核材料基础

辐射屏蔽材料调研报告摘要：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。

本报告先对按照射线的种类调研，X、γ射线，中子的屏蔽材料进行了调研，对于X射线，分高、低能量调研了现有的屏蔽材料、防护服等；对于γ射线，一般用铅及含铅的化合物进行辐射防护；对于中子，用含氢量较高的屏蔽材料进行防护，或者含硼的化合物进行屏蔽。

然后按照屏蔽材料种类调研，分别从非金属屏蔽材料、金属屏蔽材料及混凝土三个粗略的方面分析总结了一些屏蔽材料。

最后分别分析了屏蔽每种射线现有屏蔽材料的优缺点，并调研了现有研究成果，为给出屏蔽优化结果，总结了屏蔽材料的发展趋势。

关键字：屏蔽材料；X、γ、中子；含硼化合物；屏蔽优化引言在核反应堆和其他辐射源中通常因裂变和衰变而释放出带能力的中子和α、β粒子及γ射线，统称为辐射。

由于辐射对环境造成污染，对操作人员带来伤害，对装置、材料致发热、活化及性能降级是十分必要的，由于α、β粒子在空气中和固体中的射程很短，无需特殊的屏蔽。

相反，中子和γ射线的穿透能力很强，必须重视对它们的屏蔽。

屏蔽材料是根据其在不同核反应中特殊应用而设计制备的，材料的屏蔽效果或慢化特征显然是最重要的因素。

随着国防科研、放射医学和原子能工业的迅速发展，辐射屏蔽材料在越来越多的领域得到广泛应用，对辐射屏蔽材料的性能要求也越来越高，材料的物理学性能、抗辐照性能、热稳定性等也必须加以综合考虑，传统的辐射屏蔽材料如混凝土、不锈钢、铁等很难满足现有应用要求，比如说现有的一些屏蔽材料强韧性难以满足作为结构屏蔽材料的要求、耐热性不好、综合屏蔽效果不良、体积大难于移动及抗辐照能力较差等。

因此，对各种新型辐射屏蔽材料的研究便成为一项十分重要和迫切的课题。

中子与屏蔽材料的各原子核发生相互作用的结果，既可以改变中子的能量和运动方向，中子也可能被原子核吸收。

中子的散射分弹性散射和非弹性散射，除弹性散射外，所有的中子与屏蔽材料相互作用都能造成次级辐射。

γ射线与X射线一样，是一种比紫外线波长短得多的电磁波，γ射线按其产生机理可分为裂变γ射线、裂变产物衰变射γ线、俘获γ射线、非弹性散射γ射线、活化产物γ射线等。

一般在动力堆中，穿过屏蔽层的最强的γ射线通常是由中子在热屏、压力壳或生物屏蔽层里发生相互作用而产生的。

选择材料时，不单单仅考虑屏蔽一种射线，应考虑其综合屏蔽性能。

一般来说，对γ射线具有良好减弱性能的重元素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。

针对不同的设计目的需要选择不同的屏蔽材料，如对固定式的动力堆，价格是首选因素，而对于可移动的堆系统，则屏蔽材料的总重量、单位效率及结构稳定性是考虑的重点。

虽然对中子和γ射线的减弱都有相应较为有效的材料，但没有哪一种单体材料能同时满足以上性能，所以在应用时必须对材料加以选择并采用一定的复合制备技术，以期复合材料在满足综合屏蔽效果的同时具有良好的物理力学性能，如强韧性、热稳定性及抗辐照性能等。

本文分析了一些针对不同射线的现有核辐射屏蔽材料的优点和不足之处、总结了一些现有屏蔽材料的研究进展，并且分析了以后屏蔽材料的要求和特点。

1. 辐射屏蔽的基础知识辐射屏蔽的基本原理是使辐射与屏蔽材料之间发生相互作用，从而减少辐射粒子数和降低辐射的能量。

通常依据作用方式不同，把该相互作用分成以下两类：a) 散射。

指散射与屏蔽材料发生相互作用后，其方向和能量都产生变化的过程。

b) 吸收。

指辐射屏蔽材料部分或全部吸收的过程。

此外，还有辐射与材料完全不发生任何相互作用而穿透材料的过程。

当然，作为屏蔽材料的先决条件是对辐射应具有散射或吸收作用。

2 .按照射线的种类调研2.1 X射线的辐射屏蔽X射线主要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产生，是一种波长很短（介于紫外线和γ射线之间）的电磁辐射，约在0.01~10nm范围内。

