湖北鐘祥累托石屏蔽中子微觀機理初探

汪　洋，田　鍵，朱艷超，鄧松良

（1.湖北大學材料科學與工程學院，湖北武漢430062；2.湖北湖大天沭新能源材料工業研究設計院，湖北武漢430062；3.新疆地礦局測試中心，新疆烏魯木齊830000）

湖北鐘祥累托石屏蔽中子微觀機理初探

汪洋*1，2，田鍵1，2，朱艷超1，2，鄧松良3

（1.湖北大學材料科學與工程學院，湖北武漢430062；2.湖北湖大天沭新能源材料工業研究設計院，湖北武漢430062；3.新疆地礦局測試中心，新疆烏魯木齊830000）

為評價中子輻射在累托石礦物介質中物理行為提供基礎數據支撐；首次開展累托石在防輻射屏蔽材料方面的基礎應用分析。在依據FTIR、XRD、TGA對鐘祥累托石樣品展開精細辨識。在設計了累托石屏蔽中子特性實驗的基礎上，采用長計數器和應用Cf源中子長計數器系統測量了湖北鐘祥累托石中子衰減特性，考察了不同厚度的累托石材料對中子屏蔽的效果。結果表明：累托石樣品對慢中子具有0.399～0.776的屏蔽效果。

累托石；中子屏蔽；防輻射

1　概述

1.1累托石的發現

累托石于1891年由E.W.Rector首次發現并命名為“Rectorite”［1］，AIPEA命名委員會最終將其定義為“二八面體云母和二八面體蒙脫石組成的1∶1規則間層礦物”。世界上已知的累托石產地約40余處，主要分布在亞洲、歐洲和北美洲；多與其他粘土礦伴生，品位較低。只有少數累托石在粘土中含量較為集中形成礦化或礦點；國外僅只有日本櫪木縣船生礦山、匈牙利托考伊山脈基拉伊海杰什礦山，以及美國猶他州中北部的礦床。

1.2國內外累托石的應用現狀

C.斯通將阿肯色累托石粘土制成了參考物質RAr-1，匈牙利基拉伊海杰什的累托石進行了較系統的礦物學和物化工藝性能研究。國外曾做過一些開發利用工作，但僅限于作為陶瓷、耐火材料工業中低級別的礦物原料。我國對累托石的研究起步較晚，在1983年后，經地質勘查證實湖北鐘祥楊榨累托石礦探明儲量670×104t，品位40%～50%，是全球最具工業價值的累托石礦床。

1.3累托石在防中子輻射領域的應用尚屬空白

累托石具有固化核素、不易絮凝［2-4］、防開裂性［5］，是理想的防輻射材料；其對核素Th［6］、Cs（VI）［7］、Sr（II）［1，5，7］、Eu（III）［3，6］、U（VI）［3］的固化效果優越，主要表征為pH值、離子強度、溫度［2］和有機物含量［8］等。防輻射所要屏蔽的是α、β、γ、X射線及中子流［9-10］，中子具有電中性［11-12］，穿透力極強、放射性危害威脅最大。因此，制約防輻射性能的關鍵在于屏蔽中子射線的能力，盡管累托石具有良好力學性能以及核素固化能力；但是針對累托石屏蔽中子的研究尚屬空白。

1.4鐘祥累托石現狀

目前鐘祥累托石礦產品方案主要為低廉的水基鉆井泥漿材料，由于產品應用方向過于單一、科研投入遠遠滯后，原鐘祥累托石礦的開采和選礦于1995年被迫停產，因此在如何開發利用好鐘祥累托石基礎應用研究迫在眉睫。

綜上，筆者擬開展中子在累托石礦物界面宏觀吸附動力學行為、微觀結構變化規律等相關研究（湖北省自然科學基金2014CFB172）；該研究是評價中子輻射過程在礦物介質中物理化學行為的基礎；同時也為我國粘土礦物在防輻射領域應用研究做一些基礎的鋪墊。

2　樣品分析

2.1樣品采集

本次采樣點于湖北省鐘祥市磷礦鎮和冷水鎮交界處，以F2斷層為標志分楊家臺、尚家沖2個礦段（共6個礦體）。產于二疊系上統吳家坪組下段一套海陸交替相的粘土—黃鐵礦—含煤建造中。累托石在偏光顯微鏡下，呈無色或淡黃色纖維狀、針狀；在電子顯微鏡下，呈不規則鱗片狀、板條狀和折疊條帶狀。

2.2分析測試

樣品處理：將累托石原礦在球磨機上球磨24h后，沉降、過濾。80℃烘干，在自然條件下放置。

紅外光譜法：KBr壓片。測量范圍400～4000cm-1，分辨率0.17cm-1。X粉晶衍射法：CuKα輻射，Ni片濾波，狹縫系統為DS=SS=1°，RS=0.3mm；步進掃描方式步長0.02°，掃描速度4°/min，2θ掃描2°到70°。熱重分析法：樣品稱重40mg，升溫速率20℃/min。

2.2.1XRD分析結果

XRD分析結果見圖1。測得累托石定向樣平均層厚d0012.469nm，等于鈉云母層0.96nm加蒙脫石層1.5nm（雙水分子層），經300℃熱處理后，層厚為1.96nm，為鈉云母層0.96nm加無水蒙脫石層1.0nm之和。

圖1　累托石X衍射圖

2.2.2FTIR分析結果（圖2）

圖2　FTIR累托石分析結果

累托石紅外吸收光譜是典型的，特點是若干對雙吸收帶：417和489，504和547，635和698，913和936，1420和1623cm-1。

2.2.3TGA分析結果

累托石的差熱曲線圖3表明：110℃和180℃出現2脫水吸熱谷，似類蒙脫石，600℃脫羥基吸熱谷，似類云母；1020℃的小谷為結構分解，1065℃的放熱峰屬新相生成。

