核辐射屏蔽材料的研究进展

本文由ligangcqu贡献

pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。

维普资讯

８? ２

材料导报

２００７年５月第２卷第５１期

核辐射屏蔽材料的研究进展

杨文锋，颖，刘杨林，李德安，李军

（四川大学材料科学与工程学院，成都６０６）１０５摘要简述了核辐射对屏蔽材料的一般要求，综述了常用屏蔽材料的特点。指出屏蔽材料的屏蔽效果与其它性能如力学性能、耐热性及抗辐照性能之间的矛盾是屏蔽材料需要解决的关键问题。重点指出了核辐射屏蔽材料研究进展的几个特点：１引入梯度材料设计理论制备功能／（）结构一体化屏蔽材料；２稀土元素及其化合物在屏蔽材料（）中的合理有效利用；３基于遗传算法的优化设计方法在新型屏蔽材料设计中的作用越来越明显。（）

关键词核辐射屏蔽材料研究进展功能梯度材料稀土优化设计

ＲｅｅｒｈＰｒｇｅｓｉｈｅｄｉｇＭａｅｉｌｏｃｅｒＲａｉｔｏｓａｃｏｒｓｎＳｉｌｎｔｒａｓｆｒＮｕｌａｄａｉｎＹＡＮＧｅｆｎＷｎｅｇ，ＬＵｎＩＹｉｇ，ＹＡＮＧｎ，ＬＩ’ｎ，ＬＩＪｎＬｉａＤｅｕ

（ｃｏｌｆＭａｅｉｌｃｅｃｎｇｎｅｉｇ，ＳｃｕｎＵｎｖｒｉｙＳｈｏｔｒａｉｎｅａｄＥｎｉｅｒｎｏＳｉｈａｉｅｓｔ，Ｃｈｎｄ１Ｏ５ｅｇｕ６Ｏ６）

Ａｂｓｒｃｔａｔ

Ｇｅｅａｅｎｓａｄｃａａｔｒｓｉｓｏｈｅｄｎｔｒａｓａｅｉｔｏｕｅ．ＴｈｅｒｂｌｍｈｔｎｒｌｄｍａｄｎｈｒｃｅｉｔｃｆｓｉｌｉｇｍａｅｉｌｒｎｒｄｃｄｅｋｙｐｏｅｔａｎｅｏｂｅｔｅＳｔｅｃｎｌｔｂｔｅｈｅｄｎｆｃｉｅｅｓａｄｏｈｒｐｒｏｍａｃｓｓｃｓｍｅｈｎｃｌｐｒｏｍ—ｅｄｔｅｓｔｌｄｉｈｏｆｃｅｗｅｎｓｉｌｉｇｅｆｔｖｎｓｎｔｅｅｆｒｎｅｕｈａｃａｉａｅｆｒｉｅａｃ，ｈａ－ｅｉｔｎｔｂｌｙａｄａｔｒｄａｉｎｐｏｅｔ．Ｉｈａｅ，ｈｅｅｒｈｐｏｅｓｉｈｅｄｎｔｒａｓｉｎｅｅｔｒｓｓａｔｓａｉｔｎｎｉａｉｔｒｐｒｙｎｔｅｐｐｒｔｅｒｓａｃｒｇｓｎｓｉｌｉｍａｅｉｌｓｉ－ｏｇ

ｐｉｔｄｏｔｐｉｉｉａｌ，Ｔｈｒｒｈｅｒｒｉｅｔｏｓｉｈｅｅｏｍｅｔｏｈｅｄｎｔｒａｓｒｄｅｔｔｅｒｏｎｅｕｒｃｐｌｎｙｅｅａｅｔｒｅｐｉｍａｙｄｒｃｉｎｎｔｅｄｖｌｐｎｆｓｉｌｉｇｍａｅｉｌ：ｇａｉｎｈｏｙｂｉｇｉｔｏｕｅｏｐｅａｅｍｅｈｎｃｌｆｎｔｎｌｉｔｇａｉｅｓｉｌｉｇｍａｅｉｌ，ｒｔｎｌａｄｅｆｃｉｅｕｉｚｔｎｏｅｎｒｄｃｄｔｒｐｒｃａｉａ—ｕｃｉａｎｅｒｔｈｅｄｎｔｒａｓａｉａｎｆｅｔｔｌａｉｆｎｏｖｏｖｉｏ

