常见射线特点与核辐射综合屏蔽材料性能的相关性研究

付春亮

武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉，430205

0 引言

自从进入21世纪以来，我国对核辐射的综合屏蔽材料越来越重视，其已成为我国科研必须面对的重要问题之一，在国防和民用方面都有较大的应用价值。在核能源系统当中，核心部分是反应堆，由于核裂变产生了辐射射线，其中的中子、C射线以及其他高能射线是不能同级的[1]。就辐射的防护而言，选择屏蔽材料的关键是要观察中子以及C射线是否能同级。重金属在降低C射线性能上有一定的作用，也能够在一定程度上慢化中子。高分子材料对中子以及C射线的吸收有着较大的作用，譬如石墨、水、富氢化合物等[2]。研究结果显示，主要的屏蔽材料包括屏蔽混凝土、Al-B4C复合材料、PVG-PE复合材料等。

1 γ射线屏蔽材料

γ射线与紫外线相比，波长更短，可以通过光电效应以及康普顿效应释放自身的能量。此外，γ射线对高原子序数的屏蔽效果更好，常用于工业生产的屏蔽材料，且成本较低，能够在一定程度上减弱γ射线的质量系数。常用的屏蔽材料有铅板、Pb/B复合材料以及有机铅复合材料。γ射线的屏蔽性能见表1。

表1 常用元素屏蔽性能

1.1 铅板

铅板的耐氧化性比较强，且自身的熔点较低，十分容易进行加工，成本也比较低，在γ射线上的应用比较早。然而，铅的耐高温性和硬度都比较低，在使用过程中会出现大量的毒性物质，所以在使用上也会受到一定的约束[3]。

1.2 Pb/B复合材料

对于铅、硼的复合材料而言，热中子吸收较大，铅是γ射线的主要屏蔽材料，所以γ射线会受到铅、硼复合材料的影响，能够在很大程度上对γ射线的中子进行屏蔽。然而，铅和硼的复合材料自身物理特性有较大的区别，所以材料当中含有大量的杂质。有学者发现加入金属镁之后，不仅可以解决自身产生杂质的问题，还能够提高材料的强度。但是该材料依然存在一个较大的缺点，即耐高温性能较差，其应用也因此受到了局限[4]。

1.3 有机铅复合材料

使用最多的有机铅复合材料是铅硼聚乙烯，其由铅、硼、碳以及聚乙烯制成，含氢量比较高，能够对γ射线中子进行吸收，保证屏蔽材料的吸收率。其中，硼含量也比较高，使其有了较高的吸收截面，在γ射线释放的能量较低时，可以捕获热中子，而铅能够吸收γ射线。所以，铅有机复合材料是一种比较理想的综合屏蔽材料，对于γ射线的屏蔽有着较高的应用价值[5]。铅硼聚乙烯已经出现了很多型号，具体见表2。但是在应用过程中，也存在三个主要的问题：①B4C以及铝粉密度不同，想要充分混匀较难；②在使用铅材料时，会散发大量的有毒物质；③使用的温度较低。

表2 铅硼聚乙烯成分表

对于铅硼聚乙烯来说，最大的问题就是使用的温度较低，一般会采用两种方式来提高材料的耐热性：①辐照交联，该方法能够提高高分子材料的耐热性能。在使用了辐照交联技术处理高分子材料之后，发现其耐高温性能有了一定的提高。②使用高分子材料替代聚乙烯，常用的有机化合物和耐高温数据见表3。

表3 常用有机化合物的耐高温性能

就目前而言，降低γ射线的质量系数，可以使用稀土元素当做旁边材料，这样不仅能够屏蔽γ射线，还能够在一定程度上提高材料的耐高温性；此外，包括金、铁、钨等也是γ射线屏蔽的理想材料[6]。

2 X射线屏蔽材料

X射线本质上是属于电磁波的范围，穿透力较强，辐射方式主要是光子辐射，波长范围在0.01～100A（1A=1×10-8cm）。就目前而言，低能的X射线屏蔽会使用铅材料保护有机玻璃进行屏蔽，但是铅材料具有一定的毒性，当前混凝土、纤维也成为X射线屏蔽的主要材料。发展初期，研究人员主要利用纤维、黏胶等物体，借助聚丙烯腈和硫酸钠溶液，进行接枝后将其作为工具材料，再用醋酸铅溶液制作成防护服，长期的实践表明，其整体效果较好，但是制作的工艺比较复杂，对技术要求较高。

齐鲁等人[7]所研究的防X射线辐射的纤维材料主要包括聚丙烯以及其他有屏蔽作用的复合材料，成品纤维的纤度一般都大于2.0drex，使用该纤维做成的防护服，无论是强度还是灵活度都能够满足要求，对X射线有着较好的屏蔽效果。杨程等人使用丙烯酸以及香蕉制作出了一种复合屏蔽材料，在研究的过程中，香蕉因为粒子较小，具有较强的界面作用，加入丙烯酸之后，提高了复合材料的防辐射性。在高能X射线的屏蔽中，通常使用树脂/纳米铅的复合材料，其带有均匀分布的活性基团-SO3-。在一定外部条件下，Pb（NO3）2会倒入树脂中进行熟化处理，在放置一段时间之后，会析出其中的Pb离子，将其放入温度为110℃的烘箱中烘烤，就可以得到其复合材料。除此之外，使用活性基团也能够进行离子交换，从而对树脂进行熟化。如果材料大小相同且分布均匀，那么质量分数就会增加，对X射线的屏蔽能力也越强。

