新型核辐射防护材料的设计及应用分析研究

新型核辐射防护材料的设计及应用分析研究

王文闻

湖南省核工业地质局放射性核素检测中心 410000

摘要：随着各学科技术的迅猛发展，学科之间的相互交叉利用备受关注。核技术也正广泛应用于国防、生产、生活等各个领域，为人类社会文明进步做出伟大贡献。当世界能源问题日益严峻，核能作为绿色能源已发展成为不可或缺的能源，但是伴随着几起重大的核泄漏事件，致使人们“谈核色变”。核技术的广泛应用在给人类带来巨大效益的同时，也增加了人们接触各种辐射的机会以及受到辐射危害的影响。核技术的发展与人们的生活密切相关，工业探伤、灭菌消毒、辐照加工、医学诊断与治疗、空间探测、成影技术等都极大地推动着人类社会的进步。但高能射线对人体造成不可逆的损伤和对环境、设施的破坏逐渐被人们所了解，防护工作是安全运行的保障，尤其对一些复杂环境的防护更需要研究一种新型高效的柔性辐射屏蔽材料，以最大限度地降低射线的危害。

关键词：新型核辐射防护材料；设计；应用

1. 物质对放放射性射线的具体作用

核辐射对于军事的发展和人们日常的生活具有十分重要的意义和作用。其主要是包括α射线、β射线、中子以及γ射线等。在核辐射中，α射线的本质是α粒子流，其具有较大的质量和电流作用。β射线一般为负电子流，其是在放射性核在β衰变的过程中所释放出来的一种电子流。γ射线与物质相互作用时会出现原子反应，其反应的形式包括电子对效应、康普顿效应，以及光电效应等。在γ射线与物质持续相互作用时，其原子反应会逐渐地减弱。中子能够与其质量相似的氢碰撞，从而实现能量的传递，来减慢速度。

1. 现有的辐射防护材料

2.1金属单质类防护材料

应用最广泛的主要是以铅和铁元素为单质的金属材料。铅是最早应用于辐射屏蔽的材料，也是最常用的辐射屏蔽的材料。铅不仅对低能和高能的X光子和γ光子均优异的屏蔽性能，而且加工方便，产量充足。纯金属铅以铅皮或铅板形式可以用在移动频繁的小型或局部屏蔽设备中。

2.2辐射防护玻璃与陶瓷

将碳酸钡、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯先后混合，经自由共聚，可制备有机钡玻璃材料，材料的防辐射性能、硬度以及耐热性均有大范围的提高。比如PbO－系玻璃具有较高的γ射线吸收性能。采用熔体淬火方法，以氧化钡、氧化硼和粉煤灰为原料，制备了新型玻璃，这类玻璃同样具有良好的辐射防护性能。然而陶瓷基复合材料硬度大、易碎、加工困难。使得陶瓷基复合防护材料的应用上存在局限性。

2.3高分子类复合防护材料

从70年代末开始，逐步开发和生产以有机聚合物为骨架材料，经一定方法引入具有吸收射线功能的微小颗粒制成的防护材料。用聚丙烯及固体屏蔽剂进行复合，所制备纤维材料纤度在2.0dtex以上，断裂强度和延伸性能够满足纺织加工的要求，所制成纺布对中、低能量X射线具有良好的屏蔽效果。

2.4金属基复合防护材料

金属基复合屏蔽材料一类以具有抗辐射强化相，以轻金属为基体复合制备而成的复合材料。将碳化硼与铅锑合金粉末进行混合，采用热压烧结制得含有屏蔽效果的复合材料，其综合性能优异。