ｒｒａｔｎｈｉｏｏｎｓｉｈｅｄｎｔｒａｓａｄｏｔｌｄｓｎｂｓｄｏｅｅｉｌｏｉｍｓｂｉｇｍｏｅａｄａｅｅｒｈａｄｔｅｒｃｍｐｕｄｎｓｉｌｉｇｍａｅｉｌ，ｎｐｉｅｉａｅｎｇｎｔｃａｇｒｔｍａｇｈｅｎｒｎ

ｍｏｅｉｏｔｎｅｉｎｎｅｓｙｅｓｉｌｉｔｒｌｒｍｐｒａｔｉｄｓｉｇｎｗ－ｔｌｈｅｎｍａｅｉｓｎｇｄｇａ．Ｋｅｒｙｗｏｄｓｎｃｅｒｒｄａｉｎ，ｓｉｌｉｇｍａｅｉｌ，ｒｓａｃｒｇｅｓＧＭ，ｒｒａｔｕｌａａｉｔｏｈｅｄｎｔｒｓｅｅｒｈｐｏｒｓ，Ｆａａｅｅｒｈ，ｏｔｍａｅｉｎｐｉｌｓｇｄ０前言

反应堆是核能源系统的核心部分，裂变（核或聚变）生各产种辐射射线如不同能级的中子、丫射线、二次丫射线及其它带电粒子和高能射线。辐射防护依赖于屏蔽材料的性能和辐射屏蔽

变中子的能量和运动方向，中子也可能被原子核吸收。中子的

散射分弹性散射和非弹性散射，除弹性散射外，所有的中子与屏蔽材料相互作用都能造成次级辐射。丫射线与Ｘ射线一样，是种比紫外线波长短得多的电磁波，丫射线按其产生机理可分为裂变７射线、裂变产物衰变７线、获７射俘射线、弹性散射非丫射线、活化产物丫射线等ｌ。一般在动力堆中，过屏蔽层的＿１］穿

一

结构的优化设计，，显然选择材料时应该考虑的基本核性能是中子和射线的减弱性能ｌ。重金属如铅、、＿１］钨衰变后的铀（最强的射线通常是由中子在热屏、招Ｕ）压力壳或生物屏蔽层里发以及铁、镍等都是有效的丫射线减弱体，对快中子也有很好的慢生相互作用而产生的。化效果。而像硼、石墨、富氢化合物如水、重水及高分子材料则显然，在选择材料时应该考虑的基本核性能是中子和丫射对中子的减弱或吸收更为有效，这些材料及其复合材料已大量线的减弱性能＿。而一般来说，丫射线具有良好减弱性能的１］对应用于各种核反应堆屏蔽系统并发挥相当重要的作用。辐射防重元素也会因发生中子非弹性散射和辐射俘获而产生二次丫射护材料的研究制备成为科研领域最为重要的课题之一，国防对线。针对不同的设计目的需要选择不同的屏蔽材料，如对固定和民用有着极其重要的意义。国内外对屏蔽复合材料已进行了式的动力堆，价格是首选因素，而对于可移动的堆系统，则屏蔽大量的研究，很多屏蔽材料已得到广泛的应用，中几种主要类其材料的总重量、单位效率及结构稳定性是考虑的重点［。虽然１］型的屏蔽复合材料有屏蔽混凝土＿］硼钢［４、１、２３铅硼聚乙烯口、￣］对中子和丫射线的减弱都有相应较为有效的材料，但没有哪一Ａｌ４—Ｃ复合材料＿、Ｖ－Ｅ复合材料等。Ｂ４ＰＣＰ］所随着核能源及各种核反应堆的发展，对屏蔽材料及其他屏种单体材料能同时满足以上性能，以在应用时必须对材料加以期复合材料在满足综合蔽系统的要求越来越高，的许多屏蔽材料已难以满足其使以选择并采用一定的复合制备技术，现有屏蔽效果的同时具有良好的物理力学性能，如强韧性、热稳定性用要求，主要表现在屏蔽材料的屏蔽效果与其他性能如力学性及抗辐照性能等。对辐射屏蔽材料进行设计时要考虑以下几个能、耐热性、抗辐照性能等难以兼顾。屏蔽材料必须基本满足辐射屏蔽要笔者对已研制使用的一些屏蔽复合材料进行了概述，出主要的标准或要求。首先，指

