中核兰州铀浓缩有限公司甘肃省730065
摘要：我国是核能大国，已投入商业运行的核电机组多达30台，在建机组数目世界第一，为新型绿色能源的健康发展，中国势不可挡，但是也离不开我国所具备的各项核心技术，2015年11月时，中国核电是继高铁之后中国高端制造业走出去的第二张名片，其中核能的安全运行是核能利用的基础，核电安全的核心内容之一就是辐射防护和屏蔽材料设计。本文从国内外的研究现状和生产实际需求出发，利用模拟软件对材料优化设计，研究探索功能元素对柔性的室温硫化硅橡胶的辐射防护性能影响，以及对各项使用性能的作用规律，制备工艺简单，质轻高效的新型结构的复合屏蔽材料。
关键词：柔性；核辐射防护；复合材料；制备；性能
1辐射防护基本理论及防护原则
1.1基本理论
辐射可分为非电离辐射和电离辐射，由于电离辐射对人体造成的伤害远大于非电离辐射，并且防护更加困难。本文中只讨论能够引起电离的带电粒子和不带电粒子的电离辐射，电离辐射通常包含动能大于4-25eV的带电粒子和量子能大于10eV的光子，他们将通过库仑力相互作用直接电离或者次级过程间接电离，由于不同种类的射线与物质作用的相互机理不同，对人体的造成的伤害也各不相同。
1.2防护原则
1.2.1实践正当化原则
实践正当化是指对任何伴有电离辐射的相关生产活动，开始前做好充分的准备，考虑各种利害关系，综合因素较多，核资源利用也是各国政治敏感话题，只有当该项辐射实践活动给社会带来的总体利益能远远弥补其所付出的总代价时，这种实践才能执行。辐射防护材料的应用，虽然会提高该项实践的经济成本，但对辐射实践提供一定的安全保障，促进实践的正当化，让辐射实践带来更多的效益。
1.2.2辐射防护与安全的最优化
最优化是指在已判定为正当化的辐射实践中的特定源，当有多个方案可选，将一切照射的可能程度，剂量大小，受照人数等，保持到可合理达到的尽可能低的水平。当然在这些优化方案里面，并非所接受的剂量越小越好，而是考虑其他硬性条件后可以达到的尽可能低的程度，以最小的代价获取最大的利益，在实际防护中，最优化除了需要确定最低值外还要对条件的优化以及防护措施的选择等，综合各方面利益得以实现。
1.2.3个人剂量限制
个人剂量限制是指个人所受照射的剂量当量提供了一个明确的界限，目的就是防止受到来自所有实践辐照产生的过分的个人危害。当某项辐射实践足够正当，防护做到最优，不论其代价与利益的分析结果如何，必须将人的生命安全得到保障，限制个人辐照所受剂量。辐射防护材料的应用，可有效的保护个体，满足生产需求又降低受到的辐射剂量。
2功能粒子改性硅橡胶基柔性核辐射防护材料制备
室温硫化硅橡胶（RTV）是一种能在室温下就能发生固化交联反应的橡胶。RTV配合填料后易赋予性新的优秀性能，它的基础胶一般是摩尔质量为(1～8)×104g/mol的活性端基聚二甲基硅氧烷(PDMS)，混炼胶为粘稠液体状，有很好的流动性，这种液胶不需要加热，即可硫化成橡胶弹性体，具有简单的加工成型特性。硅橡胶作为高性能合成橡胶中的重要一员，以Si—O—Si键为主链、有机侧链的多功能、多形态、高性能的高分子材料。与其他传统的C—C和C—O橡胶相比键能高的多，赋予硅橡胶具有优异的耐热性能、耐臭氧性能、抗电弧性能、高透气性，耐候性和生理惰性等，广泛应用于建筑、汽车、医用材料、电绝缘材料和航天航空等领域。
2.1功能粒子改性硅橡胶防护材料的制备
（1）用电子天平称取一定量的室温硫化硅橡胶放入烧杯中，按比例加入稀释剂二甲苯，混合均匀，得到低粘度的室温硫化硅橡胶原液，再将一定比例的微米钨粉加入到稀释的胶液中，通过分散搅拌机搅拌8h，700r/min，使其充分混合均匀，从而制得W/硅橡胶分散液；（2）再向分散液中加入一定量的交联剂正硅酸乙酯和催化剂二月桂酸二丁基锡混合均匀，放入真空箱中抽真空5min，除去气泡，将上述混料倒入两种样品不同厚度的特制得模具中，放置室温下固化12h，取出后脱模即得到柔性的功能粒子改性的硅橡胶基复合材料。作为参考对照，运用同样的方法和步骤，制备了无添加的纯室温硫化硅橡胶，及其它各组分的实验样品。
