中国科学院等离子体物理研究所在氚包容辐射防护材料研究方面取得进展

近日，中国科学院等离子体物理研究所聚变堆包层与安全研究中心的霍志鹏副研究员及其指导的硕士研究生张捷和陈左阳研制了一类兼具氚安全包容及核辐射防护功能的柔性PbWO4-B4C增强硅橡胶复合材料。相关研究成果发表于Journal of Materials Research and Technology。

未来聚变设施的贯穿孔密封、后期维护以及高通量中子与γ射线辐射防护，对其氚安全包容体系辐射防护材料的气密封堵性、柔性易拆装性及辐射屏蔽性能提出了综合要求。研究团队采用水相直接沉淀法合成的微米纺锤形PbWO₄(四方双锥晶体)结合微米B4C作为屏蔽剂，通过硅氢化交联浇铸法制备了系列硅橡胶复合材料，并与多种商业屏蔽剂作对比评估。纺锤形PbWO₄因极性更强、粒径更小且分布更均匀，与基体良好相容且能有效抑制基体链段运动，提升了复合材料的热稳定性和力学性能：热分解温度达335.4 °C，压缩强度达5.32 MPa，同时具有合适的拉伸强度0.92 MPa，满足贯穿孔的气密及可拆卸要求。此外，该复合材料抗紫外性能优异，加速老化后拉伸强度损失最小，环境服役耐久性突出。

蒙特卡罗模拟验证了该复合材料对中子和伽马射线的协同屏蔽及抑制次生伽马射线的能力。实测15 cm厚度下，该材料对²⁵²Cf中子和¹³⁷Cs伽马射线的屏蔽率分别达到93.13%和82.76%，其中子防护性能优于混凝土，伽马防护性能与混凝土相当。该工作为聚变氚包容辐射防护材料的设计提供了新策略。

该研究得到了聚变堆材料与氚燃料关键技术研发和实验验证平台、国家自然科学基金、安徽省生态环境科研项目、安徽省高校协同创新项目和合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室)等项目的资助。

图1. 微米纺锤PbWO4填料增强柔性硅橡胶对核聚变设施贯穿孔密封和辐射屏蔽机理示意图

图2. (a)入射中子，(b)伽马射线经硅橡胶复合材料屏蔽后的蒙卡模拟能谱和(c)次生伽马射线蒙卡模拟能谱

图3.实测硅橡胶复合材料及建筑混凝土的(a)中子和(b)伽马射线衰减曲线