新型核輻射防護(hù)材料的設(shè)計(jì)及應(yīng)用探析

李曉寧

摘? 要：科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)水平的提升都能夠?yàn)殚_展核輻射防護(hù)研究提供助推，而找尋新型核輻射防護(hù)材料已經(jīng)成為了研究工作的重點(diǎn)?；诖?，文章分析了物質(zhì)對(duì)放射性射線的具體作用，然后闡述了新型核輻射防護(hù)材料的設(shè)計(jì)配方以及其應(yīng)用工藝，還論述了此類型材料的試驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作人員帶來(lái)參考。

關(guān)鍵詞：核輻射防護(hù);防護(hù)材料;放射性射線

中圖分類號(hào)：TB34? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）22-0100-02

Abstract： The progress of science and technology and the improvement of economic level can provide a boost for the research of nuclear radiation protection， and the search for new nuclear radiation protection materials has become the focus of the research work. Based on this， this paper analyzes the specific effect of substances on radioactive rays， expounds the design formula and application technology of new nuclear radiation protection materials， and then discusses the experiment and test results of this type of materials， in the hope that it can provide reference for the relevant practitioners.

Keywords： nuclear radiation protection; protective materials; radioactive rays

前言

基于核科技的飛速發(fā)展，核輻射防護(hù)以及核安全已經(jīng)成為了人們關(guān)注的重點(diǎn)。在此過(guò)程當(dāng)中，技術(shù)人員對(duì)具備輕質(zhì)高效和強(qiáng)大防護(hù)能力的新型輻射防護(hù)材料需求迫切。所以，相關(guān)工作人員應(yīng)該基于核輻射與物質(zhì)的作用機(jī)制，利用不同類型的材料開展核輻射防護(hù)實(shí)驗(yàn)，為找到最適宜的材料提供幫助。

1 核輻射防護(hù)概況

原子核從一種結(jié)構(gòu)或能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)或能量狀態(tài)時(shí)，釋放出的微觀粒子流就是核輻射，有天然輻射有人工輻射之分。核輻射主要為α射線、β射線和γ射線和中子，它們會(huì)對(duì)人體健康造成威脅。如果，人體被過(guò)量的放射性射線照射，則會(huì)產(chǎn)生各種疾病，患癌幾率也會(huì)大大增加，甚至?xí)苯铀劳?。而且，照射時(shí)間越長(zhǎng)、輻射劑量越大，危害性越高。

基于此，為了能實(shí)現(xiàn)對(duì)核技術(shù)的深入研究和合理應(yīng)用，開展有效的核輻射防護(hù)工作至關(guān)重要。此項(xiàng)工作的開展目的是減少和消除核輻射危害，所以在作業(yè)環(huán)節(jié)需要遵守正當(dāng)性、合理性、可控性和最優(yōu)性原則作業(yè)[1]。在實(shí)踐工作中，人們可通過(guò)擴(kuò)大與輻射源的間距、控制受照射時(shí)間和使用屏蔽物屏蔽輻射等方式開展外照射防護(hù)。而在這一環(huán)節(jié)，最具備研究?jī)r(jià)值的就是屏蔽物使用法，對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行研究可以為提高核輻射防護(hù)效果奠定基礎(chǔ)。

2 物質(zhì)對(duì)放射線的作用

核技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和人們的生產(chǎn)生活環(huán)節(jié)，為保證技術(shù)使用安全和人們的身體健康，必須要開展有效的核輻射防護(hù)工作。該項(xiàng)工作的開展應(yīng)該基于各種放射線的特點(diǎn)以及其與物質(zhì)的作用機(jī)制而開展。

