添加硼酸和玻璃废料的新煅烧土壤用于辐射防护：对其形态、结构及伽马射线衰减特性的实验研究

辐射屏蔽复合材料开发及性能研究。采用伊拉克土壤与玻璃废料复合制备无铅辐射屏蔽材料，通过X射线衍射和傅里叶变换红外光谱分析结构变化，发现添加50%玻璃废料使孔隙率由10.45%增至15.91%，同时线性衰减系数在0.079-0.128 cm?1区间随伽马射线能量升高而波动。

　　

H.M. Alsafi|Mohammad W. Marashdeh|V.Yu Yarkov|O.L. Tashlykov|K.A. Mahmoud

乌拉尔联邦大学，圣米拉，19号，620002，叶卡捷琳堡，俄罗斯

摘要

本研究旨在开发一种新型的、具有成本效益且不含铅的辐射屏蔽复合材料，用于γ射线防护应用。实验研究了用玻璃废料粉末替代伊拉克土壤对所制备复合材料结构和γ射线屏蔽性能的影响。此外，还利用X射线衍射和傅里叶变换红外光谱技术测量了用玻璃废料粉末替代粘土对复合材料结构参数的影响。当玻璃废料粉末的用量从0%增加到50%时，复合材料的孔隙率从10.45±0.158%增加到了15.91±0.240%。通过NaI (Tl)探测器和蒙特卡洛模拟实验研究了用玻璃废料替代伊拉克土壤对辐射屏蔽性能的影响。在所研究的复合材料中，最低的线性衰减系数范围为0.110±0.003至0.079±0.002 cm^-1（对于SGBW0），而最高的线性衰减系数出现在SGBW50复合材料中，当E_γ从0.662 MeV增加到1.332 MeV时，其范围为0.128±0.003至0.093±0.004 cm^-1。

引言

由于核技术在发电、工业和医学领域的应用日益增多，对先进辐射防护材料的需求也在不断增加[1]、[2]。由于γ射线的穿透能力很强，因此需要使用具有高效光子吸收能力的致密材料进行防护。长期以来，铅和其他重金属（如钨和铋）因其高密度和高原子序数（Z）而被用作有效的γ射线屏蔽材料[3]。然而，人们希望开发更安全、更轻便的替代品。出于对毒理学、环境危害、重量以及机械性能限制的考虑，人们开始寻找更加环保和易于制造的防护材料[4]。陶瓷和烧结土壤基材料由于其成分灵活性、结构稳定性以及能够掺入重氧化物和玻璃相的特性，正成为解决辐射防护问题的可行方案[5]、[6]、[7]。

陶瓷和烧结土壤基屏蔽材料相比传统的金属屏障具有许多优势。它们可以使用本地可获得的原材料（包括工业副产品和土壤）进行生产，从而减少了环境影响和制造成本。此外，经过烧结的陶瓷和土壤在受到辐照时表现出优异的机械稳定性、化学耐久性和耐热性[8]、[9]、[10]、[11]。它们的非晶态或部分结晶形态使得可以掺入多种重金属氧化物（例如PbO、WO₃、Bi₂O₃、CdO、BaO以及基于稀土元素的化合物）以及玻璃形成材料（如SiO₂、B₂O₃、P₂O₅和TeO₂），从而提高了材料的辐射衰减效率和结构致密性[12]。

多项研究已经证明了陶瓷、烧结土壤和玻璃-陶瓷复合材料作为有效γ射线屏蔽材料的潜力。例如，掺有重金属氧化物（如PbO、Bi₂O₃和BaO）的硼硅酸盐玻璃具有较高的线性衰减系数，有时甚至超过了传统混凝土的衰减系数。掺入重金属氧化物通过提高材料的密度和有效原子序数（Z_eff）增强了其吸收光子的能力，而玻璃基质则保证了材料的稳定性和均匀性。

