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防辐射水泥的现状及发展趋势分析

作者:2014-10-10 11:43:00阅读:文章来源:未知

  0引言

  随着现代科学技术的发展,核技术也得到飞速发展,被广泛应用于军事、医学、日常生活及其他各个领域。特别是在能源问题己经成为世界性难题,全球推进低碳经济的背景下,核电作为一种清洁无排放的新型能源,越来越受到世界各国的重视。目前,我国的核电事业正处在一个飞速发展的阶段,是全球核电在建规模最大的国家。鉴于核辐射对环境和人类健康造成了极大的威胁,对环境造成长久破坏,由此核技术的安全性一直是困扰其进一步发展的关键因素。人们对核辐射防护屏蔽做了大量的研究工作,也研制出了一系列的防护屏蔽材料。其中,水泥、混凝土材料是目前使用最广泛的防辐射材料。在防辐射水泥的研究利用领域,目前国内外研究和应用的主要是钡水泥、铭水泥、含硼水泥,这些水泥存在防辐射效果单一且热稳定性差的缺点。在射线辐射条件下,对防辐射水泥的组成结构转变规律及其长期性能研究不足。随着核技术的快速发展和广泛应用,核辐射防护屏蔽标准必然越来越高,迫切需要一种高效、全面、稳定的防辐射水泥用于核辐射防护。在对防辐射水泥研究现状、存在问题进行总结的基础上,提出对防辐射水泥研究发展趋势的思考。

  1防辐射材料研究状况

  1. 1防辐射材料的屏蔽机制

  核辐射中主要有。p.y.X射线及中子射线。在这些射线中。p射线穿透力弱,很容易被吸收,一般厚度的防护材料就能屏蔽。防核辐射材料主要屏蔽的是y.X射线和中子射线。

  材料对电离辐射的屏蔽作用是通过材料中所含的吸收物质对吸收射线完成的。物质对射线的吸收以两种方式进行,即能量吸收和粒子吸收。

  能量吸收以射线粒子与物质粒子发生弹性和非弹性散射方式进行,后者如康普顿散射。当射线能量较高时,如高能X射线或者y射线,康普顿散射是吸收射线能量的主要方式。

  粒子吸收射线粒子与物质原子或原子核发生相互作用方式进行,如光电效光电效应是射线粒子与核外电子发生碰撞,射线能量全部转给电子,射线粒子被吸收。电子获得能量后摆脱原子核的束缚,成为自由电子。自由电子不稳定,多余能量或以热能形式,或通过能级跃迁发出次级射线的形式释放。热能对机体无害,次级射线也由于其能量远比原始X射线低,从而达到屏蔽射线的目的。当X射线能量较低时,光电吸收起主要作用。

  中子射线是由不带电荷的中性粒子组成,具有高度穿透能力,可分为快速、中速和慢速中子。中子与物质相互作用主要包括3种形式:1)高能中子及部分快中子与重元素原子核发生非弹性散射;2)中能中子及部分快中子轻元素原子核发生弹性散射;3)快中子和中能中子减速后成为慢中子被一些原子核俘获吸收。在上述3种形式中,除了弹性散射之外,其余两种形式均会产生次级辐射。快速中子的屏蔽减速可通过与重原子核的碰撞来实现,而中速中子和慢速中子只有轻元素如氢、硼原子才可吸收。

  1. 2防辐射材料

  防辐射材料是指能够吸收或消散辐射能,对人体或仪器起保护作用的材料。目前用于防护各种射线的主要防护屏蔽材料有重金属铅板、钢板、水、聚合物、水泥、混凝土等,各种防护屏蔽材料的性能及防辐射效果。水泥、混凝土材料较之其他材料具有成本低,易施工的特点,是较为理想的防辐射材料。

  2防辐射水泥

  2. 1防辐射水泥

  对X射线、y射线、快中子和热中子能起较好屏蔽作用的水泥称为防辐射水泥.