從本質(zhì)上來(lái)看，α粒子是氦原子核，α射線的外照射穿透能力相對(duì)較弱，開展防護(hù)工作時(shí)，僅憑一張白紙就能夠擋住α射線所帶來(lái)的核輻射。對(duì)于α射線的防護(hù)工作而言，應(yīng)該注意的是內(nèi)照射而非外照射，因?yàn)棣辽渚€可以借助于被污染的空氣、食物或傷口進(jìn)入并損害人體。β射線的本質(zhì)是電子流，大多為負(fù)電子流。這種射線的穿透能力強(qiáng)于α射線，但一般金屬都能對(duì)其進(jìn)行阻擋。基于β射線與物質(zhì)的相互作用，將會(huì)產(chǎn)生多次散射，所以其輻射距離并非固定，而是分布在某一區(qū)間之內(nèi)。同時(shí)，隨著β射線持續(xù)能力的減弱，其穿透距離也會(huì)逐步接近于極限。此外，β射線十分容易被表層組織吸收，所以在其輻射范圍內(nèi)物質(zhì)表層出現(xiàn)輻射損傷的幾率極高，這也造成了防護(hù)工作的復(fù)雜性[2]。

γ射線是由高能量的γ粒子組成的光子流，具有極強(qiáng)的穿透性，但是其電離能力極弱。在開展防護(hù)工作時(shí)，應(yīng)該采用外照射防護(hù)方法作業(yè)。基于γ射線與物質(zhì)的相互作用，將產(chǎn)生康普頓效應(yīng)、光電效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)等原子反應(yīng);若二者的相互作用具有持續(xù)性，則原子反應(yīng)將呈現(xiàn)漸弱性的特點(diǎn)。在實(shí)踐作業(yè)環(huán)節(jié)，基于電子效應(yīng)、光電反射效應(yīng)，物質(zhì)都可以完成對(duì)γ射線能量的消耗。而在放射性射線與物質(zhì)的互相作用環(huán)節(jié)，能與中子實(shí)現(xiàn)相互作用的物質(zhì)大多具備質(zhì)量相似性，比如氫。所以在選取中子輻射防護(hù)材料時(shí)，可以優(yōu)先選用氫原子量高的物質(zhì)。比如，碳?xì)浠衔?、石蠟、水、塑料等。同時(shí)，中子的衰減速度受到自身能量、屏蔽材料性能和厚度影響。當(dāng)中子能量較強(qiáng)時(shí)，屏蔽材料的能量和厚度將會(huì)對(duì)輻射防護(hù)效果產(chǎn)生重大影響。所以，在作業(yè)環(huán)節(jié)應(yīng)該強(qiáng)化大截面物質(zhì)的應(yīng)用，以便于提高中子防護(hù)有效性。

3 新型核輻射防護(hù)材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

基于現(xiàn)有的輻射防護(hù)理論，核輻射防護(hù)材料的使用效果主要與物質(zhì)和射線的相互作用關(guān)系、規(guī)律和方式相關(guān)。在核輻射范圍內(nèi)，α射線、β射線、γ射線以及中子都可能穿過(guò)材料，并與之產(chǎn)生相互作用，而相應(yīng)的作用形式也不相同。在實(shí)踐工作環(huán)節(jié)，為了保證核輻射防護(hù)材料的實(shí)用性，相關(guān)工作人員需要實(shí)現(xiàn)對(duì)多種功能元素的篩選和優(yōu)化組合，以便于確保材料具備綜合輻射防護(hù)效果。

3.1 基本材料選用

在新型核輻射防護(hù)材料的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要先針對(duì)基本防護(hù)材料進(jìn)行合理選擇。此時(shí)，所選用的防護(hù)材料的質(zhì)量減弱系數(shù)越大越好。而且，所用基礎(chǔ)材料還應(yīng)該具備穩(wěn)定性、易得性、加工便捷性、不易分解性和經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)，只有這樣才能切實(shí)保證基本防護(hù)材料具備實(shí)用性[3]。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，金和鉛都是十分常見的基礎(chǔ)防護(hù)材料，二者都具備質(zhì)量防護(hù)系數(shù)大的特點(diǎn)，而且它們的質(zhì)量減弱系數(shù)差異較小，所以在核輻射防護(hù)環(huán)節(jié)二者的使用效果相差不大。但是，從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，鉛的使用成本遠(yuǎn)低于金;而從加工便捷性的角度出發(fā)，我們可以發(fā)現(xiàn)，鉛可以以粉末狀存在，十分適用于材料加工。基于此，在經(jīng)過(guò)多方篩選與比對(duì)后，可以選定以粉末狀的鉛充當(dāng)新型核輻射防護(hù)材料的基本材料。