基于碲酸盐和磷酸盐的玻璃因其高密度和可改变的性质而被广泛研究用于防护应用。这些由玻璃制成的材料透明、稳定且能阻挡γ射线，因此在需要可见性和安全性的医疗防护领域是理想的选择。然而，由于原始金属氧化物成本较高，其应用受到限制。研究人员正在探索使用废弃物和土壤制成的低成本陶瓷作为替代方案。最新研究表明，由农业和工业废弃物（如粉煤灰、炉渣和玻璃废料）制成的陶瓷具有良好的屏蔽效果。这些添加剂降低了陶瓷的环境影响，同时提高了其密度和辐射阻挡能力[13]、[14]。由废弃物制成的陶瓷在强度、化学耐久性和耐热性方面可以与传统屏蔽混凝土相媲美，甚至在某些情况下超越了传统混凝土[15]、[16]。

由于硼有助于玻璃的形成和致密化，并能吸收中子，含硼的陶瓷越来越受欢迎。研究表明，B₂O₃可以在较低的烧结温度下促进玻璃的形成，从而降低加工成本[17]、[18]。

研究表明，基于土壤的复合材料在防护应用中也非常有效。天然土壤是制作陶器的理想基底，因为它们含有SiO₂、AlO₃、FeO₃和CaO等氧化物。当这些土壤与硅酸盐或玻璃废料（GW）以及硼酸等助熔剂结合时，由于硼有助于玻璃的形成和致密化，含硼的陶瓷越来越受到重视。

传统的陶瓷烧结通常需要高温（800–1350°C）[25]、[26]；通过添加硼酸和玻璃废料，可以在较低温度下通过液相烧结实现材料的致密化。这有助于保留某些改善辐射衰减效果的玻璃相，并降低生产过程中的能耗。然而，较低的烧结温度会导致一定的孔隙率，可能会影响材料的屏蔽效果和机械强度[27]、[28]、[29]。

因此，本研究的创新之处在于开发了一种基于本地伊拉克土壤与玻璃废料粉末混合而成的廉价、轻质且更可持续的无铅复合材料，用于γ射线防护应用。实验研究了用玻璃废料粉末替代伊拉克土壤对所研究复合材料结构和屏蔽性能的影响。

部分内容摘录

样品制备

本研究重点是通过将天然伊拉克土壤与不同浓度的回收玻璃废料结合来合成新型复合材料。每个样品中都含有15%的高纯度（99.99%）H₃BO₃（来自Khimreaktivsnab，俄罗斯）。制备过程使用以下配方：(85-x)土壤，15%硼酸（H₃BO₃），以及x%的玻璃废料（GW），其中x的值分别为0%、10%、15%、20%、35%和50%。

伊拉克土壤经过研磨和筛分，以达到50 μm的均匀粒径。

复合材料的结构性能

随着玻璃废料（GW）浓度的增加，SGBW复合材料的V_B值也随之增加，当GW含量从0%增加到50%时，V_B值从10.143±0.145 cm³上升到了10.718±0.153 cm³（见图2）。V_B值的增加是由于玻璃废料的粒径较大所致。此外，SGBW复合材料的V_P值也从1.060±0.016 cm³略有上升。

结论

本研究探讨了用玻璃废料粉末部分替代伊拉克土壤对所研究新复合材料的结构和辐射屏蔽性能的影响。随着玻璃废料粉末含量从0%增加到50%，复合材料的结构参数（包括体积密度、孔隙体积、孔隙率和吸水率）均有所提高。

作者贡献声明

V. Yu Yarkov：数据分析、概念化。Mohammad W. Marashdeh：项目管理、实验研究、数据分析。Haneen Mahmood Jaber Alsafi：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论研究、数据管理。K.A. Mahmoud：写作 – 审稿与编辑、软件应用、方法论研究、数据管理。O.L. Tashlykov：写作 – 审稿与编辑、研究指导

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项工作得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科学研究部的支持与资助（资助编号：IMSIU-DDRSP-RP26）。