【摘 要】
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原子能工业的日益发展伴随着核泄漏、核辐射等安全隐患。几种核辐射粒子中,中子和伽马射线屏蔽难度较大。尤其是中子作为电中性粒子,不受库仑力作用,穿透性极强,且在碰撞过程中还会产生次级伽马射线,是现代核辐射防护的研究重点。科学高效的中子屏蔽方法是同时选用高Z（原子序数）材料、低Z材料和中子吸收材料进行复合屏蔽,例如常用的铅、硼、聚乙烯组合。然而铅具有很强的生物学毒性且对环境不友好,这在一定程度上限制了含
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原子能工业的日益发展伴随着核泄漏、核辐射等安全隐患。几种核辐射粒子中,中子和伽马射线屏蔽难度较大。尤其是中子作为电中性粒子,不受库仑力作用,穿透性极强,且在碰撞过程中还会产生次级伽马射线,是现代核辐射防护的研究重点。科学高效的中子屏蔽方法是同时选用高Z（原子序数）材料、低Z材料和中子吸收材料进行复合屏蔽,例如常用的铅、硼、聚乙烯组合。然而铅具有很强的生物学毒性且对环境不友好,这在一定程度上限制了含铅材料的应用。稀土元素钆的平均热中子吸收截面高达36300 barn,在自然界中通常以氧化钆（Gd2O3）的形式存在。基于Gd2O3无毒,屏蔽性能优异和耐高温等特点,本论文提出了一种无铅化、高性能的表面改性氧化钆/碳化硼/高密度聚乙烯（Gd2O3/B4C/HDPE）复合屏蔽材料,并在此基础上对复合材料的屏蔽性能、力学性能、热稳定性和填料的偶联改性进行了深入研究。本论文采用偶联剂（γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）分别对无机填料微米氧化钆（microGd2O3）和纳米氧化钆（nanoGd2O3）进行了表面改性,改性微米氧化钆（M-microGd2O3）和改性纳米氧化钆（M-nanoGd2O3）在基体内部的界面相容性和分散性得到提高,并通过热压成型法制备了microGd2O3/B4C/HDPE、nanoGd2O3/B4C/HDPE、M-microGd2O3/B4C/HDPE、M-nanoGd2O3/B4C/HDPE四种复合材料。比较了 Gd2O3的粒径和Gd2O3的表面改性处理对复合材料屏蔽性能、力学性能和热稳定性的影响。结果表明纳米Gd2O3在屏蔽性能、力学性能和热稳定性等方面均优于微米Gd2O3,而改性纳米Gd2O3在各项性能又优于纳米Gd2O3。在材料厚度低于7.5 cm时,填料的粒径和改性处理对复合材料屏蔽性能的影响尤为明显。通过中子与伽马屏蔽实验研究了填料的含量变化以及材料面积对屏蔽性能的影响,并结合MCNP软件进行模拟计算,测量结果与模拟结果基本一致。实验结果和计算结果均显示中子和伽马射线透射率与复合材料厚度遵循指数衰减规律,Gd2O3含量的提升能明显提高复合材料的伽马屏蔽率,但掺杂过多的Gd2O3导致中子屏蔽性能下降。而材料屏蔽面积的增加能有效提升中子屏蔽率和伽马屏蔽率。MCNP计算结果表明10wt%Gd2O3/20wt%B4C/70wt%HDPE是几种成分配比的最优中子屏蔽方案,这在实验结果中得到证实。所制备的方形（15 × 15cm）复合材料 10wt%M-nanoGd2O3/20wt%B4C/70wt%HDPE 在厚度为9.1 cm时中子屏蔽率达到90%,在厚度为13.5 cm时伽马屏蔽率达到70%,与EAST装置中子伽马能谱诊断系统准直屏蔽体相比具备更好的中子和伽马综合屏蔽性能,具有良好的辐射防护应用前景。
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