使用稀土元素钆的核辐射防护材料有望迎来无铅化时代

研究人员设计了一种高性能无铅表面改性氧化钆/碳化硼/高密度聚乙烯复合屏蔽材料，其防护性能甚至优于科学仪器——全超导托卡马克科学实验装置中原有的掺硼聚乙烯准直屏蔽。

在人们的印象中，核辐射防护材料往往离不开重铅。比如医院X线检查室用的防护门，就是铅材质的。但铅的生物毒性对环境不友好，限制了其应用范围。

近日，中国科学院合肥研究所等离子体物理研究所研究团队取得新进展，有望改变人们对核辐射防护材料的传统认知。团队开发了一种高性能、无铅的中子和伽马射线复合屏蔽材料，并围绕该材料的屏蔽性能和机理进行了实验研究和仿真验证。相关成果发表于《核科学与技术杂志》《核材料与能源》，并申请发明专利。

传统的屏蔽材料难以满足现代社会辐射防护的需要。

中子是电中性粒子，不受库仑力影响，穿透性强，碰撞时会产生二次伽马射线，是现代核辐射防护的研究重点。科学高效的中子屏蔽方案将选择高原子序数(原子序数是指元素周期表中元素的序号)材料和低原子序数材料，还将选择中子吸收材料进行复合屏蔽。比如常用的铅硼聚乙烯板由铅、硼和聚乙烯组成就是这种复合屏蔽材料。

铅硼聚乙烯是一种传统的屏蔽材料，其中聚乙烯含氢量高，氢原子对快中子有很好的缓和作用。硼原子能吸收热中子；铅原子不仅能屏蔽具有一定能量的快中子，还能有效屏蔽伽马射线。与其他核屏蔽材料相比，Pb-B-PE具有高效核屏蔽性能、重量轻、体积小的特点，已广泛应用于核电、核电、军工、航空、医疗等领域的核防护。

然而，随着原子能工业的发展，人们必须采取严格的防护措施，以确保核人员的健康和环境安全。但传统材料如铅硼聚乙烯屏蔽功能单一，屏蔽性能有限，部分材料热力学性能较差，难以满足现代社会对核辐射防护的要求。而且这些含铅防护材料在使用几年后往往会失去防护效果，淘汰后流入环境，会对周围环境造成污染。

新型防护材料具有优异的综合屏蔽性能。

稀土元素钆在自然界中通常以无毒氧化钆的形式存在，其平均热中子吸收截面很高，既能耐高温，又具有良好的射线屏蔽性能。根据其材料特性，研究人员设计了一种高性能无铅表面改性氧化钆/碳化硼/高密度聚乙烯复合屏蔽方案。

首先，研究人员利用偶联剂对氧化钆进行表面改性，提高了其在基体内部的界面相容性和分散性，使辐射粒子与材料内部的功能成分相互作用更充分，从而快速衰减。其次，研究人员设计的复合材料采用钆-氢-硼体系减速吸收中子，利用轻、重核与中子的相互作用特性和钆、硼的高热中子吸收截面特性，使高能入射中子与钆发生非弹性碰撞，与氢、碳、氧发生弹性碰撞，直至变成热中子，最终被钆、硼吸收。钆作为重核元素，具有吸收伽马射线的功能。

通过进一步的研究，研究人员随后，研究人员将自己研发的新型无铅核辐射防护材料送到北京辐射应用研究中心进行样品屏蔽的实际测试。测试结果令人满意：在锎-252中子源的辐照环境下，当厚度为15 cm时，复合材料的中子屏蔽率达到98%；在铯-137和钴-60源的辐照环境下，当厚度为15 cm时，复合材料的屏蔽率分别达到72%和60%。

值得一提的是，这种新型无铅核辐射防护材料的综合屏蔽性能甚至优于科学仪器——全超导托卡马克科学实验装置中原有的掺硼聚乙烯准直屏蔽。这说明这种新的无铅核辐射防护材料既可以作为改进的替代材料，也可以作为其他中子-混合场的防护材料，为可控核聚变的科学研究提供了更好的核辐射防护手段。