常見射線特點與核輻射綜合屏蔽材料性能的相關(guān)性研究

付春亮

武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢，430205

0 引言

自從進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國對核輻射的綜合屏蔽材料越來越重視，其已成為我國科研必須面對的重要問題之一，在國防和民用方面都有較大的應(yīng)用價值。在核能源系統(tǒng)當(dāng)中，核心部分是反應(yīng)堆，由于核裂變產(chǎn)生了輻射射線，其中的中子、C射線以及其他高能射線是不能同級的[1]。就輻射的防護(hù)而言，選擇屏蔽材料的關(guān)鍵是要觀察中子以及C射線是否能同級。重金屬在降低C射線性能上有一定的作用，也能夠在一定程度上慢化中子。高分子材料對中子以及C射線的吸收有著較大的作用，譬如石墨、水、富氫化合物等[2]。研究結(jié)果顯示，主要的屏蔽材料包括屏蔽混凝土、Al-B4C復(fù)合材料、PVG-PE復(fù)合材料等。

1 γ射線屏蔽材料

γ射線與紫外線相比，波長更短，可以通過光電效應(yīng)以及康普頓效應(yīng)釋放自身的能量。此外，γ射線對高原子序數(shù)的屏蔽效果更好，常用于工業(yè)生產(chǎn)的屏蔽材料，且成本較低，能夠在一定程度上減弱γ射線的質(zhì)量系數(shù)。常用的屏蔽材料有鉛板、Pb/B復(fù)合材料以及有機鉛復(fù)合材料。γ射線的屏蔽性能見表1。

表1 常用元素屏蔽性能

1.1 鉛板

鉛板的耐氧化性比較強，且自身的熔點較低，十分容易進(jìn)行加工，成本也比較低，在γ射線上的應(yīng)用比較早。然而，鉛的耐高溫性和硬度都比較低，在使用過程中會出現(xiàn)大量的毒性物質(zhì)，所以在使用上也會受到一定的約束[3]。

1.2 Pb/B復(fù)合材料

對于鉛、硼的復(fù)合材料而言，熱中子吸收較大，鉛是γ射線的主要屏蔽材料，所以γ射線會受到鉛、硼復(fù)合材料的影響，能夠在很大程度上對γ射線的中子進(jìn)行屏蔽。然而，鉛和硼的復(fù)合材料自身物理特性有較大的區(qū)別，所以材料當(dāng)中含有大量的雜質(zhì)。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)加入金屬鎂之后，不僅可以解決自身產(chǎn)生雜質(zhì)的問題，還能夠提高材料的強度。但是該材料依然存在一個較大的缺點，即耐高溫性能較差，其應(yīng)用也因此受到了局限[4]。

1.3 有機鉛復(fù)合材料

使用最多的有機鉛復(fù)合材料是鉛硼聚乙烯，其由鉛、硼、碳以及聚乙烯制成，含氫量比較高，能夠?qū)Ζ蒙渚€中子進(jìn)行吸收，保證屏蔽材料的吸收率。其中，硼含量也比較高，使其有了較高的吸收截面，在γ射線釋放的能量較低時，可以捕獲熱中子，而鉛能夠吸收γ射線。所以，鉛有機復(fù)合材料是一種比較理想的綜合屏蔽材料，對于γ射線的屏蔽有著較高的應(yīng)用價值[5]。鉛硼聚乙烯已經(jīng)出現(xiàn)了很多型號，具體見表2。但是在應(yīng)用過程中，也存在三個主要的問題：①B4C以及鋁粉密度不同，想要充分混勻較難；②在使用鉛材料時，會散發(fā)大量的有毒物質(zhì)；③使用的溫度較低。

表2 鉛硼聚乙烯成分表

對于鉛硼聚乙烯來說，最大的問題就是使用的溫度較低，一般會采用兩種方式來提高材料的耐熱性：①輻照交聯(lián)，該方法能夠提高高分子材料的耐熱性能。在使用了輻照交聯(lián)技術(shù)處理高分子材料之后，發(fā)現(xiàn)其耐高溫性能有了一定的提高。②使用高分子材料替代聚乙烯，常用的有機化合物和耐高溫數(shù)據(jù)見表3。

