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中科院合肥研究院在核辐射防护材料性能研究方面取得新进展

2021-12-08 17:05     来源: 科研小材人     核辐射伽马射线
近日,中科院合肥研究院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霍志鹏副研究员及其指导的硕士研究生赵盛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1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。


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)

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。


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

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。

该研究得到中国科学院合肥大科学中心“高端用户培育基金”、 CRAFT项目、能源研究院(安徽省能源实验室)项目、国家磁约束核聚变能研究专项、国家自然科学基金等项目的资助。

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