2.2表面改性功能粒子/硅橡胶防护材料的制备
将纳米WO3放入电热恒温鼓风干燥箱中，120℃干燥活化处理2—3h后，将无水乙醇和去离子水的混合液(体积比为3∶1)倒入烧杯中，再加入一定量的纳米WO3，超声分散，2h后，倒入烧瓶中。量取WO3质量百分含量的10%的硅烷偶联剂KH-570，加入无水乙醇和pH值为3的草酸的混合溶液(体积比为1：1)，磁力搅拌1h后，一次性加入到上述烧瓶中，将烧瓶放入75℃恒温水浴中机械搅拌4h后，停止搅拌。最后将所得到的乳液进行4000r/min离心分离，并用去离子水重复超声清洗三次以除去纳米WO3表面物理吸附的KH-570及其反应的副产物，然后置于60℃真空干燥箱中燥12h，得到预修饰表面改性的纳米WO3。
2.3多种功能粒子协调配比的硅橡胶基防护材料的制备
结合前面两组实验结果以及模拟设计优化情况做进一步实验，以提高功能粒子的分散性和互补性，提高材料的屏蔽性能和力学性能，以及各功能粒子的协同作用和稀土元素对混合射线场下的屏蔽性能的突出优势。按照下表的成分配方，利用预修饰方法对纳米粒子表面改性，然后按照制备柔性室温硫化硅橡胶复合材料材料的方法制备了以下编号为ABCDE的空白RTV，无铅重金属元素纳米WO3/RTV，重金属元素氧化物混合配比WO3/Bi2O3/RTV，重金属元素与稀土元素氧化物WO3/Gd2O3/RTV，以及具备混合场屏蔽的中子屏蔽WO3/B4C/RTV五种材料。
3性能测试
3.1伽马射线防护性能测试
硅橡胶复合材料屏蔽性能测试装置：选择多个不同能量的γ射线放射源，分别为241Am：59.6KeV、137Cs：662KeV、60Co：1173KeV和1332KeV，利用γ谱分析法分别计算材料对各辐射能量的防护比例、线性衰减系数、质量衰减系数以及半吸收层厚度。屏蔽性能试验装置源与NaIγ谱仪探测器相距6cm，将实验样品放入源与探测器之间的铅屏蔽体内进行测试，尽量降低辐射对测试人员以及测试结果的影响。评估材料屏蔽性能通常采用的物理量有屏蔽率、质量衰减系数、线性吸收系数以及半值层厚度。
3.2中子防护性能测试
中子屏蔽性能采用Am-Be中子源测试，置于石蜡箱中的中子源活度为1.11×1010Bq，源前端有5cm聚乙烯慢化，源箱面到探测器的一端有深13cm、直径11cm的圆柱形开口，中子探测器为3He正比计数管，放置于距源50cm处，并且正对源箱开口，试样位于源与计数管之间，紧贴着源箱开口。
3.3抗辐照性能
在剂量率为250KGy/h的电子加速器下辐照密封在自封袋里的复合材料，测试对不同组分的复合材料经过不同剂量的射线照射后，力学性能的变化。
4结束语
总之，随着核科学技术的高速发展，核技术广泛运用于其他领域，核与辐射安全问题越来越受到大众的关注，采取必要的防护措施能有效的减少射线对人体和设备带来的危害，使核资源的运用造福人类，辐射防护材料的研制是有效化解核事故危机的手段，传统辐射防护材料应用受到限制，新型材料的研制迫切需求，对加工工艺简化，轻质高效，无毒无害，方便舒适，耐环境老化等性能提出更高要求，所以强化这方面的研究很有必要。
参考文献：
[1]陆宁,陆振光.核辐射屏蔽功能材料与高分子材料复合和应用[J].现代橡胶技术,2017,v.43;No.19803:1-7.
[2]李奎江,邹树梁,唐德文.核辐射屏蔽材料的研究进展及发展趋势[J].现代制造技术与装备,2017,No.24908:178+183.
[3]杨师俨,何曼丽,蒋丹枫,王国辉,苑超,戴耀东.反应堆~(235)U裂变源辐射防护材料的优化设计[J].计算物理,2017,v.34;No.17301:73-81.
[4]倪敏轩.可快速固化聚氨酯基辐射屏蔽复合材料及其关键应用组件研发[D].南京航空航天大学,2017.