表3 常用有機化合物的耐高溫性能

就目前而言，降低γ射線的質(zhì)量系數(shù)，可以使用稀土元素當(dāng)做旁邊材料，這樣不僅能夠屏蔽γ射線，還能夠在一定程度上提高材料的耐高溫性；此外，包括金、鐵、鎢等也是γ射線屏蔽的理想材料[6]。

2 X射線屏蔽材料

X射線本質(zhì)上是屬于電磁波的范圍，穿透力較強，輻射方式主要是光子輻射，波長范圍在0.01～100A（1A=1×10-8cm）。就目前而言，低能的X射線屏蔽會使用鉛材料保護(hù)有機玻璃進(jìn)行屏蔽，但是鉛材料具有一定的毒性，當(dāng)前混凝土、纖維也成為X射線屏蔽的主要材料。發(fā)展初期，研究人員主要利用纖維、黏膠等物體，借助聚丙烯腈和硫酸鈉溶液，進(jìn)行接枝后將其作為工具材料，再用醋酸鉛溶液制作成防護(hù)服，長期的實踐表明，其整體效果較好，但是制作的工藝比較復(fù)雜，對技術(shù)要求較高。

齊魯?shù)热薣7]所研究的防X射線輻射的纖維材料主要包括聚丙烯以及其他有屏蔽作用的復(fù)合材料，成品纖維的纖度一般都大于2.0drex，使用該纖維做成的防護(hù)服，無論是強度還是靈活度都能夠滿足要求，對X射線有著較好的屏蔽效果。楊程等人使用丙烯酸以及香蕉制作出了一種復(fù)合屏蔽材料，在研究的過程中，香蕉因為粒子較小，具有較強的界面作用，加入丙烯酸之后，提高了復(fù)合材料的防輻射性。在高能X射線的屏蔽中，通常使用樹脂/納米鉛的復(fù)合材料，其帶有均勻分布的活性基團(tuán)-SO3-。在一定外部條件下，Pb（NO3）2會倒入樹脂中進(jìn)行熟化處理，在放置一段時間之后，會析出其中的Pb離子，將其放入溫度為110℃的烘箱中烘烤，就可以得到其復(fù)合材料。除此之外，使用活性基團(tuán)也能夠進(jìn)行離子交換，從而對樹脂進(jìn)行熟化。如果材料大小相同且分布均勻，那么質(zhì)量分?jǐn)?shù)就會增加，對X射線的屏蔽能力也越強。

3 中子屏蔽材料

因為中子的性能是不帶電的，且與原子的質(zhì)量相似，所以中子和原子碰撞后才會損失能量。按照所散發(fā)的能量進(jìn)行分類，包括熱中子、中能中子、快中子、滿中子等。聚乙烯因為含氫量較高，能夠?qū)⒖熘凶勇幌⊥猎赜捎谖战孛孑^大，對吸收熱中子有著很高的應(yīng)用價值。將兩者結(jié)合起來，既能對快中子進(jìn)行慢化也能對熱中子進(jìn)行吸收，從而提高屏蔽性能。當(dāng)前應(yīng)用最廣的是硼及其化合物，硼元素有兩個同位素，分別是10B和11B，10B的豐度較低，只有19.9%，但是吸收截面較大，所以對熱中子有一定的吸收作用；11B的豐度較高，有80.1%，但是吸收截面較小，所以更多的是用來慢化快中子。硼在吸收了中子之后，會產(chǎn)生一定量的γ光子，但是數(shù)量非常少，不會出現(xiàn)二次輻射。因此，常用的屏蔽材料包括含硼不銹鋼、B4C/Al復(fù)合材料、硼有機復(fù)合材料以及B/Al合金。

3.1 含硼不銹鋼

含硼不銹鋼的典型代表是鐵鉻，因為鐵能夠在一定程度上降低γ的系數(shù)，減弱數(shù)值達(dá)到0.077cm2/g（0.6MeV），然而鉻對γ射線的減弱數(shù)值也較高，達(dá)到0.076cm2/g（0.6MeV），所以鐵鉻對于γ射線的屏蔽性能非常好。利用硼對熱中子的高吸收性能，可以讓鐵鉻同時具有γ射線屏蔽和中子屏蔽的性能。除此之外，在鋼的加工性能和結(jié)構(gòu)性能中，含硼不銹鋼可以作為結(jié)構(gòu)一體化的材料，但其主要面臨的問題是硼的溶解度較低。對于已經(jīng)開發(fā)的含硼不銹鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表4。

