近日,等離子體所在核輻射防護(hù)材料性能研究方面取得新進(jìn)展,等離子體診斷研究室輻射防護(hù)組成功研制了一類高性能、無鉛化的中子及伽馬射線復(fù)合屏蔽材料,并圍繞材料的屏蔽性能與機(jī)制展開了實(shí)驗(yàn)研究和模擬計算驗(yàn)證,相關(guān)成果發(fā)表在核科學(xué)技術(shù)一區(qū)期刊Nuclear Materials and Energy上,并申請了發(fā)明專利。
中子是電中性粒子,不受庫侖力作用,穿透性極強(qiáng),且在碰撞過程中會產(chǎn)生次級伽馬射線,是現(xiàn)代核輻射防護(hù)的研究重點(diǎn)??茖W(xué)高效的中子屏蔽方案是同時選用高Z、低Z材料和中子吸收材料進(jìn)行復(fù)合屏蔽,例如常用的鉛、硼、聚乙烯組合。然而鉛的強(qiáng)生物學(xué)毒性對環(huán)境不友好,其應(yīng)用范圍受到限制。而稀土元素釓在自然界中通常以無毒的氧化釓(Gd2O3)形式存在,且其平均熱中子吸收截面高達(dá)36300 靶恩,耐高溫且具備良好的伽馬屏蔽性能。該研究基于材料特性設(shè)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(Modified-Gd2O3/B4C/HDPE)復(fù)合屏蔽方案。采用偶聯(lián)劑對Gd2O3進(jìn)行表面改性處理,提高了填料在基體內(nèi)部的界面相容性和彌散性,使輻射粒子更充分地與材料內(nèi)部的功能組元相互作用而迅速衰減。復(fù)合材料采用釓(Gd)-氫(H)-硼(B)體系對中子進(jìn)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(chǎn)生非彈性碰撞,與氫、碳、氧發(fā)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。研究表明改性納米Gd2O3對復(fù)合材料的性能提升明顯優(yōu)于改性微米Gd2O3及未改性的納米和微米Gd2O3。并且在較薄的材料厚度時(6cm以下),填料的改性處理對復(fù)合材料輻射屏蔽性能的提升尤為明顯。
該研究通過正交實(shí)驗(yàn)分析結(jié)合蒙特卡羅模擬驗(yàn)證,獲得了最優(yōu)的中子屏蔽材料方案。蒙卡模擬結(jié)果顯示在加載最優(yōu)屏蔽材料之后,探測器測得的中子和伽馬能譜在全部能區(qū)均明顯衰減。送往北京市射線應(yīng)用研究中心的樣品屏蔽測試結(jié)果顯示,在锎(Cf)-252(平均能量2.45 MeV)中子源輻照環(huán)境下,優(yōu)選復(fù)合材料在厚度為15 cm時達(dá)到了98%的中子屏蔽率;在銫(Cs)-137(平均能量0.662 MeV)和鈷(Co)-60(平均能量1.25 MeV)伽馬源輻照環(huán)境下,該復(fù)合材料在厚度為15 cm時分別達(dá)到了72%和60%的伽馬屏蔽率。其綜合屏蔽性能優(yōu)于EAST裝置中子伽馬能譜診斷系統(tǒng)原有的摻硼聚乙烯準(zhǔn)直屏蔽體,可作為改進(jìn)型替代材料,也可作為其他中子-伽馬混合場的防護(hù)材料。
論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352179121001617?via%3Dihub
圖1 (a)納米/微米復(fù)合材料和改性納米/微米復(fù)合材料的中子透射率對比,(b)多種復(fù)合材料在4.5 cm和15 cm厚度時的中子透射率對比
圖2 改性納米復(fù)合屏蔽材料的屏蔽機(jī)制示意圖
圖3 探測器面處的(a)Cf-252中子能譜和(b)Cs-137伽馬能譜 (黑線:未加載復(fù)合材料, 紅線:加載4.5 cm厚度復(fù)合材料, 藍(lán)線:加載15 cm厚度復(fù)合材料)
圖4 北京市射線應(yīng)用研究中心屏蔽測試裝置(a)中子屏蔽性能測試(b)伽馬屏蔽性能測試