來源:科技日報
◎本報記者 吳長鋒
科研人員設計了一種高效能無鉛的表面改性氧化釓/碳化硼/高密度聚乙烯複合遮蔽材料，其防護效能甚至優於我國大科學裝置——全超導託卡馬克科學實驗裝置中原有的摻硼聚乙烯準直遮蔽體。
通常在人們的印象裡，核輻射防護材料往往離不開厚重的鉛。例如，醫院X射線檢查室所用的防護門就是由鉛材料製造的。然而鉛的生物學毒性對環境不友好，使其應用範圍受到限制。
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，有望改變人們對核輻射防護材料的傳統認知。該團隊研製了一類高效能、無鉛化的中子及伽馬射線複合遮蔽材料，並圍繞材料的遮蔽效能與機制展開了實驗研究和模擬計算驗證，相關成果發表在核科學技術期刊《核材料與能源》上，並申請了發明專利。
傳統遮蔽材料難以滿足現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生次級伽馬射線，是現代核輻射防護的研究重點。而科學高效的中子遮蔽方案，會在選用高原子序數(原子序數是指元素在週期表中的序號)材料和低原子序數材料的同時，還選用中子吸收材料，以進行復合遮蔽。例如常用的由鉛、硼、聚乙烯組合而成的鉛硼聚乙烯板，就是這種複合遮蔽材料。
鉛硼聚乙烯是一種傳統的遮蔽材料，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遮蔽作用外，對伽馬射線的遮蔽也特別有效。相比其他核遮蔽材料，鉛硼聚乙烯除了具有高效的核遮蔽效能外，還具有質量輕、體積小的特點，已廣泛用於核電、核動力、軍工、航空、醫療等領域中的核防護。
但隨著原子能工業的發展，人們必須採取嚴密的防護措施來保障涉核人員的身體健康和環境安全。而鉛硼聚乙烯等傳統材料遮蔽功能單一、遮蔽效能有限，有的熱力學效能不佳，難以滿足現代社會對核輻射防護的要求，並且這些含鉛的防護材料，往往使用幾年就會失去防護效果，淘汰後流入環境中，會對周圍環境造成汙染。
新防護材料具有優異的綜合遮蔽效能
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遮蔽效能。科研人員根據其材料特性，設計了一種高效能無鉛的表面改性氧化釓/碳化硼/高密度聚乙烯複合遮蔽方案。
首先，研究人員採用偶聯劑對氧化釓進行表面改性處理，提高了其在基體內部的介面相容性和彌散性，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，研究人員設計的複合材料，採用了釓—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生非彈性碰撞，與氫、碳、氧發生彈性碰撞直至成為熱中子，最後被釓和硼吸收。其中釓作為重核元素還兼具吸收伽馬射線的功能。
科研人員透過進一步研究發現，改性奈米氧化釓對複合材料的效能提升明顯優於改性微米氧化釓及未改性的奈米和微米氧化釓，並且在6釐米以下較薄的材料厚度時，氧化釓的改性處理對複合材料輻射遮蔽效能的提升尤為明顯。
而後，科研人員將他們研製的新型無鉛核輻射防護材料送往北京市射線應用研究中心，進行樣品遮蔽實際測試。測試的結果令人滿意：在鉲-252中子源輻照環境下，該複合材料在厚度為15釐米時達到了98%的中子遮蔽率；在銫-137和鈷-60伽馬源輻照環境下，複合材料在厚度為15釐米時分別達到了72%和60%的伽馬遮蔽率。
值得一提的是，這種新型無鉛核輻射防護材料綜合遮蔽效能，甚至優於我國大科學裝置——全超導託卡馬克科學實驗裝置中原有的摻硼聚乙烯準直遮蔽體。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當中，提供更好的核輻射防護手段。