表4 含硼不銹鋼產(chǎn)品中硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

在使用含硼不銹鋼作為屏蔽材料時，會受到外部因素的影響，從而出現(xiàn)大量的He氣體，反應(yīng)見式（1）。He氣體會讓屏蔽材料出現(xiàn)腫脹的情況，從而對機械造成影響。

3.2 B4C/Al復(fù)合材料

B4C/Al復(fù)合材料主要是讓B4C注入Al基體中，從而形成一種新型復(fù)合材料，B4C的特點是比較硬，難以成型，所以將B4C放入AL基體中之后，需要使用傳統(tǒng)的粉末冶金法、熔煉鑄造法等作為加工工藝，提高屏蔽性能。一般采用的方式是粉末冶金法，但該法成本較低，且熔煉鑄造法會出現(xiàn)界面反應(yīng)，容易導(dǎo)致硼的分布不均勻，對屏蔽效果造成一定程度的影響，因此需要加入鈦元素來減弱界面反應(yīng)。

3.3 硼有機復(fù)合材料

硼有機復(fù)合材料主要是鉛硼聚乙烯，由鉛、硼以及聚乙烯組成，鉛能夠?qū)Ζ蒙渚€進(jìn)行吸收，硼能夠吸收熱中子，聚乙烯能夠慢化快中子，是一種比較理想的綜合屏蔽材料。

3.4 其他屏蔽材料

其他屏蔽材料主要是指使用稀土元素代替硼元素制作的屏蔽材料，其可以在一定程度上改善材料的屏蔽性能。稀土元素主要包括Sm、Cd、Gd。首先，在Sm元素中，吸收截面較大，中子吸收截面為40000b，是硼元素的10倍左右[8]；其次，在Cd元素中，吸收截面為2450b，廣泛應(yīng)用在核電乏燃料貯存中，成本較低、加工容易，但是強度較低，容易被腐蝕；最后，Gd元素的吸收截面為255000b，是硼元素的60倍以上，具有較強的抗腐蝕性。

4 未來的發(fā)展趨勢

當(dāng)前，我國無論是對γ射線還是中子輻射都有比較高效的屏蔽材料，但大多數(shù)材料只能實現(xiàn)單方面的屏蔽，沒有能夠同時屏蔽兩種輻射的材料，且每種屏蔽方式都有自身的缺點，在結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、耐高溫性以及環(huán)保上難以同時兼顧。除此之外，隨著社會的發(fā)展，對屏蔽材料的要求也越來越高，不僅需要有一定的綜合屏蔽功能，還要基于材料的力學(xué)性能，進(jìn)行復(fù)合材料的制作[9]。未來，其主要發(fā)展趨勢分為以下五點：①要求材料的密度較大，可在一定程度上減小其質(zhì)量和體積；②能夠?qū)Ζ蒙渚€或者中子的屏蔽起到作用；③在熱穩(wěn)定性、耐輻射性以及耐高溫性上有較好的作用；④盡可能降低γ射線所產(chǎn)生的二次輻射；⑤成本不宜過高。

基于社會發(fā)展的需要，對材料調(diào)控和技術(shù)革新要有所重視。稀土元素能夠?qū)溯椛淦帘纹鸬阶饔茫瑢⑾⊥猎丶尤肱鸹镏泻螅瑢Y(jié)晶過程進(jìn)行改善，能夠保證硼化物的合理分布，并細(xì)化硼化物的晶粒，提高材料的綜合屏蔽性能。技術(shù)革新主要是對屏蔽材料進(jìn)行固溶、擴散退火、淬回火處理；其中，粉末冶金法可以提高材料的密度，3D打印技術(shù)可以減少焊接工藝對材料的影響[10]。

5 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)前我國對屏蔽材料的研究漸漸轉(zhuǎn)向了綜合屏蔽材料，使屏蔽材料實現(xiàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的一體化發(fā)展。目前，我國在綜合屏蔽材料上應(yīng)用最廣泛的是含硼不銹鋼，但是也需要通過其他技術(shù)不斷完善其性能，以期提升我國在該領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Α４送猓趯Ξ?dāng)前的屏蔽材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，要多利用稀土元素，為我國核輻射綜合屏蔽材料未來的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。