橡塑合金辐射防护材料的制备及优化设计

摘要

随着核能与核技术应用的迅猛发展，人们接触辐射的机会大为增加，因此对核辐射防护的需求也日益迫切。目前对辐射的防护都是建立在屏蔽材料的基础之上的，所以对屏蔽材料的研究就显得至关重要。很多传统辐射防护材料已经无法满足便携性和可移动性等防护需求，因此研制开发新型的柔性防护材料成为了研究的重点。本文以性能优异的橡塑合金橡胶材料作为基底，通过掺入碳化硼、氧化钆和氧化钨等功能性粒子，研发制备了一种新型辐射防护材料，研究了复合防护材料的各项性能，并结合遗传算法和MCNP程序对材料中功能粒子的配比进行了最优化设计。本文主要的工作及成果如下：
　　(1)利用MCNP程序对Bi、Pb、Ta、Fe、Cu、W、Sn等元素的γ射线防护性能进行了模拟计算，同时利用WinXCom软件对Ce、Sm、Gd、Er等稀土元素的质量衰减系数进行了理论模拟，重点考察了各元素的K吸收边特性，然后对比了各材料对中子的防护效果。基于上述的模拟结果，进行功能粒子的初步筛选和优化组合。结果表明：Gd和W是较好的γ射线屏蔽组合，而且Gd也是优异的热中子吸收材料，由于橡塑合金橡胶的多种优点，将其作为复合材料的基底材料。
　　(2)根据筛选的结果，制备了Gd2O3/WO3/橡塑合金辐射防护材料，研究了经过不同剂量的电子束照射后样品的性能差异及变化规律，通过对材料力学性能和射线防护性能的测试，考察了不同功能粒子加入量对材料的各项性能的影响，最后对比了B4C和Gd2O3的中子屏蔽效果。通过实验发现，100 kGy的电子束辐射使材料获得了较好的机械性能，随着功能粒子含量的增加，材料的屏蔽性能上升，而力学性能随之下降，且Gd2O3的中子透射率低于B4C。
　　(3)在上述的实验结果的基础上，更加深入地研究了材料中功能粒子的配比对其射线防护性能的影响。通过MATLAB中的遗传算法工具箱进行材料组分的最优化计算，然后将最优化计算结果输入到MCNP程序中，从理论的角度对最优化结果进行模拟验证，结论显示了最优化设计的材料相比于其他三种材料拥有更加综合的射线防护性能，理论上证明了最优化结果的正确性。
　　(4)根据遗传算法得到的最优化结果，制备了B4C/Gd2O3/WO3/橡塑合金辐射防护材料，对其微观结构和辐射防护性能进行了测试分析，通过对材料进行射线屏蔽实验，从实验的角度对最优化结果进行了验证，通过测得的实验数据说明了所制备的最优化防护材料拥有更好的屏蔽性能，从实验上证明了最优化结果的正确性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 射线与物质的相互作用

1.3 辐射防护材料的研究现状

1.4 橡塑合金橡胶与稀土元素简介

1.5 本文的研究思路及主要研究工作

第二章 辐射防护元素的筛选与组合优化

2.1 引言

2.2 模拟及计算方法简介

2.3 辐射防护元素的筛选与组合

2.4 橡塑合金复合材料的辐射防护模拟

2.5 小结

第三章 橡塑合金辐射防护材料的制备及性能研究

3.1 引言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第四章 橡塑合金辐射防护材料的最优化设计

4.1 引言

4.2 基因遗传算法与程序

4.3 辐射防护材料的最优化设计

4.4 小结

第五章 总结及展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文