3 中子屏蔽材料

因为中子的性能是不带电的，且与原子的质量相似，所以中子和原子碰撞后才会损失能量。按照所散发的能量进行分类，包括热中子、中能中子、快中子、满中子等。聚乙烯因为含氢量较高，能够将快中子慢化；稀土元素由于吸收截面较大，对吸收热中子有着很高的应用价值。将两者结合起来，既能对快中子进行慢化也能对热中子进行吸收，从而提高屏蔽性能。当前应用最广的是硼及其化合物，硼元素有两个同位素，分别是10B和11B，10B的丰度较低，只有19.9%，但是吸收截面较大，所以对热中子有一定的吸收作用；11B的丰度较高，有80.1%，但是吸收截面较小，所以更多的是用来慢化快中子。硼在吸收了中子之后，会产生一定量的γ光子，但是数量非常少，不会出现二次辐射。因此，常用的屏蔽材料包括含硼不锈钢、B4C/Al复合材料、硼有机复合材料以及B/Al合金。

3.1 含硼不锈钢

含硼不锈钢的典型代表是铁铬，因为铁能够在一定程度上降低γ的系数，减弱数值达到0.077cm2/g（0.6MeV），然而铬对γ射线的减弱数值也较高，达到0.076cm2/g（0.6MeV），所以铁铬对于γ射线的屏蔽性能非常好。利用硼对热中子的高吸收性能，可以让铁铬同时具有γ射线屏蔽和中子屏蔽的性能。除此之外，在钢的加工性能和结构性能中，含硼不锈钢可以作为结构一体化的材料，但其主要面临的问题是硼的溶解度较低。对于已经开发的含硼不锈钢质量分数见表4。

表4 含硼不锈钢产品中硼的质量分数

在使用含硼不锈钢作为屏蔽材料时，会受到外部因素的影响，从而出现大量的He气体，反应见式（1）。He气体会让屏蔽材料出现肿胀的情况，从而对机械造成影响。

3.2 B4C/Al复合材料

B4C/Al复合材料主要是让B4C注入Al基体中，从而形成一种新型复合材料，B4C的特点是比较硬，难以成型，所以将B4C放入AL基体中之后，需要使用传统的粉末冶金法、熔炼铸造法等作为加工工艺，提高屏蔽性能。一般采用的方式是粉末冶金法，但该法成本较低，且熔炼铸造法会出现界面反应，容易导致硼的分布不均匀，对屏蔽效果造成一定程度的影响，因此需要加入钛元素来减弱界面反应。

3.3 硼有机复合材料

硼有机复合材料主要是铅硼聚乙烯，由铅、硼以及聚乙烯组成，铅能够对γ射线进行吸收，硼能够吸收热中子，聚乙烯能够慢化快中子，是一种比较理想的综合屏蔽材料。

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，吸收截面较大，中子吸收截面为40000b，是硼元素的10倍左右[8]；其次，在Cd元素中，吸收截面为2450b，广泛应用在核电乏燃料贮存中，成本较低、加工容易，但是强度较低，容易被腐蚀；最后，Gd元素的吸收截面为255000b，是硼元素的60倍以上，具有较强的抗腐蚀性。

4 未来的发展趋势

当前，我国无论是对γ射线还是中子辐射都有比较高效的屏蔽材料，但大多数材料只能实现单方面的屏蔽，没有能够同时屏蔽两种辐射的材料，且每种屏蔽方式都有自身的缺点，在结构、力学性能、耐高温性以及环保上难以同时兼顾。除此之外，随着社会的发展，对屏蔽材料的要求也越来越高，不仅需要有一定的综合屏蔽功能，还要基于材料的力学性能，进行复合材料的制作[9]。未来，其主要发展趋势分为以下五点：①要求材料的密度较大，可在一定程度上减小其质量和体积；②能够对γ射线或者中子的屏蔽起到作用；③在热稳定性、耐辐射性以及耐高温性上有较好的作用；④尽可能降低γ射线所产生的二次辐射；⑤成本不宜过高。

基于社会发展的需要，对材料调控和技术革新要有所重视。稀土元素能够对核辐射屏蔽起到作用，将稀土元素加入硼化物中后，对结晶过程进行改善，能够保证硼化物的合理分布，并细化硼化物的晶粒，提高材料的综合屏蔽性能。技术革新主要是对屏蔽材料进行固溶、扩散退火、淬回火处理；其中，粉末冶金法可以提高材料的密度，3D打印技术可以减少焊接工艺对材料的影响[10]。

5 结语

综上所述，当前我国对屏蔽材料的研究渐渐转向了综合屏蔽材料，使屏蔽材料实现结构力学性能的一体化发展。目前，我国在综合屏蔽材料上应用最广泛的是含硼不锈钢，但是也需要通过其他技术不断完善其性能，以期提升我国在该领域的发展潜力。此外，在对当前的屏蔽材料进行优化设计时，要多利用稀土元素，为我国核辐射综合屏蔽材料未来的发展打下良好的基础。