防辐射水泥的现状及发展趋势.pdf

防辐射水泥的现状及发展趋势 * 田键1， 2朱兵兵1汪洋1， 2申盛伟1田进1王金地2 1． 湖北大学材料科学与工程学院， 武汉 430062; 2． 湖北大学天沭新能源材料工业研究设计院， 武汉 430062 摘要 从防辐射材料的屏蔽机制和常见的防辐射材料两方面介绍了防辐射材料的研究现状。重点介绍了常见的防辐 射水泥 钡水泥、 锶水泥、 含硼水泥 的特点， 并分析了防辐射水泥存在的问题。在对防辐射水泥发展趋势进行深入思 考的基础上， 提出制备一种新型、 稳定、 高效的多元复合防辐射水泥的设计思路和研究方向。 关键词 防辐射材料; 防辐射水泥; 存在问题; 多元复合防辐射水泥 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201407026 CUＲＲENT SITUATION AND DEVELOPMENT TＲEND OF ＲADIATION CEMENT Tian Jian1 ， 2Zhu Bingbing1Wang Yang1， 2Shen Shengwei1Tian Jin1Wang Jindi2 1． College of Materials Science and Engineering，Hubei University，Wuhan 430062， China; 2． Tianshu Industry Ｒesearch ＆ Design Institute of New Energy Materials，Hubei University，Wuhan 430062， China AbstractThis article covered shielding mechanism of the radiation shielding materials，types and properties of the common radiation materials．The research of common radiation cements barium cement、 strontium cement、 boron cementwere highlighted，and the current problems of radiation cement were analyzed． A new multipartite cement was proposed for the development of the radiation cement stably and efficiently． Keywordsradiation shielding material;radiation shielading cement;current problem;multipartite cement * 国家自然科学基金专项基金项目 21241007 ; 湖北省自然科学基金 重点项目 2011CDA009 ; 国家自然科学基金面上项目 21071050 。 收稿日期 2013 －11 －21 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。特别是在能源问题已经成为世界性难题， 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［1］。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［2］。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、 锶水泥、 含 硼水泥［3- 5］， 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 α、 β、 γ、 X 射线及中子射线。在 这些射线中， α、 β 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 γ、 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［6 ］。 能量吸收以射线粒子与物质粒子发生弹性和非 911 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 弹性散射方式进行， 后者如康普顿散射［7 ］。当射线 能量较高时， 如高能 X 射线或者 γ 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， 如光电效应 。“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 ［7 ］。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 ［8 ］。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［9 ］， 而中速 中子和慢速中子只有轻元素如氢、 硼原子才可 吸收 ［10 ］。 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［11 ］。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 射效果比较见表 1［12- 13 ］。由表 1 可知 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。 表 1各种防辐射材料比较 Table 1Comparison among various shielding materials 防护材料施工性能防辐射效果经济性 铅板不易施工 对 γ 和 X 射线屏蔽效果很 好， 对中子射线屏蔽效果差 成本高 钢板不易施工 对 γ 和 X 射线屏蔽效果较 好， 对中子射线屏蔽效果差 成本较高 水难以施工成型对中子射线屏蔽效果好成本低 聚合物易施工 对 γ、 X 和中子射线屏蔽效 果较好 成本较高 水泥易施工 对 γ、 X 和中子射线屏蔽效 果较好 成本低 混凝土易施工 对 γ、 X 和中子射线屏蔽效 果较好 成本低 2防辐射水泥 2. 1防辐射水泥 对 X 射线、 γ 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［14 ］。 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、 锶水泥、 含硼 水泥等。普通硅酸盐水泥、 高铝水泥与常见的防辐射 水泥的化学组成见表 2［15- 16 ］。 表 2水泥的化学组成 Table 2Chemical compositions of the cement 水泥品种 SiO2CaOAl2O3Fe2O3BaOSrOB2O3MgO 硅酸盐水泥 20 ～24 62 ～674 ～72.5 ～60 ～5 高铝水泥4 ～532 ～35 50 ～601 ～31 ～2 钡水泥6 ～100 ～33 ～52 ～675 ～840 ～2 锶水泥10 ～150 ～34 ～73 ～671 ～760 ～1.2 含硼水泥6.4425.4530.635.218.61 13.02 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 γ 和 X 射 线具有较高的吸附系数; 锶水泥具有良好的防离子射 线能力， 但锶水泥对 γ 射线屏蔽性能较钡水泥差; 含 硼水泥含有一定量的 B2O3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。普通硅酸盐水泥、 高铝水泥、 钡水 泥、 锶水泥和含硼水泥的性能比较见表 3［15- 16 ］。 