由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。

伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。

这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。

波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.1～1埃范围内的称硬X射线，1～10埃范围内的称软X射线。

实验室常用具有高真空的射线管来产生X射线。

目前，对低能X射线的屏蔽一般采用铅玻璃、有机玻璃及橡胶等制品。

其中，有机玻璃主要是采用甲基丙烯酸甲酯与铅、钡、锌、镉等金属氧化物反应制备甲基丙烯酸金属盐，再将该有机金属盐与甲基丙烯酸甲酯聚合制成防辐射有机玻璃。

目前使用最多的防辐射有机玻璃主要为含铅有机玻璃。

美国、日本等国家防辐射有机玻璃的研究工作开展较早，已形成批量生产，国内此类产品主要从上述国家进口。

考虑到铅氧化物具有一定的毒性，对环境也有污染，现状一般采用混凝土或纤维来防护X射线，此纤维是由聚丙烯及固体屏蔽剂混合制备而成，屏蔽效果较好。

X射线防护服方面，国外早已有一些成功的研究成果，例如前苏联科研人员以粘胶纤维织物为研究对象制成了X射线防护服，屏蔽效果虽然很好，但是工艺复杂，制备繁琐；再如美国一家辐射公司通过对聚乙烯改性成功研制出一种叫Demron的防护材料，此种高分子材料会使任何一种辐射均遭受大量电子云作用，从而对X射线进行吸收辐射。

国内在X射线防护服方面也取得了很满意的成果，齐鲁等人以聚丙烯及固体屏蔽剂复合材料研制的一种新型的防X射线纤维材料对中、低能量的X 射线具有良好的屏蔽效果，且此材料的强度和伸长率能够满足纺织加工的要求。

当前新开发研制的防护服是由聚丙烯和固体射线屏蔽材料复合制成的，对中、低能量的X射线具有良好的屏蔽效果。

对于高能X射线的屏蔽，现在最常用的是树脂/纳米铅复合材料和树脂/纳米硫酸铅复合材料。

复合材料中的铅和硫酸铅纳米颗粒经射线照射后趋于更稳定的状态，且纳米颗粒的小尺寸效应等特性没有低。

在铅或硫酸铅的质量分数、试样厚度相同的条件下，铅或硫酸铅颗粒越小，分布越均匀，对X射线的屏蔽性能越好；在铅或硫酸铅颗粒大小、分布均匀程度相同的条件下，试样中铅或硫酸铅的质量分数越大，对X射线的屏蔽性能越好。

2.2 γ射线的辐射屏蔽γ射线，又称γ粒子流，是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，是波长短于0.2埃的电磁波。

γ射线的波长比X射线要短，所以γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。

可以透过几厘米厚的铅板。

γ射线在通过屏蔽材料时发生三种相互作用，即光电吸收、康普顿散射和产生电子对，从而把能量传递给屏蔽材料组成的束缚电子，使其克服结合能而离开原子，光子则消失；康普顿散射是γ光子与轨道外层电子发射散射，γ光子把部分能量传递给电子使其发生反冲，同时散射光子改变能量和运动方向；当γ光子的能量大于电子和正电子的静止质量之和（1.022MeV）时，在原子核库仑场作用下，光子本身被湮没，而产生一对正、负电子。

这三种相互作用分别对低能、中能和高能γ射线的吸收和降低能量起到重要的作用。

物质发生一次相互作用会导致其大部分或全部能量的损失γ射线通常由重核裂变、裂变产物衰变、辐射俘获、非弹性散射、活化产物衰变产生。

裂变过程产生的γ射线可划分为四个时间间隔，如表1所示：表1 裂变射线分类及相应能量名称时间能量/Mev瞬发γ射线短寿命γ射线中等寿命γ射线瞬发γ射线t≤0.05us0.05us≤t≤1.0us1.0us≤t≤1.0st>1.0s7.250.430.556.65材料对γ射线的屏蔽性能的实验方法有两种：窄束实验和宽束实验。

