低原子序數(shù)材料的同時(shí)，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(duì)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(duì)具有一定能量的快中子有屏蔽作用外，對(duì)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(dòng)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(lái)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(huì)對(duì)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(huì)失去防護(hù)效果，淘汰后流入環(huán)境中，也會(huì)對(duì)周?chē)h(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(wú)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(wú)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(duì)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(duì)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(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，改性納米氧化釓對(duì)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(duì)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(wú)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(cè)試。測(cè)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(wú)鉛核輻射防護(hù)材料綜合屏蔽性能，甚至優(yōu)于我國(guó)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(shuō)明這種新型無(wú)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(chǎng)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。