CN109411103A - 一种重金属-稀土纳米复合屏蔽材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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吴荣俊
徐晓辉
左亮周
陈艳
李晓玲
余明
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    • G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
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    • G21F1/103—Dispersions in organic carriers
    • G21F1/106—Dispersions in organic carriers metallic dispersions

Abstract

本发明涉及核辐射防护技术领域，提供一种重金属‑稀土纳米复合屏蔽材料及其制备方法和应用，该复合屏蔽材料由内、外两层构成，内层为重金属W‑Ni合金，外层为稀土Gd2O3聚乙烯复合屏蔽材料，内层置于靠近放射源处，外层覆于内层表面。本发明重金属‑稀土纳米复合屏蔽材料用于中子‑γ混合场的综合屏蔽。本发明重金属‑稀土纳米复合屏蔽材料，可靠性强，能够有效提高传统屏蔽材料的屏蔽性能，节省空间，适用于核动力舰船、移动式放射源等屏蔽。

Description

一种重金属-稀土纳米复合屏蔽材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及核辐射防护技术领域，具体涉及一种重金属-稀土纳米复合屏蔽材料及其制备方法和应用，适用于核动力舰船、可移动式放射源等领域的核辐射防护。
背景技术
随着核技术的迅速发展，核能已广泛应用于国防、工业、医疗等多个领域，核能的开发和利用带来了巨大的经济和社会效益，成为未来不可或缺的能源。同时，其带来的辐射安全问题也备受关注，研制有效的辐射防护材料以最大限度的降低射线对人类的危害迫在眉睫。传统的屏蔽理论认为，屏蔽体对射线的屏蔽效果主要取决于材料的元素组成及密度、射线的种类和能量等，并未考虑材料微观结构的影响。目前常用的屏蔽材料多是基于上述理论设计的，如价格相对较低的铅制品、混凝土等。虽然在固定式核反应堆、加速器等的防护领域一直发挥着重要的作用，但对于移动式的核动力装置，如核动力舰船，可移动式放射源等，由于受空间、重量的限制，传统的辐射防护材料的应用受到局限。因此，在这种特殊的场合需要新型轻质、高效的辐射防护材料。
近年来，随着纳米技术的飞速发展，纳米材料在辐射防护领域的应用备受关注。大量研究表明纳米材料具有的小尺寸效应、表面与界面效应及量子尺寸效应能够提升材料对射线的吸收作用。纳米功能粒子具有较大的比表面积、分散均匀等特点，一定程度上能够增强材料的力学性能和屏蔽能力。因此，将纳米材料应用于屏蔽材料领域，提升屏蔽材料的各项性能是十分必要的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有技术的不足之处，而提供一种重金属-稀土纳米复合屏蔽材料，能够有效提高传统屏蔽材料的屏蔽性能，适用于核动力舰船、移动式放射源等屏蔽。
本发明的目的是通过如下技术措施来实现的。
一种重金属-稀土纳米复合屏蔽材料，该复合屏蔽材料由内、外两层构成，内层为重金属W-Ni合金，外层为稀土Gd2O3聚乙烯复合屏蔽材料，内层置于靠近放射源处，外层覆于内层表面。
在上述技术方案中，W-Ni合金密度为19.25 g/cm3。
在上述技术方案中，Gd2O3聚乙烯复合屏蔽材料采用质量比为1%的纳米级Gd2O3粉末掺杂到高密度聚乙烯中，加入偶联剂搅拌均匀，压膜制备。
本发明还提供了一种如上述的重金属-稀土纳米复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
第一步，制备质量百分比为W:Ni:C=90:6:4的重金属W-Ni合金作为复合屏蔽材料的内层；
第二步，通过球磨机将稀土Gd2O3颗粒研磨成纳米级粉末，掺杂到高密度聚乙烯中，加入偶联剂，混炼，搅拌均匀，加热后压模成型，作为复合屏蔽材料的外层，其中Gd2O3质量占比为1%；
第三步，通过不锈钢外壳将内、外层屏蔽材料包覆固定成型，形成复合屏蔽体。