表 3水泥部分性能及辐射屏蔽效果比较 Table 3Partial perance and radiation shielding effect of cements 水泥品种 密度/ g cm －3 煅烧温度/ ℃ 适用温度/ ℃ 辐射屏蔽 普通水泥 3. 0 ～3. 15 1300 ～1450＜250对中子射线有一定作用 高铝水泥 3. 2 ～3. 25 1300 ～1350＜1300对中子射线有一定作用 钡水泥4. 7 ～5. 2 1500 ～1600＜60对 γ 和 X 射线有较好屏 蔽效果 锶水泥4. 5 ～5. 0 1500 ～1600＜100屏蔽 γ 和 X 射线， 效果 较钡水泥差 含硼水泥 2. 9 ～3. 2800 ～1000＜300 慢化吸收中子 2. 2. 1钡水泥 钡水泥在矿物组成上是以 BaO 代替传统硅酸盐 水泥中的 CaO， 以重晶石和黏土为主要原料， 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 ［3 ］。钡水泥的密度一般为 4. 5 ～ 5. 5 g/cm3， 早期强度高。钡水泥对 γ 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 021 环境工程 Environmental Engineering 性强， 缺点为煅烧温度较高， 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锶水泥 锶水泥在矿物组成上是以 SrO 代替传统硅酸盐 水泥中的 CaO， 以碳酸锶全部或部分代替石灰石为原 料， 经过煅烧获得以硅酸三锶为主要矿物组成的熟 料， 加入适量石膏磨制而成［4 ］。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［5 ］。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 γ 射 线的产生， 只能采用重骨料避免二次 γ 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、 锶水泥、 含硼水泥。很少能 见到集防 γ 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［17 ］以磁铁矿为粗集料， 掺入结晶水调 节剂配制有效防止 γ 射线和中子流的 C30 级防辐射 混凝土。伍崇明等人 ［18 ］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 ［19- 20 ］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。Sharma 等 ［21 ］ 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、 锶水泥煅烧温度较高， 含硼水泥需要外掺硼镁石煅 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、 锶水泥对 γ 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 γ 射线。 3 水泥性能差异大。钡水泥煅烧温度高， 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 γ 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 γ 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、 锶水 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 γ 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 α、 β、 γ、 X 射线防护屏蔽效果突出的金属元素 如 铁、 铅、 钡、 锶等 以及对中子射线衰减屏蔽效应明 显的元素 如氢、 硼、 锂、 镉等 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 γ 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 γ、 X 射线防 121 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 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、 锂等 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、 煅烧温度等 ， 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 γ、 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、 锶水 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 γ 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、 Sr 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。 参考文献 ［1］核电建设将进入高峰［ J］ ． 北京建筑机械， 2010 21 60． ［2］Kase K Ｒ，Nelson W Ｒ， Fasso A， et al．Measurements of accelerator- produced leakage neutronandphotontransmission through concrete［J］． Health Physics， 2003 2 180- 187． ［3］成希弼， 吴兆琦． 特种水泥的生产及应用［M］． 北京 中国建筑 工业出版社， 1994． ［4］王家治． 锶水泥、 钡水泥与钙水泥的比较［J］． 建筑材料工业， 1961 11 21- 23． ［5］方康生． 含硼水泥［J］． 建筑材料工业， 1962 6 31． ［6］熊俊， 宋涛． 防辐射材料的研究进展［J］． 中国组织工程研究 与临床康复， 2010， 14 2 2209- 2212． ［7］杨亚培． 光电物理基础［M］． 成都电子科技大学出版社， 2009． ［8］李星洪． 辐射防护基础［M］． 北京原子能出版社， 1982． ［9］El- Khayatt A M， Abdo A E， Mercsf N． A program for the calculation of fast neutron removal cross sections in composit shields［J］． Annals Nuclear Energy， 2009 2 218- 222． ［ 10］刘显坤， 刘颖， 唐杰， 等． 辐射屏蔽材料的研究进展［J］． 材料导 报， 2006， 20 6 32- 35． ［ 11］蒋平平， 沈风雷， 杨春玲． 防辐射有机玻璃研究现状及发展趋 势［J］． 工程塑料应用， 1999， 27 1 35． ［ 12］王晶， 童文洪， 何更新． 防辐射混凝土配制技术的研究进展及存 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弃物高效资源化利用、 综合辐射屏蔽材料研究与制备等。tj － lily sohu． com 221 环境工程 Environmental Engineering