Lece岩和Slag岩在核屏蔽应用中的结构特性、物理特性以及辐射衰减性能

《Applied Radiation and Isotopes》：Structural, physical, and radiation attenuation properties of Lece and Slag rocks for nuclear shielding applications

天然岩石辐射屏蔽性能研究：以土耳其莱切火山岩和渣岩为例，分析其化学组成、密度及对γ射线和快中子的衰减特性，发现莱切岩因富含钛、铁、钙和硅等元素，质量衰减系数（MAC）和半值层（HVL）显著优于渣岩，证实其作为低成本、环保辐射屏蔽材料的潜力。

　　

A. Alshamari|A.T. Kucuk|B. Alshahrani|Jamila S. Alzahrani|Norah Alomayrah|I.O. Olarinoye|M.S. Al-Buriahi

沙特阿拉伯北部边境大学科学学院物理系，阿拉尔

摘要

使用适当的屏蔽材料是核辐射技术持续应用的重要催化剂。屏蔽材料通常根据性能、可持续性、成本和安全性进行选择。从可持续性和成本效益的角度来看，天然环境基质（如岩石）对于辐射控制具有吸引力。然而，由于岩石成分的多样性，不同岩石在屏蔽应用中的性能可能会有所不同。本研究调查了来自土耳其哈塔伊地区的Lece岩石和渣岩的化学结构、密度以及其伽马射线和中子屏蔽性能。本研究的目的是全面了解土耳其Lece岩石和渣岩的结构和化学特性及其辐射屏蔽潜力，从而为土耳其及其他地区的核设施提供创新且环保的辐射防护解决方案。岩石样本的化学成分通过能量色散X射线光谱法进行分析，而密度则根据阿基米德模型进行测定。样品的伽马射线和中子相互作用参数是通过RadPhy和XCOM代码的计算获得的。两种岩石的估计密度表明，Lece火山岩的密度大于渣岩。岩石的化学成分因其矿物组成而存在显著差异。Al、Ca、Fe和Si氧化物的浓度主导了岩石的化学结构，其中Lece岩石中的Ca、Fe、Si和Ti浓度高于渣岩。这些元素使得Lece岩石的光子衰减能力优于渣岩。Lece岩石的质量衰减系数从0.015 MeV时的18.6028 cm²/g降低到15 MeV时的0.0238 cm²/g，渣岩的质量衰减系数则从9.0075 cm²/g降低到0.0213 cm²/g。半值层随能量的增加而增加，表明屏蔽效果逐渐减弱。Lece岩石的快中子去除截面和伽马射线屏蔽性能优于渣岩。目前使用的渣岩和Lece火山岩具有丰富的资源和较低的密度，使其成为轻质屏蔽材料以及更复杂屏蔽结构中的理想选择。

引言

涉及使用伽马射线和中子等电离辐射的技术过程在医疗、能源、农业和制造领域具有重要的地位[1]。 这类电离辐射被用于健康创伤的管理和研究。传统X射线机和计算机断层扫描仪产生的外部辐射束是常用的诊断工具，而线性加速器和各种放射性核素产生的光子则用于外部束放射治疗。核能行业利用核裂变和放射性产生的能量来制造用于研究和医学的放射性同位素[2]。 许多工业化国家利用反应堆产生的辐射与其他介质（如水）的相互作用产生的能量来驱动发电机。此外，辐射还用于多种工业用途，包括医疗设备的灭菌和新技术的科学评估，这对医疗保健和工业发展至关重要。尽管暴露于高能辐射存在风险，但辐射的应用范围和复杂性仍在不断扩大。

生物组织受到高能辐射（如中子和伽马光子）的无差别照射可能会引发一系列生物事件，可能导致细胞损伤和功能障碍。这些后果包括辐射病、癌症的发展、基因突变，甚至生物体的死亡<3, 4, 5>。因此，核设施工作人员、医疗服务提供者、患者和公众都面临辐射引起的健康问题。多年来，通过优化辐射过程，将辐射暴露水平降低到合理可行的最低限度，同时不损害辐射应用的效力，这种风险已得到持续降低[6]。然而，由于其在将辐射剂量降至最低水平方面的有效性，屏蔽材料在所有辐射防护方案中都不可或缺。

