[水泥,現(xiàn)狀,趨勢(shì)]防輻射水泥的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

1、0引言隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，核技術(shù)也得到飛速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)、日常生 活及其他各個(gè)領(lǐng)域。特別是在能源問題己經(jīng)成為世界性難題，全球推進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)的背景下， 核電作為一種清潔無排放的新型能源，越來越受到世界各國的重視。目前，我國的核電事業(yè) 正處在一個(gè)飛速發(fā)展的階段，是全球核電在建規(guī)模最大的國家。鑒于核輻射對(duì)環(huán)境和人類健 康造成了極大的威脅，對(duì)環(huán)境造成長久破壞，由此核技術(shù)的安全性一直是困擾其進(jìn)一步發(fā)展 的關(guān)鍵因素。人們對(duì)核輯射防護(hù)屏蔽做了大量的研究工作，也研制出了一系列的防護(hù)屏蔽材 料。其中，水泥、混凝土材料是目前使用最廣泛的防輻射材料。在防程射水泥的研究利用領(lǐng) 域，目前國內(nèi)外研究和應(yīng)用

2、的主要是領(lǐng)水泥、銘水泥、含硼水泥，這些水泥存在防輻射效果 單一且熱穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。在射線輻射條件下，對(duì)防輻射水泥的組成結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律及其長期 性能研究不足。隨著核技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，核輻射防護(hù)屏蔽標(biāo)準(zhǔn)必然越來越高，迫 切需要一種高效、全面、穩(wěn)定的防輻射水泥用于核輻射防護(hù)。在對(duì)防相射水泥研究現(xiàn)狀、存 在問題進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出對(duì)防輻射水泥研究發(fā)展趨勢(shì)的思考。1防輻射材料研究狀況1. 1防輻射材料的屏蔽機(jī)制核輻射中主要有。p.y.x射線及中子射線。在這些射線中。P射線穿透力弱，很容易被吸 收，一般厚度的防護(hù)材料就能屏蔽。防核輻射材料主要屏蔽的是y.X射線和中子射線。材料對(duì)電離輻射的屏蔽作用是

3、通過材料中所含的吸收物質(zhì)對(duì)吸收射線完成的。物質(zhì)對(duì)射 線的吸收以兩種方式進(jìn)行，即能量吸收和粒子吸收。能量吸收以射線粒子與物質(zhì)粒子發(fā)生彈性和非彈性散射方式進(jìn)行，后者如康普頓散射。 當(dāng)射線能量較高時(shí)，如高能X射線或者y射線，康普頓散射是吸收射線能量的主要方式。粒子吸收射線粒子與物質(zhì)原子或原子核發(fā)生相互作用方式進(jìn)行，如光電效光電效應(yīng)是射 線粒子與核外電子發(fā)生碰撞，射線能量全部轉(zhuǎn)給電子，射線粒子被吸收。電子獲得能量后擺 脫原子核的束縛，成為自由電子。自由電子不穩(wěn)定，多余能量或以熱能形式，或通過能級(jí)躍 遷發(fā)出次級(jí)射線的形式釋放。熱能對(duì)機(jī)體無害，次級(jí)射線也由于其能量遠(yuǎn)比原始X射線低， 從而達(dá)到屏蔽射線的目的

4、。當(dāng)X射線能量較低時(shí)，光電吸收起主要作用。中子射線是由不帶電荷的中性粒子組成，具有高度穿透能力，可分為快速、中速和慢速 中子。中子與物質(zhì)相互作用主要包括3種形式:1）高能中子及部分快中子與重元素原子核發(fā) 生非彈性散射;2）中能中子及部分快中子輕元素原子核發(fā)生彈性散射;3）快中子和中能中子減 速后成為慢中子被一些原子核俘獲吸收。在上述3種形式中，除了彈性散射之外，其余兩種 形式均會(huì)產(chǎn)生次級(jí)輻射?？焖僦凶拥钠帘螠p速可通過與重原子核的碰撞來實(shí)現(xiàn)，而中速中子 和慢速中子只有輕元素如氫、硼原子才可吸收。1. 2防輻射材料防輻射材料是指能夠吸收或消散輻射能，對(duì)人體或儀器起保護(hù)作用的材料。目前用于防 護(hù)各種

5、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、混凝上等，各種 防護(hù)屏蔽材料的性能及防輻射效果。水泥、混凝上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(duì)X射線、y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.2. 2防輻射水泥的種類及特點(diǎn)目前，常用的防粕射水泥有根水泥、銘水泥、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。普通水泥含有一定的結(jié)合水，對(duì)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;領(lǐng)水泥中Ba元素對(duì)y和X射線具有較高的吸附系數(shù);銘水 泥具有良好

