射線屏蔽用貧鈾材料的屏蔽性能研究

□李 波 何亞斌 張小剛

貧鈾材料具有很強的γ及X射線屏蔽性能，是優良的屏蔽材料[1]。目前貧鈾合金在各種射線屏蔽體制備中得到了應用，并形成了系列產品。目前國內用于射線屏蔽體制備使用的貧鈾材料主要有貧化金屬鈾和添加Ti元素的增強貧化鈾，其中貧化金屬鈾具有密度高、射線屏蔽性能好、制備工藝相對簡單的特點，是貧鈾屏蔽體制備的主要材料體系；在航天測高儀等特殊領域用貧鈾屏蔽體對材料的強度等提出了更高的要求，在貧化金屬鈾中加入0.35wt.%～0.5wt.%的Ti元素，能夠有效提升貧鈾合金的強度，所以可依據具體的需求使用強度更高的貧鈾材料進行新型貧鈾屏蔽體的制備。本文針對貧鈾屏蔽體使用者關心的實際射線屏蔽性能、材料機械性能、熱疲勞性能、貧鈾材料的固有放射性等進行了測試分析，并與鉛和鎢進行了簡單對比，綜合試驗結果，依據不同的功能和使用需求進行貧鈾屏蔽體優化設計和材料優選能夠獲得較好的綜合效益。

一、射線屏蔽體用貧鈾材料的性能測試

(一)射線屏蔽體用貧鈾材料的射線屏蔽性能測試。采用與貧鈾屏蔽體制備相同的熔煉鑄造、均勻化退火和機械加工工藝，選用熔鑄的貧化金屬鈾和U-0.4wt.% Ti合金，分別制備了1mm厚薄片樣品如圖1所示，在3種不同射線源探傷設備上進行了材料的對于不同能量射線的實際屏蔽性能測試。測試時將樣品置于射線源和射線計數器/曝光底片中間，通過樣品前后的射線計數器和底片的曝光強度進行材料屏蔽性能的對比測試。

圖1 射線屏蔽性能測試樣品照片

兩種材料對于50mCi的Am-241源(特征γ射線能量59.5409keV)的射線屏蔽性能的測試結果如表1所示。測試結果表明，貧鈾材料具有優良的射線屏蔽性能，探傷設備上的Am-241源放出高達80,540cps的γ射線經過1mm的貧鈾材料屏蔽后，均大量減少幾乎完全屏蔽，接近本底水平，但貧化金屬鈾的屏蔽性能略好于U-0.4wt.% Ti。

表1 Am源射線屏蔽性能測試結果表

使用W靶(特征X射線能量59.310keV和67.2keV)X射線探傷設備，進行了兩種貧鈾材料在100～300kV管電壓下照射5min的試驗，通過板后底片的黑度對比了兩種貧鈾材料對連續低能射線的屏蔽性能。試驗結果表明兩種貧鈾材料對于低能射線均具有較高的屏蔽性能，但貧化金屬鈾的屏蔽性能略好于U-0.4wt.% Ti，如表2和圖2所示，

表2 W靶X射線屏蔽性能測試

圖2 不同黑度的底片照片

使用210Ci的Co-60源(特征γ射線能量1332.492keV和1173.228keV)，進行了兩種貧鈾材料的射線屏蔽性能對比試驗，通過不同透射時間后底片的黑度對比了兩種貧鈾材料的射線屏蔽性能，試驗結果表明兩種貧鈾材料對于Co-60放射源的高能射線均有較好的屏蔽效果，且屏蔽性能相當，如表3和圖3所示。

表3 Co源射線屏蔽性能測試

圖3 不同黑度的底片照片

兩種貧鈾材料在3種源條件下射線屏蔽性能對比分析表明，兩種貧鈾材料對較高能量的γ射線屏蔽性能相當，對于較低能量的γ和X射線屏蔽性能有細微差異，這主要與材料的密度有關，貧化金屬鈾密度較U-0.4wt.% Ti高。

表4 鈾、鎢和鉛的半吸收厚度對照表

(二)射線屏蔽體用貧鈾材料的機械性能。兩種貧鈾材料熔煉鑄造均勻化退火態的性能如表5所示，兩種貧鈾材料均具有較好的機械性能，可以依據屏蔽體的具體使用需求選用不同材料進行貧鈾屏蔽體的制備。

表5 射線屏蔽體用貧鈾材料性能

(三)射線屏蔽體用貧鈾材料的熱疲勞性能試驗。由于部分屏蔽體產品需要在一定溫度的環境中使用，貧鈾材料的抗熱沖擊性能是保證其安全性可靠性和使用壽命的重要指標，參照HB 6660-92金屬板材熱疲勞試驗方法，進行了兩種貧鈾材料室溫～350℃下的熱疲勞試驗，試驗樣品如圖4所示。由于貧鈾材料活性較高，為防止樣品氧化，熱疲勞試驗前在樣品表面制備了100μm防氧化涂層。

a)鍍前試樣 b)預制開口局部圖4 熱疲勞試樣照片

經過室溫～350℃下的50次循環后試樣預制開口處未見裂紋，如圖5所示，經過室溫～350℃下的100次循環后試樣預制開口處仍未見裂紋，如圖6所示。兩種貧鈾材料均具有較好的低溫熱疲勞性能，在室溫～350℃下的熱循環過程中，不易出現開裂。

a)貧化金屬鈾 b)U-0.4Ti圖5 50次熱循環后的預制開口局部(25×)

a)貧化金屬鈾 b)U-0.4Ti圖6 100次熱循環后的預制開口局部(25×)

二、貧鈾材料的表面輻射劑量監測

貧鈾材料本身的放射性[2]也是貧鈾屏蔽體使用者比較關心的問題，試驗中對貧鈾材料筒形屏蔽體不同距離處的表面輻射劑量進行了監測，監測結果如表6所示。

表6 筒形貧鈾屏蔽體表面劑量監測結果(單位：μSv/h)

監測結果表明，貧鈾材料的表面輻射劑量很小，穿透性也很弱，隨著距離的增加表面劑量呈指數衰減[3]。貧鈾屏蔽體設備使用人員在進行操作過程中，所受源于貧鈾屏蔽體的輻射劑量達到放射性從業人員年度劑量限值的時間需要近距離工作約2,000h，若按每年242個工作日操作人員每天連續近距離進行貧鈾屏蔽體設備操作8小時計算，其所受輻射劑量也不會超過從業人員年度劑量20mSv的限值。加上放射性從業人員的屏蔽防護和作業時間管控等安全措施，貧鈾屏蔽體本身的輻射劑量對從業人員的影響更小安全可控。而且目前采用貧鈾材料制作的射線屏蔽體表面都有堅固的鍍層防護，完全不用擔心貧鈾的輻照和污染問題。

三、結語

貧化金屬鈾較U-0.4wt.% Ti密度略高、射線屏蔽性能也更好，但強度低約200MPa，可以依據屏蔽體的具體使用需求，優化貧鈾屏蔽體及所用材料的設計以獲得最佳的綜合效益。

貧化金屬鈾和U-0.4wt.% Ti均具有較好的低溫熱疲勞性能，在350℃及下的環境中過程中，其安全可靠性和使用壽命能夠得到保障。

貧鈾屏蔽體本身的表面輻射劑量很小，對從業人員的輻照影響安全可控。