对于窄束，单能γ光子束穿越厚度为X的屏蔽体时，未与屏蔽材料发生相互作用，其束流强度I可由下式表示：I=I0exp(-ux)对于宽束，上式要乘以一个修正因子B，即：I=BI0exp(-ux)通常，B值随着ux的增加而增大，其范围介于1.1~30。

因为元素的质量越重，对γ射线的吸收能力越强，剂量率的减弱越显著。

所以为了减小屏蔽体的总尺寸，需选用原子序数较大的元素，即高密度的材料，如铁，铅等。

一般来说，可屏蔽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。

其中，铅的密度为11.3g/cm3，在有限的空间场所，一般用它做γ射线屏蔽材料。

但是其也有缺点，其硬度差，不能做支撑体，熔点也不高，很容易被融化，同时也被碱性物质侵蚀。

为此，开发出了含铅的无机玻璃，如PbO-SiO2玻璃、Bi2O3-PBO- B2O3玻璃等；对于含铅量较高并且含有氧化铈添加剂的无色磷酸盐玻璃，其耐辐射性能不错，屏蔽辐射的特性也很好；高比重合金（钨合金）材料是一类以钨为基体，并添加有Ni、Cu、Co等元素组成的合金。

按合金组成特性及用途分为W-Ni、W-Co、W-Ag等主要系列。

其密度很高，有点很多，比如：比重大、强度高、吸收射线能力强、导热系数大、有良好的可导电性能，具有良好的可焊性和加工性。

其抗辐射性能好，有辐射的地方都可以使用。

2.3 中子的辐射屏蔽中子是组成原子核的核子之一。

中子是组成原子核构成化学元素不可缺少的成分（注意：氢元素H不含中子），虽然原子的化学性质是由核内的质子数目确定的，但是如果没有中子，由于带正电荷质子间的排斥力（质子带正电，中子不带电），就不可能构成除氢之外的其他元素。

由于中子不带电，不与原子核外电子相互作用，只与原子核相互作用。

中子按能量分可分为：慢中子，能量为0.5~1.0keV；中能中子，能量为1.0keV~0.5MeV；快中子，能量大于0.5MeV。

中子的质量与质子很接近，所以含氢量较高的石蜡、聚乙烯和硼是优秀的中子屏蔽材料。

从屏蔽原理上讲，中子屏蔽主要靠弹性散射，即先把裂变产生的快中子慢化到热能，然后用热中子吸收截面大的材料加以吸收。

已知最有效的慢化材料是轻元素。

含有大量氢的物质，其屏蔽效果最好。

虽然所有材料都或多或少会吸收热中子，在一定程度上，适用的结构材料也可作为屏蔽材料、但经综合比较，硼是最具有吸引力的特殊屏蔽元素。

水是一种极有效的屏蔽材料，这主要是由于水里还有大量的氢，且水是一种最容易获得且廉价的材料；石墨既能做中子慢化剂，又能做中子反射剂。

尤其是高纯石墨，高温的时候，其物理性能、化学性能、力学性能都很稳定。

当然，在石墨中混合一些硼化物之类的热中子吸收剂，可以改善石墨的中子屏蔽性能；硼被用来做中子吸收体，这是通过硼的同位素10B的（n,a）反应来实现的，因为硼的热中子吸收截面极大。

硼可直接使用或混入石墨和聚乙烯中使用，或者以氧化硼和碳化硼的形式与其他材料组合起来使用，例如Zr(BH4)4对中子具有良好的屏蔽效果，尤其是当Zr(BH4)4与不锈钢复合后不仅提高了中子的屏蔽性能，还可以当结构材料；再如含硼不锈钢的中子屏蔽性能也很好，也可以当结构材料；B4C的中子屏蔽性能很好，是一种很好的控制材料，将B4C 与金属复合，可以制成热中子吸收材料，如B4C与Al可以制成复合材料，但是这种材料的强度不高，所以有学者以Pb代替Al，制成了较好的屏蔽材料，硬度好，且有良好的屏蔽性能。