  2. 2防辐射水泥的种类及特点

  目前,常用的防辐射水泥有钡水泥、铭水泥、含硼水泥等。普通硅酸盐水泥、高铝水泥与常见的防辐射水泥的化学组成。

  普通水泥含有一定的结合水,对中子有一定的屏蔽作用;高铝水泥具有耐高温特性,制成的混凝土屏蔽中子射线效果明显;钡水泥中Ba元素对y和X射线具有较高的吸附系数;铭水泥具有良好的防离子射线能力,但铭水泥对y射线屏蔽性能较钡水泥差;含硼水泥含有一定量的Bz03和较多的化学结合水,所含的B元素能吸收热中子,结合水中的氢元素有慢化快中子的作用。

  2. 2. 1钡水泥

  钡水泥在矿物组成上是以Ba代替传统硅酸盐水泥中的Ca,以重晶石和豁土为主要原料,烧制得到以硅酸二钡为主要矿物组分的熟料,加入适量的石膏共同粉磨而成。在烧制过程中加入辅助原料焦炭有助于重晶石分解。钡水泥的密度一般为4. 55. 5 g/cm;,早期强度高。钡水泥对y射线和X射线具有较高的吸收系数。钡水泥的优点为干缩小、抗冻性强,缺点为锻烧温度较高,且热稳定性差,100℃时水化结构会受到破坏,只适用于低温度环境。

  2. 2. 2铭水泥

  铭水泥在矿物组成上是以Sr代替传统硅酸盐水泥中的Ca,以碳酸铭全部或部分代替石灰石为原料,经过锻烧获得以硅酸三铭为主要矿物组成的熟料,加入适量石膏磨制而成。其性能与钡水泥相近,但防射线性能稍逊于钡水泥。

  2. 2. 3含硼水泥

  通常采用铝酸盐熟料作为基材,掺入适量硼镁石和石膏粉磨制备而成。硼水泥具有较高的硼含量以及化学结晶水含量对快中子有慢化效应,同时对热中子的吸收性能良好,但硼水泥中硼元素不是以固溶的形式存在,在防辐射过程中,易导致硼水泥制品产生膨胀。吸收中子时会有能量释放并伴随二次y射线的产生,只能采用重骨料避免二次y射线污染。

  2. 3防辐射水泥的研究现状

  目前,在防辐射水泥研究应用领域,国内外研究和应用的主要是钡水泥、铭水泥、含硼水泥。很少能见到集防y射线、X射线和中子射线于一体的高效防辐射水泥。水泥不是最终产品,水泥的性能要通过混凝土来体现。对单纯的防辐射水泥的研究少之又少,更多地是关于防辐射混凝土的相关研究。在防辐射混凝土研究领域,更多地是以普通水泥、重骨料、合适的活性掺合料和适量外加剂制备的高性能混凝土。关于防辐射混凝土研究最多的是其配合比设计、施工工艺和防辐射性能。

  王萍等人以磁铁矿为粗集料,掺入结晶水调节剂配制有效防止y射线和中子流的C30级防辐射混凝土。伍崇明等人对高密度辐射屏蔽混凝土的配合比设计、施工工艺进行相关的实验研究。Kharita等采用普通砾石、白云石、赤铁矿石、蛇纹石配制出一系列防辐射混凝土,并研究了水灰比、碳粉和温度对防辐射混凝土屏蔽性能的影响。Sharm等通过在混凝土中掺入铅纤维、钢纤维制备增强防辐射混凝土,防辐射效果明显,但其耐久性有待提高。

  2. 4防辐射水泥存在的问题

  防辐射水泥有诸多品种,但存在防辐射效果单一、热稳定性差等缺点。

  1)制备工艺不同于普通硅酸盐水泥。钡水泥、铭水泥锻烧温度较高,含硼水泥需要外掺硼镁石锻烧,均不能直接套用普通硅酸盐水泥工艺参数。

  2)防辐射效果单一。钡水泥、铭水泥对y射线的屏蔽效果很好,但不能有效屏蔽中子射线。含硼水泥对快中子有慢化作用,对热中子有良好的吸收效果,但吸收中子时会释放能量并产生二次y射线。

