隨著現(xiàn)代科學技術(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、日常生活及其他各個領(lǐng)域。特別是在能源問題己經(jīng)成為世界性難題，全球推進低碳經(jīng)濟的背景下，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。鑒于核輻射對環(huán)境和人類健康造成了極大的威脅，對環(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一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。人們對核輻射防護屏蔽做了大量的研究工作，也研制出了一系列的防護屏蔽材料。其中，水泥、混凝土材料是目前使用最廣泛的防輻射材料。在防輻射水泥的研究利用領(lǐng)域，目前國內(nèi)外研究和應(yīng)用的主要是鋇水泥、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。在射線輻射條件下，對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，核輻射防護屏蔽標準必然越來越高，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。在對防輻射水泥研究現(xiàn)狀、存在問題進行總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出對防輻射水泥研究發(fā)展趨勢的思考。

　　1防輻射材料研究狀況

　　1. 1防輻射材料的屏蔽機制

　　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。

　　材料對電離輻射的屏蔽作用是通過材料中所含的吸收物質(zhì)對吸收射線完成的。物質(zhì)對射線的吸收以兩種方式進行，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行，后者如康普頓散射。當射線能量較高時，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，或通過能級躍遷發(fā)出次級射線的形式釋放。熱能對機體無害，次級射線也由于其能量遠比原始X射線低，從而達到屏蔽射線的目的。當X射線能量較低時，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，其余兩種形式均會產(chǎn)生次級輻射?？焖僦凶拥钠帘螠p速可通過與重原子核的碰撞來實現(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，對人體或儀器起保護作用的材料。目前用于防護各種射線的主要防護屏蔽材料有重金屬鉛板、鋼板、水、聚合物、水泥、混凝土等，各種防護屏蔽材料的性能及防輻射效果。水泥、混凝土材料較之其他材料具有成本低，易施工的特點，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

　　目前，常用的防輻射水泥有鋇水泥、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組成。

　　普通水泥含有一定的結(jié)合水，對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;鋇水泥中Ba元素對y和X射線具有較高的吸附系數(shù);銘水泥具有良好的防離子射線能力，但銘水泥對y射線屏蔽性能較鋇水泥差;含硼水泥含有一定量的Bz03和較多的化學結(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鋇水泥

　　鋇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，以重晶石和豁土為主要原料，燒制得到以硅酸二鋇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。鋇水泥的密度一般為4. 55. 5 g/cm;，早期強度高。鋇水泥對y射線和X射線具有較高的吸收系數(shù)。鋇水泥的優(yōu)點為干縮小、抗凍性強，缺點為鍛燒溫度較高，且熱穩(wěn)定性差，100℃時水化結(jié)構(gòu)會受到破壞，只適用于低溫度環(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。其性能與鋇水泥相近，但防射線性能稍遜于鋇水泥。

　　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結(jié)晶水含量對快中子有慢化效應(yīng)，同時對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，易導致硼水泥制品產(chǎn)生膨脹。吸收中子時會有能量釋放并伴隨二次y射線的產(chǎn)生，只能采用重骨料避免二次y射線污染。

　　2. 3防輻射水泥的研究現(xiàn)狀

　　目前，在防輻射水泥研究應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)外研究和應(yīng)用的主要是鋇水泥、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。在防輻射混凝土研究領(lǐng)域，更多地是以普通水泥、重骨料、合適的活性摻合料和適量外加劑制備的高性能混凝土。關(guān)于防輻射混凝土研究最多的是其配合比設(shè)計、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)節(jié)劑配制有效防止y射線和中子流的C30級防輻射混凝土。伍崇明等人對高密度輻射屏蔽混凝土的配合比設(shè)計、施工工藝進行相關(guān)的實驗研究。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、碳粉和溫度對防輻射混凝土屏蔽性能的影響。Sharm等通過在混凝土中摻入鉛纖維、鋼纖維制備增強防輻射混凝土，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，但存在防輻射效果單一、熱穩(wěn)定性差等缺點。

