無鉛化：核輻射防護材料用稀土元素釓

中國科學院合肥研究院等離子體物理研究所科研團隊設計了一種含有稀土元素釓的核輻射防護材料，其防護性能甚至優于我國大科學裝置——全超導托卡馬克科學實驗裝置中原有的摻硼聚乙烯准直屏蔽體。

核輻射防護材料是指用于防止或削弱核輻射源所産生的輻射傷害的材料，主要包括鉛等重金屬材料。從綜合性能來看，現在大多數的防輻射材料都是使用重金屬鉛製成的，比如醫院X射綫檢查室所用的防護門。然而，隨著核工業對屏蔽材料要求的不斷升高以及金屬鉛對生態環境非常不友好，使得鉛的應用範圍受到限制。

據悉，在科學高效的中子屏蔽方案，會在選用高原子序數材料和低原子序數材料的同時，還選用中子吸收材料，以進行複合屏蔽，如鉛硼聚乙烯。

鉛硼聚乙烯是由鉛、硼、聚乙烯組合而成的一種複合屏蔽材料，具有高效的核屏蔽性能，較輕的重量和較小的體積等特點，已廣泛用于核電、核動力、軍工、航空、醫療等領域中的核防護。在鉛硼聚乙烯材料中，氫原子對快中子具有良好的慢化作用；硼原子能吸收熱中子；鉛原子能屏蔽快中子和伽馬射綫。

不過，鉛硼聚乙烯材料由于屏蔽功能單一、屏蔽性能有限和有毒，而難以滿足現代社會對核輻射防護的要求。所以，科研人員就設計了一種高性能無鉛的表面改性氧化釓/碳化硼/高密度聚乙烯複合屏蔽方案。

首先，研究人員采用偶聯劑對氧化釓進行表面改性處理，提高了其在基體內部的界面相容性和彌散性，使輻射粒子更充分地與材料內部的功能組元相互作用從而迅速衰减。其次，研究人員設計的複合材料，采用了釓—氫—硼體系對中子進行慢化和吸收，利用輕、重核與中子的相互作用特性以及釓和硼的高熱中子吸收截面特性，使高能入射中子與釓産生非彈性碰撞，與氫、碳、氧發生彈性碰撞直至成爲熱中子，最後被釓和硼吸收。其中釓作爲重核元素還兼具吸收伽馬射綫的功能。

此外，科研人員還發現，改性納米氧化釓對複合材料的性能提升明顯優于改性微米氧化釓及未改性的納米和微米氧化釓，幷且在6厘米以下較薄的材料厚度時，氧化釓的改性處理對複合材料輻射屏蔽性能的提升尤爲明顯。

北京市射綫應用研究中心對新型無鉛核輻射防護材料進行測試，發現在鉲-252中子源輻照環境下，該複合材料在厚度爲15厘米時達到了98%的中子屏蔽率；在銫-137和鈷-60伽馬源輻照環境下，複合材料在厚度爲15厘米時分別達到了72%和60%的伽馬屏蔽率。

綜述，這種新型無鉛核輻射防護材料可作爲改進型替代材料，也可作爲其他中子—伽馬混合場的防護材料，在受控核聚變的科學攻關當中，能提供更好的核輻射防護手段。

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