射线屏蔽用贫铀材料的屏蔽性能研究

□李 波 何亚斌 张小刚

贫铀材料具有很强的γ及X射线屏蔽性能，是优良的屏蔽材料[1]。目前贫铀合金在各种射线屏蔽体制备中得到了应用，并形成了系列产品。目前国内用于射线屏蔽体制备使用的贫铀材料主要有贫化金属铀和添加Ti元素的增强贫化铀，其中贫化金属铀具有密度高、射线屏蔽性能好、制备工艺相对简单的特点，是贫铀屏蔽体制备的主要材料体系；在航天测高仪等特殊领域用贫铀屏蔽体对材料的强度等提出了更高的要求，在贫化金属铀中加入0.35wt.%～0.5wt.%的Ti元素，能够有效提升贫铀合金的强度，所以可依据具体的需求使用强度更高的贫铀材料进行新型贫铀屏蔽体的制备。本文针对贫铀屏蔽体使用者关心的实际射线屏蔽性能、材料机械性能、热疲劳性能、贫铀材料的固有放射性等进行了测试分析，并与铅和钨进行了简单对比，综合试验结果，依据不同的功能和使用需求进行贫铀屏蔽体优化设计和材料优选能够获得较好的综合效益。

一、射线屏蔽体用贫铀材料的性能测试

(一)射线屏蔽体用贫铀材料的射线屏蔽性能测试。采用与贫铀屏蔽体制备相同的熔炼铸造、均匀化退火和机械加工工艺，选用熔铸的贫化金属铀和U-0.4wt.% Ti合金，分别制备了1mm厚薄片样品如图1所示，在3种不同射线源探伤设备上进行了材料的对于不同能量射线的实际屏蔽性能测试。测试时将样品置于射线源和射线计数器/曝光底片中间，通过样品前后的射线计数器和底片的曝光强度进行材料屏蔽性能的对比测试。

图1 射线屏蔽性能测试样品照片

两种材料对于50mCi的Am-241源(特征γ射线能量59.5409keV)的射线屏蔽性能的测试结果如表1所示。测试结果表明，贫铀材料具有优良的射线屏蔽性能，探伤设备上的Am-241源放出高达80,540cps的γ射线经过1mm的贫铀材料屏蔽后，均大量减少几乎完全屏蔽，接近本底水平，但贫化金属铀的屏蔽性能略好于U-0.4wt.% Ti。

表1 Am源射线屏蔽性能测试结果表

使用W靶(特征X射线能量59.310keV和67.2keV)X射线探伤设备，进行了两种贫铀材料在100～300kV管电压下照射5min的试验，通过板后底片的黑度对比了两种贫铀材料对连续低能射线的屏蔽性能。试验结果表明两种贫铀材料对于低能射线均具有较高的屏蔽性能，但贫化金属铀的屏蔽性能略好于U-0.4wt.% Ti，如表2和图2所示，

表2 W靶X射线屏蔽性能测试

图2 不同黑度的底片照片

使用210Ci的Co-60源(特征γ射线能量1332.492keV和1173.228keV)，进行了两种贫铀材料的射线屏蔽性能对比试验，通过不同透射时间后底片的黑度对比了两种贫铀材料的射线屏蔽性能，试验结果表明两种贫铀材料对于Co-60放射源的高能射线均有较好的屏蔽效果，且屏蔽性能相当，如表3和图3所示。

表3 Co源射线屏蔽性能测试

图3 不同黑度的底片照片

两种贫铀材料在3种源条件下射线屏蔽性能对比分析表明，两种贫铀材料对较高能量的γ射线屏蔽性能相当，对于较低能量的γ和X射线屏蔽性能有细微差异，这主要与材料的密度有关，贫化金属铀密度较U-0.4wt.% Ti高。

表4 铀、钨和铅的半吸收厚度对照表

(二)射线屏蔽体用贫铀材料的机械性能。两种贫铀材料熔炼铸造均匀化退火态的性能如表5所示，两种贫铀材料均具有较好的机械性能，可以依据屏蔽体的具体使用需求选用不同材料进行贫铀屏蔽体的制备。

表5 射线屏蔽体用贫铀材料性能

(三)射线屏蔽体用贫铀材料的热疲劳性能试验。由于部分屏蔽体产品需要在一定温度的环境中使用，贫铀材料的抗热冲击性能是保证其安全性可靠性和使用寿命的重要指标，参照HB 6660-92金属板材热疲劳试验方法，进行了两种贫铀材料室温～350℃下的热疲劳试验，试验样品如图4所示。由于贫铀材料活性较高，为防止样品氧化，热疲劳试验前在样品表面制备了100μm防氧化涂层。

a)镀前试样 b)预制开口局部图4 热疲劳试样照片

经过室温～350℃下的50次循环后试样预制开口处未见裂纹，如图5所示，经过室温～350℃下的100次循环后试样预制开口处仍未见裂纹，如图6所示。两种贫铀材料均具有较好的低温热疲劳性能，在室温～350℃下的热循环过程中，不易出现开裂。

a)贫化金属铀 b)U-0.4Ti图5 50次热循环后的预制开口局部(25×)

a)贫化金属铀 b)U-0.4Ti图6 100次热循环后的预制开口局部(25×)

二、贫铀材料的表面辐射剂量监测

贫铀材料本身的放射性[2]也是贫铀屏蔽体使用者比较关心的问题，试验中对贫铀材料筒形屏蔽体不同距离处的表面辐射剂量进行了监测，监测结果如表6所示。

表6 筒形贫铀屏蔽体表面剂量监测结果(单位：μSv/h)

监测结果表明，贫铀材料的表面辐射剂量很小，穿透性也很弱，随着距离的增加表面剂量呈指数衰减[3]。贫铀屏蔽体设备使用人员在进行操作过程中，所受源于贫铀屏蔽体的辐射剂量达到放射性从业人员年度剂量限值的时间需要近距离工作约2,000h，若按每年242个工作日操作人员每天连续近距离进行贫铀屏蔽体设备操作8小时计算，其所受辐射剂量也不会超过从业人员年度剂量20mSv的限值。加上放射性从业人员的屏蔽防护和作业时间管控等安全措施，贫铀屏蔽体本身的辐射剂量对从业人员的影响更小安全可控。而且目前采用贫铀材料制作的射线屏蔽体表面都有坚固的镀层防护，完全不用担心贫铀的辐照和污染问题。

三、结语

贫化金属铀较U-0.4wt.% Ti密度略高、射线屏蔽性能也更好，但强度低约200MPa，可以依据屏蔽体的具体使用需求，优化贫铀屏蔽体及所用材料的设计以获得最佳的综合效益。

贫化金属铀和U-0.4wt.% Ti均具有较好的低温热疲劳性能，在350℃及下的环境中过程中，其安全可靠性和使用寿命能够得到保障。

贫铀屏蔽体本身的表面辐射剂量很小，对从业人员的辐照影响安全可控。