关于核反应堆辐射屏蔽材料的研究

国防科技学院
核
材
料
导
论
论
文
论文名称：关于核反应堆辐射屏蔽材料的研究*名：**
班级：辐射0802
学号：********
关于核反应堆辐射屏蔽材料的研究
阳刚（国防科技学院辐射0802）
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介绍了常见的几种具有较强放射性射线的产生机理和特点，详述了防护这些射线的屏蔽材料的种类和屏蔽原理。

对防护这些射线的各种屏蔽材料的研究便成为一项十分重要和迫切的课题，同时也取得了较大的成果。

本文对这些成果进行了简要的介绍，并提出了该领域未来研究和应用的主要方向。

关键词核反应堆辐射屏蔽材料
前言反应堆是核能源系统的核心部分，核裂变(或聚变)产生各种辐射射线如不同能级的中子、γ射线、二次γ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。

重金属如铅、钨、衰变后的铀以及铁、镍等都是有效的γ射线减弱体，对快中子也有很好的慢化效果。

而像硼、石墨、富氢化合物如水、重水及高分子材料则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。

辐射防护材料的研究制备成为科研领域最为重要的课题之一，对国防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大量的研究，很多屏蔽材料已得到广泛的应用，其中几种主要类
型的屏蔽复合材料有屏蔽混凝土、硼钢、铅硼聚乙烯口、Al—B4C复合材料、PVC-PE复合材料等。

随着核能源及各种核反应堆的发展，对屏蔽材料及其他屏蔽系统的要求越来越高，现有的许多屏蔽材料已难以满足其使用要求，主要表现在屏蔽材料的屏蔽效果与其他性能如力学性能、耐热性、抗辐照性能等难以兼顾。

核反应堆屏蔽材料
设置在堆外围保护人员和设备免受放射线伤害的核反应堆材料。

当反应堆运行时，核裂变反应将产生大量中子和γ射线，裂变产物衰变也释放出α、β粒子和γ射线。

α和β粒子射程很短，很容易被空气或其他物体吸收，一般对操作人员不构成威胁；中子和γ射线有极强穿透能力，为了阻挡它们要求在反应堆四周设置保护屏蔽层。

屏蔽快中子需选用轻元素组成的材料，屏蔽γ射线则需选用重元素组成的材料，因此堆外屏蔽层往往采用兼含轻重元素的联合结构。

常用的屏蔽层材料有：特制重混凝土、含硼贴层、重金属等。

特制重混凝土由水泥中掺入填充料，如铁矿石、重晶石、铸铁所构成，因其中含有重元素铁和轻元素结晶水(氢)，因此对中子和γ射线有较强的吸收能力。

这种屏蔽材料常被固定式动力堆和研究用堆采用。

重混凝土层体积大、质量重，有时尚不满足屏蔽要求，如果向其中加入少量含硼物质，或在重混凝土内表面贴上一层B4C-铝的弥散体层，可大大提高屏蔽层吸收中子能力，但价格将明显提高。

重金属铅、钨、钼对γ射线是很好的防护材料，但价格贵，使用大受限制。

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，屏蔽性能和结构性能均较好，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，抗压强度20～ 40MPa，而抗拉强度仅2．1～3．2 MPa，但混凝土用于固定式反应堆或体积不受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，是因为其具有优良的物理力学性能，如高强度和良好的韧性。

不锈钢本身对γ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γ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，所以不锈钢不仅用于屏蔽材料也可充当结构材料。

中国核动力研究设计院研制了硼含量为0．5wt 高硼不锈钢，并已将其用于反应堆防护系统。

铅硼聚乙烯的研究始于20世纪70年代中期。

聚乙烯中氢含量高，对快中子慢化特别有效，而铅是很有效的．y射线屏蔽材料。

美国反应堆实验仪器公司已有好几种铅硼聚乙烯产品用于各种反应堆系统。

一般而言，铝基复合材料密度低，硬度和强度较高，韧性好。

国内外对铝基复合材料的广泛研究为其在屏蔽材料中的应用提供了基础，如作为结构中子吸收材料的铝一碳化硼材料，可以作为核屏蔽材料填充反应堆密封仓。

防X射线屏蔽材料
X射线是一种光子辐射，本质上是一种电磁波，有很强的穿透力，其波长范围为0．01～IOOA(1A=1×10～cm)，主要是由原子内层轨道电
子跃迁或高能电子减速时与物质的能量交换作用产生，实验室常用具有高真空的X射线管来产生。