本发明重金属-稀土纳米复合屏蔽材料用于中子-γ混合场的综合屏蔽。重金属W-Ni合金具有优异的屏蔽中高能γ射线及慢化快中子的能力，对于能量高于1.5MeV的γ射线，其10倍减弱厚度约为铅的一半，适用于空间狭小的区域；Gd2O3聚乙烯复合屏蔽材料具有较强的低能γ射线及慢热中子屏蔽能力，仅需加入极少量（0.5%）稀土元素就能够显著提升聚乙烯材料的屏蔽性能。
本发明重金属-稀土纳米复合屏蔽材料，可靠性强，能够有效提高传统屏蔽材料的屏蔽性能，节省空间，适用于核动力舰船、移动式放射源等屏蔽。
附图说明
图1为本实施例重金属-稀土纳米复合屏蔽材料的几何模型。
其中：1. W-Ni合金，2.稀土Gd2O3聚乙烯复合屏蔽材料，3.面源，4.探测器。
图2为铅和W-Ni合金对不同能量γ射线屏蔽性能的MCNP模拟结果，给出了当γ剂量降低90%时所需的材料厚度与能量的关系。
图3为1MeV的中子经10cm稀土Gd2O3聚乙烯复合屏蔽材料屏蔽后，中子吸收率随稀土含量的变化关系。
图4为经过不同稀土含量的稀土Gd2O3聚乙烯复合屏蔽材料屏蔽后，能量在1ev以下的热中子所占的比重。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的描述。
本实施例的制备方法如下：
第一步，制备质量百分比为W:Ni:C=90:6:4的W-Ni合金作为复合屏蔽材料的内层；
第二步，通过球磨机将Gd2O3颗粒研磨成纳米级粉末，掺杂到高密度聚乙烯中，加入偶联剂，混炼，搅拌均匀，加热后压模成型作为复合屏蔽材料的外层，其中Gd2O3质量占比为1%；其中，搅拌过程中转速不低于300r/min，搅拌过程持续60min以上，加热压模过程中加热至165℃、增压至6MPa，保持温度和压力30min~60min；
第三步，通过不锈钢外壳将内、外层屏蔽材料包覆固定成型，形成复合屏蔽体。其中，不锈钢外壳的形状即最终成型的复合屏蔽体的形状应根据实际应用中的放射源设计。
1、材料的选择
中子屏蔽方面：采用稀土纳米复合材料，在含氢量较高的高密度聚乙烯中掺杂热中子吸收性能优异的纳米稀土元素。稀土元素对热中子的反应截面比硼高十几倍，对慢中子和中能中子的反应截面也比后者高，表1给出了几类稀土元素与硼的热中子吸收截面及密度对比，综合考虑选择密度适中、吸收能力较强的Gd2O3。
γ射线屏蔽方面：采用W-Ni合金来代替具有毒性的铅。图2为铅和W-Ni合金对不同能量γ射线屏蔽性能的MCNP模拟结果，给出了当γ剂量降低90%时所需的材料厚度与能量的关系。
2、多层屏蔽结构模型的建立
重金属-稀土纳米复合屏蔽材料结构模型示意图如图1所示。W-Ni 合金由于具有较强的中、高能γ射线吸收能力和快中子慢化能力，放置于内层。外层采用掺杂纳米Gd2O3的高密度聚乙烯复合材料。为兼具重量和屏蔽效果，纳米稀土氧化物的比重和W-Ni 合金的厚度需要根据实际源项模拟给出。
表1 几类稀土元素与硼的热中子吸收截面和密度
表2 不同Gd2O3含量（质量分数）纳米复合屏蔽材料的中子屏蔽率
表3 不同Gd2O3含量（质量分数）纳米复合屏蔽材料屏蔽后的热中子比重
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出的各种变换或变型也应视为在本发明的保护范围之内，由各权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种重金属-稀土纳米复合屏蔽材料，其特征在于：该复合屏蔽材料由内、外两层构成，内层为重金属W-Ni合金，外层为稀土Gd2O3聚乙烯复合屏蔽材料，内层置于靠近放射源处，外层覆于内层表面。
2.根据权利要求1所述的重金属-稀土纳米复合屏蔽材料，其特征在于：W-Ni合金的密度为19.25 g/cm3。
3.根据权利要求1所述的重金属-稀土纳米复合屏蔽材料，其特征在于：Gd2O3聚乙烯复合屏蔽材料采用质量比为1%的纳米级Gd2O3粉末掺杂到高密度聚乙烯中，加入偶联剂搅拌均匀，压膜制备。
4.一种如权利要求1所述的重金属-稀土纳米复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
第一步，制备质量百分比为W:Ni:C=90:6:4的重金属W-Ni合金作为复合屏蔽材料的内层；
第二步，通过球磨机将Gd2O3颗粒研磨成纳米级粉末，掺杂到高密度聚乙烯中，加入偶联剂，混炼，搅拌均匀，加热后压模成型，作为复合屏蔽材料的外层，其中Gd2O3质量占比为1%；
第三步，通过不锈钢外壳将内、外层屏蔽材料包覆固定成型，形成复合屏蔽体。
5.一种如权利要求1所述的重金属-稀土纳米复合屏蔽材料的应用，其特征在于：该重金属-稀土纳米复合屏蔽材料适用于中子-γ混合场的综合屏蔽。
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