核辐射屏蔽材料的研究进展

核辐射屏蔽材料的研究进展

杨文锋,刘　颖,杨　林,李德安,李　军

(四川大学材料科学与工程学院,成都610065)

摘要 简述了核辐射对屏蔽材料的一般要求,综述了常用屏蔽材料的特点。指出屏蔽材料的屏蔽效果与其它性能如力学性能、耐热性及抗辐照性能之间的矛盾是屏蔽材料需要解决的关键问题。重点指出了核辐射屏蔽材料研究进展的几个特点:(1)引入梯度材料设计理论制备功能/结构一体化屏蔽材料;(2)稀土元素及其化合物在屏蔽材料中的合理有效利用;(3)基于遗传算法的优化设计方法在新型屏蔽材料设计中的作用越来越明显。

关键词 核辐射　屏蔽材料　研究进展　功能梯度材料　稀土　优化设计

R esearch Progress in Shielding Materials for Nuclear R adiation YAN G Wenfeng,L IU Y ing,YAN G Lin,L I De’an,L I J un

(School of Material Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu610065)

Abstract G eneral demands and characteristics of shielding materials are introduced.The key problem that need to be settled is the conflict between shielding effectiveness and other performances such as mechanical perform2 ance,heat2resistant stability and anti2radiation property.In the paper,the research progess in shielding materials is pointed out prinicipally.There are three primary directions in the development of shielding materials:gradient theory being introduced to prepare mechanical2f unctional integrative shielding materials,rational and effective utilization of rare earth and their compounds in shielding materials,and optimal design based on genetic algorithms being more and more important in designing new2style shielding materials.

K ey w ords nuclear radiation,shielding materials,research progress,F GM,rare earth,optimal design

0　前言

反应堆是核能源系统的核心部分,核裂变(或聚变)产生各种辐射射线如不同能级的中子、γ射线、二次γ射线及其它带电粒子和高能射线。辐射防护依赖于屏蔽材料的性能和辐射屏蔽结构的优化设计,显然,选择材料时应该考虑的基本核性能是中子和γ射线的减弱性能[1]。重金属如铅、钨、衰变后的铀(238U)以及铁、镍等都是有效的γ射线减弱体,对快中子也有很好的慢化效果。而像硼、石墨、富氢化合物如水、重水及高分子材料则对中子的减弱或吸收更为有效,这些材料及其复合材料已大量应用于各种核反应堆屏蔽系统并发挥相当重要的作用。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。国内外对屏蔽复合材料已进行了大量的研究,很多屏蔽材料已得到广泛的应用,其中几种主要类型的屏蔽复合材料有屏蔽混凝土[1,2]、硼钢[2～4]、铅硼聚乙烯[3]、Al2B4C复合材料[4]、PVC2PE复合材料等。

随着核能源及各种核反应堆的发展,对屏蔽材料及其他屏蔽系统的要求越来越高,现有的许多屏蔽材料已难以满足其使用要求,主要表现在屏蔽材料的屏蔽效果与其他性能如力学性能、耐热性、抗辐照性能等难以兼顾。

笔者对已研制使用的一些屏蔽复合材料进行了概述,指出了其有待改进之处,并对目前屏蔽材料发展研究的几个特点进行了分析探讨。

1　核辐射屏蔽材料的一般要求

中子与屏蔽材料的各原子核发生相互作用的结果,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γ射线、俘获γ射线、非弹性散射γ射线、活化产物γ射线等[1]。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。

显然,在选择材料时应该考虑的基本核性能是中子和γ射线的减弱性能[1]。而一般来说,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[1]。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。对辐射屏蔽材料进行设计时要考虑以下几个主要的标准或要求。首先,屏蔽材料必须基本满足辐射屏蔽要求,即对中子、γ射线具有良好的慢化或屏蔽效果;其次,屏蔽材料一定要有较好的物理力学性能以满足应用;再者,材料在使用过程中要保持良好的结构完整性,尤其对于不可更换的一次性安装的结构材料;最后还必须考虑材料的活化及热积累和二次γ射线的产生。当然,屏蔽复合材料的造价、制备工艺及功能元

　杨文锋:男,1979年生,博士研究生　Tel:028*********　E2mail:ywfcyy@