目前对低能X射线的屏蔽一般采用含铅玻璃、有机玻璃及橡胶等制品，考虑到含铅氧化物的毒性，现在一般采用混凝土[53或纤维E6～10]织物来防护X射线。

最初前苏联科研人员用粘胶纤维织物为对象，通过对聚丙烯腈接枝，用硫酸钠溶液处理接枝共聚材料，最后用醋酸铅溶液处理被改性的织物来制成防护服，此防护服屏蔽效果好，但工艺较复杂，制取难度大。

日本和奥地利的研究人员分别将硫酸钡添加到粘胶纤维中制成防辐射纤维，用该纤维加工的织物经层压或在织物中填加含有屏蔽剂的粘合剂后热压制成的层压织物，均是防护X射线辐射的良好材料。

防γ射线屏蔽材料
γ射线与X射线一样，也是一种比紫外线波长短得多的电磁波。

通常由重核裂变、裂变产物衰变、辐射俘获、非弹性散射、活化产物衰变产生。

γ光子不带电，与物质相互作用机制不同于带电粒子，主要以光电效应、康普顿效应和电子对效应为主，与物质发生一次相互作用会导致其损失大部分或全部能量。

屏蔽γ射线的材料很多，如水、土壤、铁矿石、混凝土、铁、铅、铅玻璃、铀以及钨、铅硼聚乙烯等。

这些材料对γ射线的屏蔽效果各不相同，其中重金属最有效，体积小、总重量轻，但通常对γ射线具有良好减弱性能的材料也会因发生中子非弹性散射和辐射俘获而产生二次γ射线，此时次级辐射的产生就必须要考虑，我们可在相应屏蔽材料中再加入一定量的铅，目的是屏蔽掉一次和二次γ射线。

日本曾用甲基丙烯酸铅与乙烯基酯共聚的方法
制取了防了射线透明材料，防护效果较好，并申请了专利；国内蒋平平等通过溶剂法、重结晶法合成了纯度较高，适合本体聚合的有机铅化合物，制备了透光率大于80％，有一定力学性能的防辐射有机材料，经实验，此聚合物对中、低能γ射线具有明显的防护作用。

由于铅有毒，近年来人们为了防止公害、保护环境，提出了开发代替铅的辐射屏蔽材料的要求。

日本东京都立产业技术研究所与橡胶、塑料生产厂商合作，通过在氯丁橡胶里混入10％的钨、铋、氧化铋等3种添加料而获得了高密度橡胶。

与铅橡胶相比，此高密度橡胶更薄、更轻，屏蔽辐射效果优于铅。

其它粒子及其屏蔽材料
带电粒子主要有：电子、质子、a粒子和核反应产生的一切带电重粒子，其中a粒子是通过与靶原子电子多次碰撞后逐渐损失能量，射程较短，一般无外照射危险，但当一定量的a放射性核素进入体内时，可造成严重内照射，因此对a射线主要是内照防护。

β射线是高速运动电子流，带负电，质量小、速度快，可接近光速。

β粒子在穿过物质时，可与原子的核外电子发生非弹性碰撞，使后者发生电离或激发，还会使其产生电磁辐射，特别是高能电子与重元素相互作用时，更容易发生轫致辐射，发出波长连续的x射线，从这点上考虑，用铅等重金属屏蔽β射线，并不能起到很好的防护作用。

应使用原子序数较小的物质，如铅或是有机玻璃。

由此可见，防护射线必须考虑两层屏蔽，第一层用低原子序数的材料屏蔽β射线，常用材料有烯基塑料、有机玻璃及铝等；第二层用高原子序数的材料屏蔽轫致辐射，如铁、钢板
和铅板等。

结束语当今辐射屏蔽材料的研究仍主要集中在富硼化合物系、铅系、富氢(氘、氚)化合物如水、聚合物不锈钢、硼钢及其他重金属
材料。

随着射线装置和核技术应用的进一步发展，传统、单一的屏蔽材料已经不能满足诸如移动式反应堆和可携带辐射源等设备的防护要求，如混凝土重量重，可移动性差；Pb有毒性，对能量介于40～88keV之间的射线存在一个“Pb弱吸收区”等。

根据辐射防护的特点，各类屏蔽材料应用于不同的防护部位。

辐射防护对屏蔽材料的综合物理力学性能要求越来越高，屏蔽材料的优化设计、结构／功能一体化要求变得越来越重要。

尤其对于快堆而移动式反应堆的屏蔽而言，单位材料的屏蔽效率及体积、重量是一个值得慎重考虑／的问题。

结构／功能一体化、屏蔽优化设计分别从制备及理论设计角度有望在一定程度上解决上述问题。

另外，稀土元素及其化合物以其特有的核数据，其合理有效利用从战略角度及技术角度都值得重视。

以上几个方面也可能成为屏蔽材料研究与制备的主要方向，为进一步提高和完善屏蔽材料的综合性能和实用性提供基础。

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