6、的防離子射線能力，但銘水泥對(duì)y射線屏蔽性能較鋼水泥差;含硼水泥含有一定 量的BzO3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。2. 2. 1鋼水泥領(lǐng)水泥在礦物組成上是以Ba代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅酸鹽水泥中的Ca,以重晶石和豁上為主要原料， 燒制得到以硅酸二鋼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。鋼水泥的密度一般為4. 55. 5 g/cm;,早期強(qiáng)度高。 鋼水泥對(duì)y射線和X射線具有較高的吸收系數(shù)。領(lǐng)水泥的優(yōu)點(diǎn)為干縮小、抗凍性強(qiáng)，缺點(diǎn)為 鍛燒溫度較高，且熱穩(wěn)定性差，100時(shí)水化結(jié)構(gòu)會(huì)受到破壞，只適用于低溫度

7、環(huán)境。2. 2. 2銘水泥銘水泥在礦物組成上是以Sr代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅酸鹽水泥中的Ca,以碳酸銘全部或部分代替石 灰石為原料，經(jīng)過鍛燒獲得以硅酸三銘為主要礦物組成的熟料，加入適量石膏磨制而成。其 性能與鋼水泥相近，但防射線性能稍遜于領(lǐng)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。硼水泥具有較高 的硼含量以及化學(xué)結(jié)晶水含量對(duì)快中子有慢化效應(yīng)，同時(shí)對(duì)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(huì)有能量釋放并伴隨二次y射線的產(chǎn)生，只能采用重竹料避免二次y射線污染。3防輻射水泥發(fā)展趨勢(shì)的思考目前

8、，在防輻射水泥研究應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)外研究和應(yīng)用的主要是鋼水泥、銘水泥、含硼 水泥。很少能見到集防y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(duì)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。在防輻射混凝上研究領(lǐng)域，更多地是以普通水泥、重竹料、合 適的活性摻合料和適量外加劑制備的高性能混凝上。關(guān)于防輻射混凝上研究最多的是其配合 比設(shè)計(jì)、施工工藝和防輻射性能。王萍等人以磁鐵礦為粗集料，摻入結(jié)晶水調(diào)門劑配制有效防止y射線和中子流的C30級(jí) 防輻射混凝上。伍崇明等人對(duì)高密度輻射屏蔽混凝上的配合比設(shè)計(jì)、施工工藝進(jìn)行相關(guān)的實(shí) 驗(yàn)研究

9、。Kharita等采用普通礫石、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(duì)防輻射混凝土屏蔽性能的影響。Sharm等通過在混凝上中摻 入鉛纖維、鋼纖維制備增強(qiáng)防程射混凝上，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，但存在防福射效果單一、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。領(lǐng)水泥、銘水泥鍛燒溫度較高，含硼水泥需要外摻 硼鎂石鍛燒，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。鋼水泥、銘水泥對(duì)y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(duì)快中子有慢化作用，對(duì)熱中子有良好的吸收效果

10、，但吸收中子時(shí)會(huì)釋放能量 并產(chǎn)生二次y射線。3）水泥性能差異大。鋼水泥鍛燒溫度高，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(huì)釋放氮?dú)猓瑢?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(huì)發(fā)生改變，將會(huì)影響水泥的防輻射效果。5）射線程射條件下，水泥的長期使用性能研究不足。由于高能射線輻射作用會(huì)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(shì)目前階段，還沒有關(guān)于能同時(shí)防護(hù)屏蔽y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，

11、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(duì)y 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(huì)經(jīng)濟(jì)效益。3. 1制備多元復(fù)合型防相射水泥的設(shè)想目前，對(duì)于輻射屏蔽效果單一的領(lǐng)水泥、銘水泥、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(duì)y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)目前防相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(duì)八

12、p,y,X射線防護(hù)屏蔽效果突出的金屬元素（如鐵、鉛、領(lǐng)、銘等）以及 對(duì)中子射線衰減屏蔽效應(yīng)明顯的元素（如氫、硼、鍋等）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y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。4. 2多元復(fù)合型防輻射水泥的優(yōu)勢(shì)多元復(fù)合型防輻射水泥不僅含有對(duì)y, X射線防護(hù)效果突出的重金屬元素，而且摻雜有 對(duì)中子射線吸收屏蔽明顯的輕元素，因而對(duì)核射線具有更加全而顯著的防護(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

13、屬元素（鐵、鉛、鋼、鴇等）的集料、合適的外加 劑及含輕元素（氫、硼等）摻合料作原料制備高性能防輻射混凝上。得到的混凝上具有多重登 加效果，這種防輻射混凝土必將具備高效全而的防輻射效果，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(huì)效益和環(huán)境效益。5. 3多元復(fù)合型防輻射水泥的發(fā)展展望針對(duì)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(duì)于制備多元復(fù)合 水泥的具體方法（元素?fù)搅?、鍛燒溫度等），多元?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y,X射線和中子射線。2）目前常用的防幅射水泥主要是:領(lǐng)水泥、銘水泥、含硼水泥。3）防輻射水泥目前存在屏蔽效果單