即对中子、丫射线具有良好的慢化或屏蔽效果；其次，屏蔽材了其有待改进之处，并对目前屏蔽材料发展研究的几个特点进求，料一定要有较好的物理力学性能以满足应用；再者，材料在使用行了分析探讨。过程中要保持良好的结构完整性，尤其对于不可更换的一次性

１核辐射屏蔽材料的一般要求

中子与屏蔽材料的各原子核发生相互作用的结果，以改可

杨文锋：，９９生，男１７年博士研究生

安装的结构材料；最后还必须考虑材料的活化及热积累和二次丫射线的产生。当然，屏蔽复合材料的造价、备工艺及功能元制

Ｔｌ０８８４５３Ｄｍａｌｙｆｙ＠１３ｃｍｅ：２—５０３２ｉｗｃｙ６．ｏ：

维普资讯

核辐射屏蔽材料的研究进展／杨文锋等

素的资源也应该加以考虑。

８３?

的综合屏蔽效果，而且还应具有良好的力学性能。诸多单一材料或复合材料难以同时兼顾功能和结构一体化的要求，严重限制了其在屏蔽系统中的应用。表面处理技术是在利用基材功能或结构特点的基础上，用各种表面处理方法在基材上形成一采

２常用屏蔽材料及其特点

屏蔽混凝土是被广泛用于固定式反应堆的屏蔽材料。材料相对便宜而且可以就地取材，材料成分可调性大，蔽性能和结屏构性能均较好，尤其作为固定堆屏蔽材料时不受体积限制。混凝土的强度相对较低，压强度２抗０～４ＭＰ，而抗拉０ａ强度仅２１．ａ但混凝土用于固定式反应堆或体积不受．～３２ＭＰ，限制地方的屏蔽材料时，其结构特征能满足应用要求。不锈钢和铁也是大量应用的屏蔽材料，因为其具有优良的物理力学是性能，如高强度和良好的韧性。不锈钢本身对７射线有一定的屏蔽效果，如果硼等元素与不锈钢复合，不锈钢还具有对中子和７射线良好的综合屏蔽性能。但硼在钢中的固溶度很低，而且钢中的硼元素也会增加钢的淬透性。更为重要的是，辐照对不锈钢的性能影响较小，以不锈钢不仅用于屏蔽材料也可充当所结构材料［。中国核动力研究设计院研制了硼含量为０５２］．ｗｔ高硼不锈钢，已将其用于反应堆防护系统ｌ。铅硼聚乙并３］烯的研究始于２世纪７００年代中期。聚乙烯中氢含量高，快对层功能性涂层，如热障涂层、磨涂层、蚀涂层等。物理气相耐耐沉积、化学气相沉积、热喷涂、电化学沉积、激光熔覆等技术是常

用的表面处理方法。如果把梯度功能材料（Ｇ的设计理论ＦＭ）

应用到表面处理技术，可制备热应力缓和型梯度功能材料，则很好地解决基材与涂层材料由于热物理性能差异而导致的涂层结合强度下降。这一优势对于热喷涂法制备屏蔽涂层尤为明显。如组成分布指数Ｐ一１８和Ｐ＝１１时，Ｏ－系Ｆ．．ＭｇＮｉＧＭ与ＴＣＮ。ｌＦｉ－ｉＡ系ＧＭ的最大残余热应力缓和程度分别达７和０４％［。不锈钢或硼钢是常用的屏蔽材料，３６］同时具有优良的力学性能，能采用热喷涂技术在不锈钢基材表面制备热应力缓若和型屏蔽功能涂层如ＢＣ、４ＷＣ、ｅＢ、Ｃ、ＦＮｉＴｉ铁镍铝的各种金属间化合物及其梯度功能材料，制备的复合材料兼有