3.2 輔助材料選用

在確定核輻射防護(hù)基本材料后，即可開展輔助材料選取。輔助材料的應(yīng)用意義是實(shí)現(xiàn)對(duì)核輻射防護(hù)材料綜合性能的改善?；谳o助材料，將提高核輻射防護(hù)材料的使用效果和用戶滿意度。在這一環(huán)節(jié)，需要添加必要性的添加劑，以便于改良材料性能。

此時(shí)，相關(guān)工作人員不僅充分考量輔助材料對(duì)核輻射防護(hù)材料性能方面的優(yōu)化，還應(yīng)該兼顧工藝、使用便捷性和經(jīng)濟(jì)性。比如，可選擇銅或鐵來(lái)充當(dāng)金屬類輔助材料。二者的核輻射防護(hù)效果相差無(wú)幾，不過(guò)在成本上存在明顯的高低差異，鐵的成本要遠(yuǎn)低于銅。所以，新型核輻射防護(hù)材料的輔助材料可確定為鐵。而在非金屬元素選用環(huán)節(jié)，硫具備較大的質(zhì)量減弱系數(shù)，在中低能量中氫也具備較大的質(zhì)量減弱系數(shù)，所以二者的化合物可以被選用為核輻射防護(hù)材料的輔助材料。在中子防護(hù)環(huán)節(jié)，最為適宜的輔助防護(hù)材料是硼。除此之外，還需要選用丁苯橡膠以及聚乙烯也是十分常見的輔助材料。這兩種材料的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)都十分鮮明。比如，粘結(jié)性良好、簡(jiǎn)單易得、便于加工、柔軟性和彈性優(yōu)良等。鑒于聚乙烯和丁苯橡膠的多種功能和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，將其選定為核輻射防護(hù)材料的輔助材料十分可行。

3.3 材料配方調(diào)配

為了有效融合基本材料和輔助材料，在實(shí)踐作業(yè)環(huán)節(jié)相關(guān)工作人員需要開展核輻射防護(hù)材料配方的調(diào)配工作。此時(shí)，必須根據(jù)實(shí)際防護(hù)要求以及各類型材料的使用特點(diǎn)來(lái)制定配方，以確保新型核輻射防護(hù)材料具備良好的防護(hù)效果。在此環(huán)節(jié)，配方設(shè)計(jì)人員應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對(duì)配方材料密度的綜合權(quán)衡，并在作業(yè)時(shí)同時(shí)兼顧核輻射防護(hù)要求和材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求作業(yè)。在防護(hù)材料使用環(huán)節(jié)，材料厚度越大其防護(hù)效果越強(qiáng)，所以在設(shè)計(jì)配方時(shí)，相關(guān)工作人員可適當(dāng)增加防護(hù)材料厚度，以便于提升屏蔽效果。

3.4 材料合成與生產(chǎn)

在此環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員需要關(guān)注核輻射防護(hù)材料的合成環(huán)節(jié)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)。在材料合成過(guò)程中，必須制定科學(xué)的合成條件，以確保核輻射防護(hù)材料的綜合性能得以提升。此時(shí)，應(yīng)該基于核輻射防護(hù)材料的使用場(chǎng)景以及要求，對(duì)其綜合性能進(jìn)行明確優(yōu)化。比如，確保材料回彈性優(yōu)良、柔軟性良好、隔熱防潮性能強(qiáng)、抗撕裂強(qiáng)度高。不僅如此，核輻射防護(hù)材料還應(yīng)該具備良好的洗消性能，以便于其被反復(fù)使用。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員若能使核輻射材料具備上述功能，就可以保證這種材料可以基于使用對(duì)象和目的差異，而實(shí)現(xiàn)多樣化利用這對(duì)材料的制作、折疊、保存都十分有利。同時(shí)，在合成環(huán)節(jié)，為增強(qiáng)材料成形能力，應(yīng)該合理應(yīng)用聚乙烯等粘結(jié)材料。