辐射屏蔽材料可以有不同的几何形状和材料；性能、可持续性、成本和安全性已成为现代选择的重要因素。长期以来，铅（Pb）和混凝土等传统材料一直被用于抵御各种类型的辐射。高原子序数（Z）和密度使铅成为吸收光子和离子的理想材料，而混凝土的成分也可以根据不同的辐射情况进行调整以增强其屏蔽性能。然而，这些材料存在一些缺点，限制了其在辐射控制中的广泛应用。铅（Pb）是有毒的重金属，因此不安全且可能比其他材料更昂贵[7]。混凝土的使用对环境不友好，因为其生产过程和原材料来源会排放温室气体并造成生态破坏<8, 9>。从技术上讲，混凝土的性能受到稳定性和耐久性问题的质疑。此外，由于混凝土由地质材料制成，它可能成为次级辐射源，因为其中含有原始放射性核素<9>。因此，对可持续、高性能、成本效益高且安全的辐射防护材料的需求日益增加。

为了寻找出色的辐射防护材料，最近研究了合金、陶瓷和玻璃等不同材料<10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20>。这些合成复合材料结合了纯材料的良好结构特性和机械性能，形成了具有优异辐射屏蔽性能的新材料。作为复合材料，它们在成分结构上具有较好的灵活性，使研究人员能够针对特定功能调整其性能。在玻璃和陶瓷中添加重金属氧化物可以提高其屏蔽性能<10, 14, 15, 18>。尽管这些材料的成分具有灵活性，便于优化其性能，但由于生产过程和高成本合成化学品的费用，合金、玻璃和陶瓷可能不是经济高效的屏蔽材料，因此仅适用于小范围或源头屏蔽，不适合大规模生物屏蔽。此外，这些合成屏蔽材料的生产会产生废物，需要回收以防止环境中的废物积累。回收过程能耗较高，因此生产过程也带来了环境问题。鉴于合成屏蔽材料（包括玻璃、陶瓷和合金）的成本和环境安全问题，寻找生产成本低且对全球废物增长贡献最小的替代材料更具吸引力。

由于岩石等地质材料的丰富性和较低的部署成本，以及潜在的辐射屏蔽效果，它们在核废料防护和应用结构方面具有巨大但尚未充分利用的潜力。一些关于某些天然岩石辐射衰减潜力的最新研究强调了这一潜力<21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29>。对橄榄岩玄武岩、jet黑花岗岩、石灰岩、砂岩和辉长岩21、花岗岩、安山岩、花岗闪长岩和黑安山岩22、英安岩、英安闪长岩和英安粗面岩23等岩石的比较研究表明，这些岩石在化学结构、微观结构和密度上存在差异<24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33>。所有这些参数都影响了它们的屏蔽性能。此外，一些研究中的岩石显示出比传统屏蔽材料（如混凝土、玻璃和陶瓷）更高的光子质量衰减系数<24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31>

本研究调查了来自土耳其哈塔伊地区的Lece岩石和渣岩的化学结构、密度以及其伽马射线和中子屏蔽性能。鉴于Lece岩石的自然丰富性以及渣岩作为金属工业副产品的工业可持续性，这些岩石有可能成为开发新型伽马射线屏蔽材料的成本效益高、可持续且有前景的选择。本研究的目的是全面了解土耳其Lece岩石和渣岩的结构和化学特性及其辐射屏蔽潜力，从而为核设施提供创新且环保的辐射防护解决方案。

样本采集

Lece岩石和渣岩样本是从土耳其哈塔伊地区的露头采集的。该地区的地形由具有气孔结构的玄武岩熔岩流组成，表面有风化现象<32, 33>。岩石的物理外观见图1，露头或表面分布见图2。这些岩石的丰富性使其成为经济可行的选择

结果与讨论

两种岩石样本的估计密度表明，Lece火山岩（2.33 ±0.01 g/cm³）的密度大于渣岩（2.23±0.01 g/cm³）。这种差异反映了岩石中矿物成分和孔隙率的差异。形成岩石的矿物具有不同的密度，因此岩石中矿物成分的变化可以通过密度的变化来体现。表1显示，Lece岩石中Ti、Fe、Ca和Si氧化物的浓度较高

结论

本研究调查了来自土耳其哈塔伊地区的Lece岩石和渣岩的化学结构、密度以及其伽马射线和中子屏蔽性能。两种岩石样本的估计密度表明，Lece火山岩（2.33 g/cm³）的密度大于渣岩（2.23 g/cm³）。渣岩中的化学元素分布属于铁质渣类别。Lece岩石中的Si、Ca和Fe含量较高

CRediT作者贡献声明

M.S. Al-Buriahi：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理。Jamila S. Alzahrani：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理，概念构思。B. Alshahrani：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。Awatif Alshamari：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。I.O. Olarinoye：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理，概念构思。Norah Alomayrah：撰写 – 审稿与编辑，撰写 –

利益冲突声明

作者声明与本手稿的发表无关任何利益冲突。本研究是独立进行的，研究中未受到任何财务、个人或职业关系的影响。