中國(guó)科學(xué)院合肥研究院等離子體物理研究所科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種含有稀土元素釓的核輻射防護(hù)材料，其防護(hù)性能甚至優(yōu)于我國(guó)大科學(xué)裝置——全超導(dǎo)托卡馬克科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置中原有的摻硼聚乙烯準(zhǔn)直屏蔽體。
核輻射防護(hù)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(lái)看，現(xiàn)在大多數(shù)的防輻射材料都是使用重金屬鉛製成的，比如醫(yī)院X射綫檢查室所用的防護(hù)門(mén)。然而，隨著核工業(yè)對(duì)屏蔽材料要求的不斷升高以及金屬鉛對(duì)生態(tài)環(huán)境非常不友好，使得鉛的應(yīng)用範(fàn)圍受到限制。
據(jù)悉，在科學(xué)高效的中子屏蔽方案，會(huì)在選用高原子序數(shù)材料和低原子序數(shù)材料的同時(shí)，還選用中子吸收材料，以進(jìn)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(diǎn)，已廣泛用于核電、核動(dòng)力、軍工、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域中的核防護(hù)。在鉛硼聚乙烯材料中，氫原子對(duì)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(guò)，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(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)核輻射防護(hù)的要求。所以，科研人員就設(shè)計(jì)了一種高性能無(wú)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(lián)劑對(duì)氧化釓進(jìn)行表面改性處理，提高了其在基體內(nèi)部的界面相容性和彌散性，使輻射粒子更充分地與材料內(nèi)部的功能組元相互作用從而迅速衰減。其次，研究人員設(shè)計(jì)的複合材料，采用了釓—?dú)洹痼w系對(duì)中子進(jìn)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(fā)生彈性碰撞直至成爲(wèi)熱中子，最後被釓和硼吸收。其中釓作爲(wèi)重核元素還兼具吸收伽馬射綫的功能。
此外，科研人員還發(fā)現(xiàn)，改性納米氧化釓對(duì)複合材料的性能提升明顯優(yōu)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(shí)，氧化釓的改性處理對(duì)複合材料輻射屏蔽性能的提升尤爲(wèi)明顯。
北京市射綫應(yīng)用研究中心對(duì)新型無(wú)鉛核輻射防護(hù)材料進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在鉲-252中子源輻照環(huán)境下，該複合材料在厚度爲(wèi)15厘米時(shí)達(dá)到了98%的中子屏蔽率；在銫-137和鈷-60伽馬源輻照環(huán)境下，複合材料在厚度爲(wèi)15厘米時(shí)分別達(dá)到了72%和60%的伽馬屏蔽率。
綜述，這種新型無(wú)鉛核輻射防護(hù)材料可作爲(wèi)改進(jìn)型替代材料，也可作爲(wèi)其他中子—伽馬混合場(chǎng)的防護(hù)材料，在受控核聚變的科學(xué)攻關(guān)當(dāng)中，能提供更好的核輻射防護(hù)手段。