在核輻射防護(hù)材料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員應(yīng)該依托于現(xiàn)有的設(shè)備以及技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚乙烯和橡膠材料的充分調(diào)研。此時(shí)，可選擇的材料生產(chǎn)工藝主要分為化學(xué)發(fā)泡和輻射交聯(lián)發(fā)泡兩種。若在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)以輻射交聯(lián)發(fā)泡生產(chǎn)工藝作業(yè)，則產(chǎn)出的核輻射防護(hù)材料將具備較強(qiáng)的“抵抗力”，具體表現(xiàn)為耐磨、耐高溫和抗老化、抗龜裂。而且，基于輻射交聯(lián)發(fā)泡生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的核輻射防護(hù)材料具備長(zhǎng)的使用壽命，更適用于特定條件的材料使用需求。選擇此項(xiàng)工藝還可以讓核輻射材料擁有封閉性極強(qiáng)的內(nèi)部空洞，這樣一來(lái)就更加有利于核輻射防護(hù)材料的洗消。基于此，材料可以被選用于充當(dāng)核輻射灰塵環(huán)境下的防護(hù)服或設(shè)備防護(hù)罩。如果在生產(chǎn)環(huán)節(jié)選擇使用化學(xué)發(fā)泡生產(chǎn)工藝，則其產(chǎn)出的產(chǎn)品同樣具備鮮明特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為回彈性和柔韌性相對(duì)較強(qiáng)。不僅如此，這種生產(chǎn)工藝的作業(yè)成本相對(duì)較低，在以經(jīng)濟(jì)性為重要考量指標(biāo)時(shí)，可以優(yōu)先選用化學(xué)發(fā)泡生產(chǎn)工藝。不過(guò)，與輻射交聯(lián)發(fā)泡工藝相比，基于化學(xué)發(fā)泡工藝的核輻射防護(hù)材料不具備良好的洗消性，這使得其使用場(chǎng)景大大縮減，通常僅被用于輻射源儲(chǔ)存和運(yùn)輸環(huán)節(jié)。

3.5 材料性能測(cè)試

在新型核輻射防護(hù)材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員還需要開展必要性的性能測(cè)試，以確保配方可用材料有效。比如，模擬核輻射污染環(huán)境，測(cè)量新型核輻射防護(hù)材料的屏蔽與防護(hù)效果的。同時(shí)，還應(yīng)該對(duì)其理化性能進(jìn)行合理檢驗(yàn)。比如，以試驗(yàn)方式，觀測(cè)新型核輻射防護(hù)材料的抗拉性、防火性、阻燃性，為確保其使用安全奠定基礎(chǔ)。此外，在作業(yè)環(huán)節(jié)還需要充分考量新型核輻射防護(hù)材料的制作成本，在選用材料和設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)，既要確保其屏蔽效果良好，又要避免出現(xiàn)成本過(guò)高的問(wèn)題。而且，為了滿足特定使用條件要求，材料綜合性能提升，還應(yīng)該在控制成本的基礎(chǔ)上，適當(dāng)添加功能性材料。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，新型核輻射防護(hù)材料的設(shè)計(jì)人員需要基于核輻射的特點(diǎn)，為不同防護(hù)部位選擇適宜的屏蔽防護(hù)材料。而且，在選用過(guò)程當(dāng)中還應(yīng)該充分考量環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、功能性以及靈活性，為合理應(yīng)用該材料奠定基礎(chǔ)。當(dāng)然，在材料設(shè)計(jì)和應(yīng)用環(huán)節(jié)還應(yīng)該合理開展實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，以確保新型核輻射防護(hù)材料的性能可以滿足使用需求。

參考文獻(xiàn)：

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