防輻射水泥的發(fā)展趨勢范文

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《環(huán)境工程雜志》2014年第七期

1防輻射材料

防輻射材料是指能夠吸收或消散輻射能，對人體或儀器起保護(hù)作用的材料［11］。目前用于防護(hù)各種射線的主要防護(hù)屏蔽材料有重金屬鉛板、鋼板、水、聚合物、水泥、混凝土等，各種防護(hù)屏蔽材料的性能及防輻射效果比較見表1［12-13］。由表1可知:水泥、混凝土材料較之其他材料具有成本低，易施工的特點(diǎn)，是較為理想的防輻射材料。

2防輻射水泥

2.1防輻射水泥對X射線、γ射線、快中子和熱中子能起較好屏蔽作用的水泥稱為防輻射水泥［14］。

2.2防輻射水泥的種類及特點(diǎn)目前，常用的防輻射水泥有鋇水泥、鍶水泥、含硼水泥等。普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥與常見的防輻射水泥的化學(xué)組成見表2［15-16］。普通水泥含有一定的結(jié)合水，對中子有一定的屏蔽作用;高鋁水泥具有耐高溫特性，制成的混凝土屏蔽中子射線效果明顯;鋇水泥中Ba元素對γ和X射線具有較高的吸附系數(shù);鍶水泥具有良好的防離子射線能力，但鍶水泥對γ射線屏蔽性能較鋇水泥差;含硼水泥含有一定量的B2O3和較多的化學(xué)結(jié)合水，所含的B元素能吸收熱中子，結(jié)合水中的氫元素有慢化快中子的作用。普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥、鋇水泥、鍶水泥和含硼水泥的性能比較見表3

2.2.1鋇水泥鋇水泥在礦物組成上是以BaO代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅酸鹽水泥中的CaO，以重晶石和黏土為主要原料，燒制得到以硅酸二鋇為主要礦物組分的熟料，加入適量的石膏共同粉磨而成。在燒制過程中加入輔助原料焦炭有助于重晶石分解［3］。鋇水泥的密度一般為4.5～5.5g/cm3，早期強(qiáng)度高。鋇水泥對γ射線和X射線具有較高的吸收系數(shù)。鋇水泥的優(yōu)點(diǎn)為干縮小、抗凍 性強(qiáng)，缺點(diǎn)為煅燒溫度較高，且熱穩(wěn)定性差，100℃時(shí)水化結(jié)構(gòu)會受到破壞，只適用于低溫度環(huán)境。

2.2.2鍶水泥鍶水泥在礦物組成上是以SrO代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅酸鹽水泥中的CaO，以碳酸鍶全部或部分代替石灰石為原料，經(jīng)過煅燒獲得以硅酸三鍶為主要礦物組成的熟料，加入適量石膏磨制而成［4］。其性能與鋇水泥相近，但防射線性能稍遜于鋇水泥。

2.2.3含硼水泥通常采用鋁酸鹽熟料作為基材，摻入適量硼鎂石和石膏粉磨制備而成［5］。硼水泥具有較高的硼含量以及化學(xué)結(jié)晶水含量對快中子有慢化效應(yīng)，同時(shí)對熱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，在防輻射過程中，易導(dǎo)致硼水泥制品產(chǎn)生膨脹。吸收中子時(shí)會有能量釋放并伴隨二次γ射線的產(chǎn)生，只能采用重骨料避免二次γ射線污染。

2.3防輻射水泥的研究現(xiàn)狀目前，在防輻射水泥研究應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)外研究和應(yīng)用的主要是鋇水泥、鍶水泥、含硼水泥。很少能見到集防γ射線、X射線和中子射線于一體的高效防輻射水泥。水泥不是最終產(chǎn)品，水泥的性能要通過混凝土來體現(xiàn)。對單純的防輻射水泥的研究少之又少，更多地是關(guān)于防輻射混凝土的相關(guān)研究。在防輻射混凝土研究領(lǐng)域，更多地是以普通水泥、重骨料、合適的活性摻合料和適量外加劑制備的高性能混凝土。關(guān)于防輻射混凝土研究最多的是其配合比設(shè)計(jì)、施工工藝和防輻射性能。王萍等人［17］以磁鐵礦為粗集料，摻入結(jié)晶水調(diào)節(jié)劑配制有效防止γ射線和中子流的C30級防輻射混凝土。伍崇明等人［18］對高密度輻射屏蔽混凝土的配合比設(shè)計(jì)、施工工藝進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。Kharita等［19-20］采用普通礫石、白云石、赤鐵礦石、蛇紋石配制出一系列防輻射混凝土，并研究了水灰比、碳粉和溫度對防輻射混凝土屏蔽性能的影響。Sharma等［21］通過在混凝土中摻入鉛纖維、鋼纖維制備增強(qiáng)防輻射混凝土，防輻射效果明顯，但其耐久性有待提高。

2.4防輻射水泥存在的問題防輻射水泥有諸多品種，但存在防輻射效果單一、熱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。1)制備工藝不同于普通硅酸鹽水泥。鋇水泥、鍶水泥煅燒溫度較高，含硼水泥需要外摻硼鎂石煅燒，均不能直接套用普通硅酸鹽水泥工藝參數(shù)。2)防輻射效果單一。鋇水泥、鍶水泥對γ射線的屏蔽效果很好，但不能有效屏蔽中子射線。含硼水泥對快中子有慢化作用，對熱中子有良好的吸收效果，但吸收中子時(shí)會釋放能量并產(chǎn)生二次γ射線。3)水泥性能差異大。鋇水泥煅燒溫度高，且熱穩(wěn)定性差，只適用于低溫環(huán)境。含硼水泥吸收中子時(shí)，會釋放氦氣，導(dǎo)致硼水泥膨脹。4)在射線輻射條件下，水泥的組成及結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變規(guī)律研究不足。由于高能射線的輻射作用，水泥的組成成分與礦物結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，將會影響水泥的防輻射效果。5)射線輻射條件下，水泥的長期使用性能研究不足。由于高能射線輻射作用會伴隨能量變化，導(dǎo)致環(huán)境溫度的改變，影響水泥的長期使用性能。

