核辐射屏蔽材料的研究进展

核辐射屏蔽材料的研究进展

发表时间：2018-08-29T15:30:07.063Z 来源：《防护工程》2018年第8期作者：张可1 周建军2

[导读] 文章介绍了几种常见射线的特点、产生机理及危害，阐述了现有辐射防护材料的研究进展，分析了现有屏蔽材料的特点与性能，指出了目前屏蔽材料的发展方向，并对未来屏蔽材料的发展趋势进行展望。

张可1 周建军2

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摘要：随着核技术应用的发展，防辐射屏蔽材料广泛应用于太空和军事等诸多领域，文章介绍了几种常见射线的特点、产生机理及危害，阐述了现有辐射防护材料的研究进展，分析了现有屏蔽材料的特点与性能，指出了目前屏蔽材料的发展方向，并对未来屏蔽材料的发展趋势进行展望。

关键词：核辐射屏蔽材料复合材料

引言

随着国防工业、核科学技术和放射医学等领域的不断发展，各种放射性射线在国防、医学、工业等领域得到了广泛的应用。同时射线对环境和人体的危害也渐渐显现出来，也得到了人们的重视。经常接触放射性射线的人会出现皮肤烧伤、毛发脱落、眼痛、白血球减少甚至骨髓瘤等症状。传统屏蔽材料很难兼顾结构和功能一体化的要求。因此，新型屏蔽材料已经成为国内外争相研究的热门课题。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。本文简述了辐射的危害与防护机理，分析了现有屏蔽材料性能的利与弊。

1 X射线辐射屏蔽材料

X射线是由于原子的电子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的粒子流，其波长很短，介于0.01～100Åm。X 射线有很高的穿透本领，能穿透很多对可见光不透明的物质。其最初用于医学成像诊断。铅由于原子序数大、密度高且价格低廉等优点成为良好的 X射线屏蔽材料。但考虑到铅化物的毒性并且会产生二次韧射，现在一般采用混凝土或纤维织物来防护X射线。混凝土成分比较复杂，屏蔽性能虽然比不上铅、铁，但可以通过增加厚度的方法加强防护性能。混凝土的另外一个优点是对多种辐射各能量段均有较好的屏蔽作用。齐鲁等自行研制了新型防X射线纤维材料，并用其无纺布、织物做成轻便的防护服。用其制成的织物，对中低能量的 X射线屏蔽率可达 70% 以上。树脂纳米铅和树脂纳米硫酸铅复合材料是现在效果较好的屏蔽材料，具有密度小、铅含量少、X射线屏蔽能力强等优点。安骏等制备了不同含量的树脂纳米铅和树脂纳米硫酸铅复合材料，研究结果表明：样品防 X射线的能力比常规硫酸铅的屏蔽性能好，屏蔽能力的大小与材料颗粒大小和分布均匀程度有关。防 X射线屏蔽材料中很重要的一类是有机玻璃。胡艳巧等采用重结晶法制备了甲基丙烯酸钐盐，通过本体聚合反应，制成了具有防X射线性能的透明有机玻璃。

2 γ射线辐射屏蔽材料

γ射线是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，是波长0.01Åm 的电磁波，具有很强的穿透力。工业上常用其来进行探伤和流水线的自动控制。γ射线的屏蔽材料有很多，如：铁、钨、铅、混凝土、铅硼聚乙烯等，但这些材料对 γ 射线的屏蔽效果各不相同。铅是一种常用的γ射线屏蔽材料，铅的密度为11.3g/cm 3 ，由于其本身质地软、熔点比较低和容易被碱腐蚀 , 因此不能用它作为结构体。研究人员利用铅对γ射线屏蔽效果好的特点 , 开发出一系列含铅无机玻璃，其作为γ射线屏蔽材料具有很大的应用前景。高比重合金材料是以 W 为基体，并添加有 Ni、Fe、Cu等强化元素组成的合金 , 具有比重大、强度高、塑性好、吸收射线能力强和导热系数大等一系列优点。因此，高比重合金材料成为近年来屏蔽材料研究的热点。南华大学颜亮等采用液相烧结的方法制备了 90W-7Ni-3Fe 合金和90W-7Ni-3Fe-Hf 合金，制备工艺如图1 所示。研究结果表明 W-Ni-Fe 合金对γ射线的吸收效果远高于传统的屏蔽材料铅。成细洋等采用激光成型的方法制备了 W94Ni6 钨镍合金，结果显示，材料的屏蔽效果远高于铅，同时合金的硬度比纯钨高出 64%

图 1 W-Ni-Fe 合金制备工艺流程图

3 中子屏蔽材料

中子是组成原子核的核子之一，其本身不带电，具有很强的穿透力。中子可根据其速度分类，分为慢中子、中能中子和快中子。对中子的屏蔽作用实质是对快中子的减速和慢中子的吸收，图 2 显示了单个入射中子与物质相互作用的示意图。

图 2 入射中子历程示意图

早期，中子屏蔽材料以一些合金或原子序数小的元素所组成的简单化合物为主。如不锈钢、钨、铜等金属和水、石蜡、聚乙烯等含氢量较高的简单非金属材料，这些都是良好的中子慢化材料。硼是一种常见的中子吸收体，其中 B 4 C 具有很强的中子吸收能力，主要是因为10 B 的热中子吸收截面很大。袁楠[11]等采用粉末冶金的方法制成了 Al-B 4 C 复合材料，对热中子具有良好的吸收性能。防辐射纤维也是一种常见的防中子辐射屏蔽材料。研究人员制成的离子交换型纤维是将硼、锂等元素吸附到纤维上，从而使材料具有中子辐射屏蔽功能。王学晨[12]等采用聚丙烯与不同重量的碳化硼为原料制成的无纺布对热中子具有较强的屏蔽作用。日本某公司生产的防中子辐射纤维的屏蔽性能与层数的关系，如表1 所示。

表 1 织物层数与中子屏蔽率的关系

含硼不锈钢材料在核工业中也有着重要用途。高硼钢通常用来做反应堆的保护壳、气冷堆安全棒和控制棒。中国核动力科学研究院也对高硼钢的冶炼、铸造等工艺过程进行研究，通过加入微量元素改善其性能。

4 结语

对于人类而言，当人体接受超过一定量的辐射照射时，即会造成辐射损伤，此外辐射还可能污染环境，放射性废弃物不适当的排放将会对当地的水资源、农作物造成恶劣影响，从而影响人类生活与健康。随着核工业和射线装置的进一步发展，以及核能应用领域的日趋扩大，单一类型的屏蔽材料已经不能满足辐射防护的要求，新型复合屏蔽材料的研究成为目前亟需解决的问题。因此 , 开发质量轻、强度高和体积小的新型屏蔽材料成为目前最热门的研究方向。笔者课题组对相关的屏蔽材料进行了研究，并取得初步进展。采用粉末冶金的方法研发出新型 W-Ni-Fe-Hf 和 W-Fe-C-B 屏蔽材料，具有强度高、韧性好和射线屏蔽性能强等一系列特点。

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