  3)水泥性能差异大。钡水泥锻烧温度高,且热稳定性差,只适用于低温环境。含硼水泥吸收中子时,会释放氦气,导致硼水泥膨胀。

  4)在射线辐射条件下,水泥的组成及结构的转变规律研究不足。由于高能射线的辐射作用,水泥的组成成分与矿物结构会发生改变,将会影响水泥的防辐射效果。

  5)射线辐射条件下,水泥的长期使用性能研究不足。由于高能射线辐射作用会伴随能量变化,导致环境温度的改变,影响水泥的长期使用性能。

  2. 5防辐射水泥的发展趋势

  目前阶段,还没有关于能同时防护屏蔽y射线、X射线和中子射线的特种防辐射水泥的报道。防辐射混凝土的制备大多用的还是普通的硅酸盐水泥,但是普通硅酸盐水泥无法满足特殊要求的防辐射混凝土。开发研制一种新型、稳定、高效的防辐射水泥,使其能同时对y射线、X射线和中子射线都有很好的防护屏蔽效果,并且在射线辐射环境下,能够长久保持其结构性能稳定及防护屏蔽效果显著。制备这种新型、稳定、高效的防辐射水泥,具有重要的环境效益和社会经济效益。

  3防辐射水泥发展趋势的思考

  3. 1制备多元复合型防辐射水泥的设想

  目前,对于辐射屏蔽效果单一的钡水泥、铭水泥、含硼水泥及防辐射水泥混凝土的研究报道并不少见。但同时对y射线、X射线和中子射线都具备良好防护屏蔽效果的特种水泥相关报道较少。笔者所在团队根据目前防辐射水泥的研究缺陷提出了多元复合型防辐射水泥的设计思路。设想将对。、p,y,X射线防护屏蔽效果突出的金属元素(如铁、铅、钡、铭等)以及对中子射线衰减屏蔽效应明显的元素(如氢、硼、锅等)通过物理化学作用以配位的形式掺入水泥矿物相晶体结构中,使其占据不同的原子位置,达到能同时防护屏蔽y射线和中子射线的效果,同时保证水泥的高凝胶性,制备多元复合型防辐射水泥。

  3. 2多元复合型防辐射水泥的优势

  多元复合型防辐射水泥不仅含有对y, X射线防护效果突出的重金属元素,而且掺杂有对中子射线吸收屏蔽明显的轻元素,因而对核射线具有更加全面显著的防护屏蔽效果。多元复合型防辐射水泥的热稳定性得到加强,可以应用于不同温度、不同环境的核防护工程。

  将这种多元复合型防辐射水泥与含重金属元素(铁、铅、钡、钨等)的集料、合适的外加剂及含轻元素(氢、硼等)掺合料作原料制备高性能防辐射混凝土。得到的混凝土具有多重叠加效果,这种防辐射混凝土必将具备高效全面的防辐射效果,满足日益提高的防辐射要求。制备这种热学性能稳定、应用环境广泛,防护屏蔽效果全面的高凝胶性多元复合型防辐射水泥,具有重要的社会效益和环境效益。

  3. 3多元复合型防辐射水泥的发展展望

  针对现阶段防辐射水泥存在的问题,设想将具备防辐射效果的原料经过物理化学作用固化到水泥熟料矿物相中,制备新型、稳定、高效的多元复合防辐射水泥。对于制备多元复合水泥的具体方法(元素掺量、锻烧温度等),多元复合水泥的矿物相结构,多元复合水泥的工作性能、力学性能以及防辐射效果,不同射线与多元复合水泥矿物相的相互作用等问题还没有相关的研究成果值得借鉴,还需要进行大量的基础性实验研究工作。

  4结论

  1)防辐射材料主要屏蔽y,X射线和中子射线。

  2)目前常用的防辐射水泥主要是:钡水泥、铭水泥、含硼水泥。

  3)防辐射水泥目前存在屏蔽效果单一且某些品种热稳定性差,其在辐射条件下的结构转变规律及长期性能研究不足等问题。

  4)制备一种能同时防护屏蔽y射线、X射线和中子射线,且在射线辐射作用下能够长期保持其结构稳定及屏蔽效果显著的多元复合型防辐射水泥,具有重要的经济效益和环境效益。 5)采用以重金属元素(如Fe, Pb, Ba, S等)及中子吸收剂元素(如H, B, Li, Cd等)制备新型、稳定、高效的多元复合防辐射水泥具有可行性,但还需要进行大量的研究工作。

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