核輻射防護材料有望迎來無鉛化時代

科研人員設(shè)計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，其防護性能甚至優(yōu)于我國大科學裝置——全超導托卡馬克科學實驗裝置中原有的摻硼聚乙烯準直屏蔽體。

通常在人們的印象里，核輻射防護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門就是由鉛材料制造的。然而鉛的生物學毒性對環(huán)境不友好，使其應(yīng)用范圍受到限制。

日前，中國科學院合肥研究院等離子體物理研究所科研團隊取得了一項新進展，有望改變?nèi)藗儗溯椛浞雷o材料的傳統(tǒng)認知。該團隊研制了一類高性能、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制展開了實驗研究和模擬計算驗證，相關(guān)成果發(fā)表在核科學技術(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)代社會輻射防護需求

中子是電中性粒子，不受庫侖力作用，穿透性極強，且在碰撞過程中會產(chǎn)生次級伽馬射線，是現(xiàn)代核輻射防護的研究重點。而科學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，還選用中子吸收材料，以進行復(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，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。

但隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，人們必須采取嚴密的防護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，有的熱力學性能不佳，難以滿足現(xiàn)代社會對核輻射防護的要求，并且這些含鉛的防護材料，往往使用幾年就會失去防護效果，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。科研人員根據(jù)其材料特性，設(shè)計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)計的復(fù)合材料，采用了釓—氫—硼體系對中子進行慢化和吸收，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，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材料送往北京市射線應(yīng)用研究中心，進行樣品屏蔽實際測試。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厘米時達到了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厘米時分別達到了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材料綜合屏蔽性能，甚至優(yōu)于我國大科學裝置——全超導托卡馬克科學實驗裝置中原有的摻硼聚乙烯準直屏蔽體。說明這種新型無鉛核輻射防護材料可作為改進型替代材料，也可作為其他中子—伽馬混合場的防護材料，在受控核聚變的科學攻關(guān)當中，提供更好的核輻射防護手段。