2.5防輻射水泥的發(fā)展趨勢目前階段，還沒有關(guān)于能同時(shí)防護(hù)屏蔽γ射線、X射線和中子射線的特種防輻射水泥的報(bào)道。防輻射混凝土的制備大多用的還是普通的硅酸鹽水泥，但是普通硅酸鹽水泥無法滿足特殊要求的防輻射混凝土。開發(fā)研制一種新型、穩(wěn)定、高效的防輻射水泥，使其能同時(shí)對γ射線、X射線和中子射線都有很好的防護(hù)屏蔽效果，并且在射線輻射環(huán)境下，能夠長久保持其結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定及防護(hù)屏蔽效果顯著。制備這種新型、穩(wěn)定、高效的防輻射水泥，具有重要的環(huán)境效益和社會經(jīng)濟(jì)效益。

3防輻射水泥發(fā)展趨勢的思考

3.1制備多元復(fù)合型防輻射水泥的設(shè)想目前，對于輻射屏蔽效果單一的鋇水泥、鍶水泥、含硼水泥及防輻射水泥混凝土的研究報(bào)道并不少見。但同時(shí)對γ射線、X射線和中子射線都具備良好防護(hù)屏蔽效果的特種水泥相關(guān)報(bào)道較少。筆者所在團(tuán)隊(duì)根據(jù)目前防輻射水泥的研究缺陷提出了多元復(fù)合型防輻射水泥的設(shè)計(jì)思路。設(shè)想將對α、β、γ、X射線防護(hù)屏蔽效果突出的金屬元素(如鐵、鉛、鋇、鍶等)以及對中子射線衰減屏蔽效應(yīng)明顯的元素(如氫、硼、鋰、鎘等)通過物理化學(xué)作用以配位的形式摻入水泥礦物相晶體結(jié)構(gòu)中，使其占據(jù)不同的原子位置，達(dá)到能同時(shí)防護(hù)屏蔽γ射線和中子射線的效果，同時(shí)保證水泥的高凝膠性，制備多元復(fù)合型防輻射水泥。

3.2多元復(fù)合型防輻射水泥的優(yōu)勢多元復(fù)合型防輻射水泥不僅含有對γ、X射線防護(hù)效果突出的重金屬元素，而且摻雜有對中子射線吸收屏蔽明顯的輕元素，因而對核射線具有更加全面顯著的防護(hù)屏蔽效果。多元復(fù)合型防輻射水泥的熱穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，可以應(yīng)用于不同溫度、不同環(huán)境的核防護(hù)工程。將這種多元復(fù)合型防輻射水泥與含重金屬元素(鐵、鉛、鋇、鎢等)的集料、合適的外加劑及含輕元素(氫、硼、鋰等)摻合料作原料制備高性能防輻射混凝土。得到的混凝土具有多重疊加效果，這種防輻射混凝土必將具備高效全面的防輻射效果，滿足日益提高的防輻射要求。制備這種熱學(xué)性能穩(wěn)定、應(yīng)用環(huán)境廣泛，防護(hù)屏蔽效果全面的高凝膠性多元復(fù)合型防輻射水泥，具有重要的社會效益和環(huán)境效益。

3.3多元復(fù)合型防輻射水泥的發(fā)展展望針對現(xiàn)階段防輻射水泥存在的問題，設(shè)想將具備防輻射效果的原料經(jīng)過物理化學(xué)作用固化到水泥熟料礦物相中，制備新型、穩(wěn)定、高效的多元復(fù)合防輻射水泥。對于制備多元復(fù)合水泥的具體方法(元素?fù)搅俊㈧褵郎囟鹊?，多元復(fù)合水泥的礦物相結(jié)構(gòu)，多元復(fù)合水泥的工作性能、力學(xué)性能以及防輻射效果，不同射線與多元復(fù)合水泥礦物相的相互作用等問題還沒有相關(guān)的研究成果值得借鑒，還需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)研究工作。

4結(jié)論

1)防輻射材料主要屏蔽γ、X射線和中子射線。2)目前常用的防輻射水泥主要是:鋇水泥、鍶水泥、含硼水泥。3)防輻射水泥目前存在屏蔽效果單一且某些品種熱穩(wěn)定性差，其在輻射條件下的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律及長期性能研究不足等問題。4)制備一種能同時(shí)防護(hù)屏蔽γ射線、X射線和中子射線，且在射線輻射作用下能夠長期保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及屏蔽效果顯著的多元復(fù)合型防輻射水泥，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。5)采用以重金屬元素(如Fe、Pb、Ba、Sr等)及“中子吸收劑”元素(如H、B、Li、Cd等)制備新型、穩(wěn)定、高效的多元復(fù)合防輻射水泥具有可行性，但還需要進(jìn)行大量的研究工作。

作者：田鍵朱兵兵申盛偉田進(jìn)王金地單位：湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院湖北大學(xué)天沭新能源材料工業(yè)研究設(shè)計(jì)院