等离子体所在核辐射防护材料性能研究方面取得新进展
时间 : 2021-12-03     

近日,等离子体所在核辐射防护材料性能研究方面取得新进展,等离子体诊断研究室辐射防护组成功研制了一类高性能、无铅化的中子及伽马射线复合屏蔽材料,并围绕材料的屏蔽性能与机制展开了实验研究和模拟计算验证,相关成果发表在核科学技术一区期刊Nuclear Materials and Energy上,并申请了发明专利。 

中子是电中性粒子,不受库仑力作用,穿透性极强,且在碰撞过程中会产生次级伽马射线,是现代核辐射防护的研究重点。科学高效的中子屏蔽方案是同时选用高Z、低Z材料和中子吸收材料进行复合屏蔽,例如常用的铅、硼、聚乙烯组合。然而铅的强生物学毒性对环境不友好,其应用范围受到限制。而稀土元素钆在自然界中通常以无毒的氧化钆(Gd2O3)形式存在,且其平均热中子吸收截面高达36300 靶恩,耐高温且具备良好的伽马屏蔽性能。该研究基于材料特性设计了一种高性能无铅的表面改性氧化钆/碳化硼/高密度聚乙烯(Modified-Gd2O3/B4C/HDPE)复合屏蔽方案。采用偶联剂对Gd2O3进行表面改性处理,提高了填料在基体内部的界面相容性和弥散性,使辐射粒子更充分地与材料内部的功能组元相互作用而迅速衰减。复合材料采用钆(Gd)-氢(H)-硼(B)体系对中子进行慢化和吸收,利用轻、重核与中子的相互作用特性以及钆和硼的高热中子吸收截面特性,使高能入射中子与钆产生非弹性碰撞,与氢、碳、氧发生弹性碰撞直至成为热中子,最后被钆和硼吸收,其中钆作为重核元素还兼具吸收伽马射线的功能。研究表明改性纳米Gd2O3对复合材料的性能提升明显优于改性微米Gd2O3及未改性的纳米和微米Gd2O3。并且在较薄的材料厚度时(6cm以下),填料的改性处理对复合材料辐射屏蔽性能的提升尤为明显。 

该研究通过正交实验分析结合蒙特卡罗模拟验证,获得了最优的中子屏蔽材料方案。蒙卡模拟结果显示在加载最优屏蔽材料之后,探测器测得的中子和伽马能谱在全部能区均明显衰减。送往北京市射线应用研究中心的样品屏蔽测试结果显示,在锎(Cf)-252(平均能量2.45 MeV)中子源辐照环境下,优选复合材料在厚度为15 cm时达到了98%的中子屏蔽率;在铯(Cs)-137(平均能量0.662 MeV)和钴(Co)-60(平均能量1.25 MeV)伽马源辐照环境下,该复合材料在厚度为15 cm时分别达到了72%和60%的伽马屏蔽率。其综合屏蔽性能优于EAST装置中子伽马能谱诊断系统原有的掺硼聚乙烯准直屏蔽体,可作为改进型替代材料,也可作为其他中子-伽马混合场的防护材料。 

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352179121001617?via%3Dihub

 
图1 (a)纳米/微米复合材料和改性纳米/微米复合材料的中子透射率对比,(b)多种复合材料在4.5 cm和15 cm厚度时的中子透射率对比

 
  图2 改性纳米复合屏蔽材料的屏蔽机制示意图 
图3 探测器面处的(a)Cf-252中子能谱和(b)Cs-137伽马能谱 (黑线:未加载复合材料, 红线:加载4.5 cm厚度复合材料, 蓝线:加载15 cm厚度复合材料) 
  
图4 北京市射线应用研究中心屏蔽测试装置(a)中子屏蔽性能测试(b)伽马屏蔽性能测试