3　累托石中子屏蔽特性

熱中子輻射測試在中國工程物理研究院核物理與化學研究所進行。采用粉磨狀樣品，BET法測得的比表面積15m2/g。樣品均勻裝在鋁制盒子當中，見圖4。樣品質量和尺寸見表1。

3.1測試系統

測試系統設計在鋼結構平臺如圖5所示。四周為4m2鋼板，距離地面高度為H，距離墻面最短距離L。采用各向同性的中子源，點源與材料入射面距離R，材料為長柱狀厚度x，中子源與材料外的介質為空氣。每組樣品被夾在2個面積一樣的鋁片中間（不考慮中子注量在樣品間的衰變）。

3.2測試方法路線及手段

采用Cf做為測試中子源，采用對中子能譜基本為平響應的長計數器測量中子源經過不同厚度的累托石屏蔽后的中子注量，用中子劑量當量計測量累托石樣品（不同厚度的樣品在相同時間段內）屏蔽后中子當量劑量隨時間變化值。測試參數包括樣品對0～5MeV中子衰減，中子當量劑量減弱因子的相對標準不確定度小于25%。

圖3　累托石熱重分析結果

圖4　中子屏蔽測試樣品

表1　樣品尺寸和質量

圖5　試驗測量布局示意圖

3.3中子屏蔽測試結果

采用長計數器測量系統進行測量時，將前置放輸出信號接入主放大器后，直接接入多通道分析器中，通過軟件進行數據分析，實驗結果見表2。

表2　Cf源測量結果

據表2，加載5cm、10cm和15cm厚的樣品后，計數率分別下降了22.4%、46.4%和60.1%。在相同的測試源，增加樣品的厚度對中子屏蔽效果有明顯的增加。充分說明了累托石對中子具備一定的吸收能力，且隨著樣品的厚度增加，計數率進一步下降。

4　結論

（1）該項目設計的中子屏蔽實驗是可以得到累托石防中子特性的數據，并且累托石具備一定的中子屏蔽吸收能力。

（2）可對不同產地的累托石樣品中子屏蔽特性研究開展對比研究；對鐘祥累托石在防輻射產業的應用提供進一步理論依據。

［1］江濤，劉源駿.湖北省地質礦產局，累托石［M］.湖北科學技術出版社，1989.

［2］Zhao Ying，Shao Zhenyi，Chen Changlun，Hu Jun，Chen Hongli.Effect of Environmental Conditions on the Adsorption Behavior of Sr（II）by Na-rectorite［J］.Applied Clay Science，2014.87：1-6.

［3］Zhao Donglin，Yang Shubin，Chen Shaohua，Guo Zhiqiang，Yang Xin.Effect of pH，Ionic Strength and Humic Substances on the Adsorption of Uranium（VI）onto Na-rectorite［J］.Journal of RadioAnalytical and Nuclear Chemistry，2011.287（2）：557-565.

［4］Chen Changlun，Yang Xin，Wei Juan，Tan Xiaoli，Wang Xiangke.Eu（III）uptake on Rectorite in the Presence of Humic Acid：A Macroscopic and Spectroscopic Study［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2013，393：249-256.

［5］劉黎明，張明，方鵬飛，王波，張少平，王少階，汪昌秀，陳濟美毛艷.層狀硅酸鹽累托石/環氧樹脂納米復合材料的結構和性能研究［J］.高分子學報，2005（1）：24.

［6］楊明平，胡忠于.鋁交聯累托石對水溶液中釷（Ⅳ）的吸附性能及吸附熱力學［J］.硅酸鹽學報，2009，37（4）：562-567.

［7］Hu Jun，Chen CL，Sheng GD，Li Jiaxing，Chen Yixue，Wang Xiangke.Adsorption of Sr（II）and Eu（III）on Na-rectorite：Effect of pH，Ionic Strength，Concentration and Modelling［J］.Radiochimica Acta，2010，98（7）：421.

［8］金承黎，易發成，李玉香.粘土礦物在核廢物處理中的應用［J］.礦產綜合利用，2003（5）：8.

［9］Maslehuddin M，Naqvi AA，Ibrahim M，Kalakada Z.Radiation Shielding Properties of Concrete with Electric Arc Furnace Slag Aggregates and Steel Shots［J］.Annals of Nuclear Energy，2013（53）：192-196.

［10］Sharifi S.，R.Bagheri，S.Shirmardi.Comparison of Shielding Properties for Ordinary，Barite，Serpentine and Steelmagnetite Concretes Using MCNP-4C Code and Available Experimental Results［J］.Annals of Nuclear Energy，2013.53：529-534.

［11］丁秀香，梁九卿.電磁場中的電中性自旋1/2粒子及中子干涉［J］.中國科學：A輯，1994，24（5）：505-512.

［12］徐平光，友田.原位中子衍射材料表征技術的進展［J］.金屬學報，2006，42（7）：681-688.

P57

A

1004-5716（2016）09-0115-04

2015-10-27

2015-10-27

1.湖北省自然科學基金（青年基金）鐘祥累托石層間水屏蔽中子微觀機理2014CFB172。2.國家自然科學基金（面上）多元屏蔽防輻射水泥配位結構及性能研究21571065。

汪洋（1980-），女（漢族），湖北鄂州人，講師。現從事橄欖巖結構水、防輻射材料研究，以及無機非金屬材料教學工作。