　　1)制備工藝不同于普通硅酸鹽水泥。鋇水泥、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。鋇水泥、銘水泥對y射線的屏蔽效果很好，但不能有效屏蔽中子射線。含硼水泥對快中子有慢化作用，對熱中子有良好的吸收效果，但吸收中子時會釋放能量并產(chǎn)生二次y射線。

　　3)水泥性能差異大。鋇水泥鍛燒溫度高，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，會釋放氦氣，導致硼水泥膨脹。

　　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)會發(fā)生改變，將會影響水泥的防輻射效果。

　　5)射線輻射條件下，水泥的長期使用性能研究不足。由于高能射線輻射作用會伴隨能量變化，導致環(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

　　目前階段，還沒有關(guān)于能同時防護屏蔽y射線、X射線和中子射線的特種防輻射水泥的報道。防輻射混凝土的制備大多用的還是普通的硅酸鹽水泥，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，使其能同時對y射線、X射線和中子射線都有很好的防護屏蔽效果，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)境效益和社會經(jīng)濟效益。

　　3防輻射水泥發(fā)展趨勢的思考

　　3. 1制備多元復合型防輻射水泥的設(shè)想

　　目前，對于輻射屏蔽效果單一的鋇水泥、銘水泥、含硼水泥及防輻射水泥混凝土的研究報道并不少見。但同時對y射線、X射線和中子射線都具備良好防護屏蔽效果的特種水泥相關(guān)報道較少。筆者所在團隊根據(jù)目前防輻射水泥的研究缺陷提出了多元復合型防輻射水泥的設(shè)計思路。設(shè)想將對。、p,y,X射線防護屏蔽效果突出的金屬元素(如鐵、鉛、鋇、銘等)以及對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，達到能同時防護屏蔽y射線和中子射線的效果，同時保證水泥的高凝膠性，制備多元復合型防輻射水泥。

　　3. 2多元復合型防輻射水泥的優(yōu)勢

　　多元復合型防輻射水泥不僅含有對y, X射線防護效果突出的重金屬元素，而且摻雜有對中子射線吸收屏蔽明顯的輕元素，因而對核射線具有更加全面顯著的防護屏蔽效果。多元復合型防輻射水泥的熱穩(wěn)定性得到加強，可以應(yīng)用于不同溫度、不同環(huán)境的核防護工程。

　　將這種多元復合型防輻射水泥與含重金屬元素(鐵、鉛、鋇、鎢等)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土。得到的混凝土具有多重疊加效果，這種防輻射混凝土必將具備高效全面的防輻射效果，滿足日益提高的防輻射要求。制備這種熱學性能穩(wěn)定、應(yīng)用環(huán)境廣泛，防護屏蔽效果全面的高凝膠性多元復合型防輻射水泥，具有重要的社會效益和環(huán)境效益。

　　3. 3多元復合型防輻射水泥的發(fā)展展望

　　針對現(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、高效的多元復合防輻射水泥。對于制備多元復合水泥的具體方法(元素摻量、鍛燒溫度等)，多元復合水泥的礦物相結(jié)構(gòu)，多元復合水泥的工作性能、力學性能以及防輻射效果，不同射線與多元復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，還需要進行大量的基礎(chǔ)性實驗研究工作。

　　4結(jié)論

　　1)防輻射材料主要屏蔽y,X射線和中子射線。

　　2)目前常用的防輻射水泥主要是:鋇水泥、銘水泥、含硼水泥。

　　3)防輻射水泥目前存在屏蔽效果單一且某些品種熱穩(wěn)定性差，其在輻射條件下的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律及長期性能研究不足等問題。

　　4)制備一種能同時防護屏蔽y射線、X射線和中子射線，且在射線輻射作用下能夠長期保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及屏蔽效果顯著的多元復合型防輻射水泥，具有重要的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。 5)采用以重金屬元素(如Fe, Pb, Ba, S等)及中子吸收劑元素(如H, B, Li, Cd等)制備新型、穩(wěn)定、高效的多元復合防輻射水泥具有可行性，但還需要進行大量的研究工作。