1. 新型核辐射防护材料的选择和设计

由于α射线和β射线质量大，穿透能力低，在空气中射程短，普通衣物就足以阻挡，因此不需要专门防护。核辐射的主要对象为X射线、γ射线和中子。

3.1X、γ射线屏蔽机制

核辐射屏蔽是通过在射线通道上设置吸收能量和吸收高能粒子的屏障来完成的。能量吸收是指屏蔽物质与射线作用时，射线能量转变成热量和光波散射。该吸收能力与屏蔽物质原子序数的4次方成正比。对高能粒子的吸收主要取决于该物质原子核Ｋ层电子吸收区能不能覆盖射线粒子能量，主要作用方式有光电效应、康普顿效应和电子对效应。

屏蔽效果随屏蔽材料衰减系数或者厚度的增加而增强。通常，原子序数较大的材料核外电子层分布较多，物质密度大，射线衰减系数也就较大。因此通常选用原子序数大的材料作为屏蔽γ射线的功能材料，如铁、铅、钨等。

3.2中子屏蔽机制

中子不带电，直接进入到原子核内部同原子核进行反应，发生非弹性散射、弹性散射和其他的核反应进行能量吸收。散射中子继续与其他原子核进行作用直到被完全吸收或透射。反冲核降低了中子能量，也就是中子的慢化过程。在中子的慢化过程中，热中子与相应物质发生碰撞是有一定概率的，该概率被称为作用截面。不同物质的作用截面不同，作用截面越高，中子的捕获率越大，屏蔽效果越好。

由于中子可以与其质量差不多的材料进行能量传递，因此中子屏蔽材料通常选择包含大量氢原子的材料，如石蜡和碳氢化合物等。

3.3新型核辐射防护材料的设计

在防护材料的选择中，金和铅的质量防护系数比较大，但是，铅的成本比较低，从而新型核辐射防护材料选择铅的具有较大的经济效益。选择粉末状的铅作为核辐射防护的基本材料。在选择辅助材料时，还要适当的兼顾改善防护材料的工艺性能、使用性能，以及其他的要求等。在各个金属材料中，铁和铜对核辐射的防护效果差别不大。但是，铁的成本比较低，铜的成本比较高。因此，一般情况下选择铁作为核辐射防护材料的辅助材料。在非金属元素中，S具有较大的质量减弱系数。H的质量减弱系数在低中能量时比较大。因此，可以考虑S和H的化合物作为核辐射防护材料的辅助材料。另外，在对中子的防护中，硼具有良好的防护效果，可以将硼作为辅助材料提高核辐射防护的效果。再者，丁苯橡胶和聚乙烯具有良好的粘结作用，能够作为核辐射防护材料的粘结材料。丁苯橡胶和聚乙烯的机械性能较好，生产加工过程中使用也比较方便。而且，其具有优良的柔软性和弹性，容易获取等优点。因此丁苯橡胶和聚乙烯也可以作为核辐射防护材料的辅助材料。

1. 新型核辐射防护材料的应用测试

进行试验的主要目的主要有三个：首先是在被核辐射污染的环境下，检测新型防护材料对有害射线的防护功能；其次是检测防护材料的抗拉以及防火功能；最后是测试防护材料的实际功能以及加工工艺性能，从而保障制造各种不同用途的防护器材不会对防护性能造成严重影响。表1为产品的综合性检测结果。

表1产品的综合性检测结果

结 语：

在新型核辐射防护材料的设计及应用分析中，要根据辐射防护的特点，采用不同的屏蔽防护材料运用于不同的防护部位。随着对辐射防护材料的使用性能要求越来越高，在新型核辐射防护材料设计的过程中，应该根据物质对放射性射线的具体作用，采取适当的防护材料的配方和工艺设计，不断提高核辐射防护材料的综合性能。最后，需要对新型核辐射防护材料进行实验和测试，从而确保其使用性能。

参考文献：

1. 袁微微.新型核辐射防护材料的设计及应用分析研究[J].科技创新与应用，2019.

2. 孟凡松.新型核辐射防护材料的设计及应用分析[J].江西化工，2017.

3. 李善荣，陆恒玉，陶刚，俸洪舜，孙乐华.核辐射防护材料的研究进展[J].现代橡胶技术，2020.