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

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隊取得了一項新進(jìn)展，有望改變人們對核輻射防護材料的傳統認知。該團隊研制了一類(lèi)高性能、無(wú)鉛化的中子及伽馬射線(xiàn)復合屏蔽材料，并圍繞材料的屏蔽性能與機制展開(kāi)了實(shí)驗研究和模擬計算驗證，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(zhuān)利。

科研人員設計的高性能無(wú)鉛的表面改性氧化釓/碳化硼/高密度聚乙烯復合屏蔽材料，其防護性能甚至優(yōu)于我國大科學(xué)裝置——全超導托卡馬克科學(xué)實(shí)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(kāi)厚重的鉛。例如，醫院X射線(xiàn)檢查室所用的防護門(mén)就是由鉛材料制造的。然而，鉛的生物學(xué)毒性對環(huán)境并不友好，使其應用范圍受到限制。

傳統屏蔽材料難以滿(mǎn)足

現代社會(huì )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(guò)程中會(huì )產(chǎn)生次級伽馬射線(xiàn)，是現代核輻射防護的研究重點(diǎn)。而科學(xué)高效的中子屏蔽方案，會(huì )在選用高原子序數（原子序數是指元素在周期表中的序號）材料和低原子序數材料的同時(shí)，選用中子吸收材料，以進(jìn)行復合屏蔽。例如常用的由鉛、硼、聚乙烯組合而成的鉛硼聚乙烯板，就是這種復合屏蔽材料。

鉛硼聚乙烯是一種傳統的屏蔽材料，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(xiàn)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、醫療等領(lǐng)域中的核防護。

但隨著(zhù)原子能工業(yè)的發(fā)展，人們必須采取嚴密的防護措施來(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(mǎn)足現代社會(huì )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(huì )失去防護效果，淘汰后流入環(huán)境中，也會(huì )對周?chē)h(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(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(xiàn)屏蔽性能?？蒲腥藛T根據其材料特性，設計了一種高性能無(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，提高了其在基體內部的界面相容性和彌散性，使輻射粒子更充分地與材料內部的功能組元相互作用從而迅速衰減。其次，研究人員設計的復合材料，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(xiàn)的功能。

科研人員通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現，改性納米氧化釓對復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)鉛核輻射防護材料送往北京市射線(xiàn)應用研究中心，進(jìn)行樣品屏蔽實(shí)際測試。測試的結果令人滿(mǎn)意：在锎-252中子源輻照環(huán)境下，該復合材料在厚度為15厘米時(shí)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，復合材料在厚度為15厘米時(shí)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(wú)鉛核輻射防護材料綜合屏蔽性能，甚至優(yōu)于我國大科學(xué)裝置——全超導托卡馬克科學(xué)實(shí)驗裝置中原有的摻硼聚乙烯準直屏蔽體。說(shuō)明這種新型無(wú)鉛核輻射防護材料可作為改進(jìn)型替代材料，也可作為其他中子—伽馬混合場(chǎng)的防護材料，在受控核聚變的科學(xué)攻關(guān)當中，提供更好的核輻射防護手段。