核輻射防護材料有望迎來無鉛化時代

科研人員設計了一種高性能無鉛的表面改性氧化釓/碳化硼/高密度聚乙烯復合屏蔽材料，其防護性能甚至優于我國大科學裝置——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境不友好，使其應用范圍受到限制。

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，有望改變人們對核輻射防護材料的傳統認知。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，相關成果發表在核科學技術期刊《核材料與能源》上，并申請了發明專利。

傳統屏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。而科學高效的中子屏蔽方案，會在選用高原子序數（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，還選用中子吸收材料，以進行復合屏蔽。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，還具有質量輕、體積小的特點，已廣泛用于核電、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，人們必須采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，淘汰后流入環境中，會對周圍環境造成污染。

新防護材料具有優異的綜合屏蔽性能

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。科研人員根據其材料特性，設計了一種高性能無鉛的表面改性氧化釓/碳化硼/高密度聚乙烯復合屏蔽方案。

首先，研究人員采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現，改性納米氧化釓對復合材料的性能提升明顯優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用研究中心，進行樣品屏蔽實際測試。測試的結果令人滿意：在锎-252中子源輻照環境下，該復合材料在厚度為15厘米時達到了98%的中子屏蔽率；在銫-137和鈷-60伽馬源輻照環境下，復合材料在厚度為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當中，提供更好的核輻射防護手段。