Trong một bước đột phá gần đây, Tiến sĩ Huo Zhipeng của Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã phát triển một loại vật liệu composite B4C/HDPE tăng cường PbWO4 mới. Bằng cách điều chỉnh chính xác cấu trúc vi mô của chất trộn PbWO4, họ đã đạt được hiệu suất che chắn bức xạ chống lại cả bức xạ neutron và gamma, đồng thời làm sáng tỏ các cơ chế tương quan giữa cấu trúc vi mô và các đặc tính che chắn bức xạ nhiệt, cơ học và độ bền sử dụng của vật liệu che chắn composite. Kết quả đã được công bố trên Composites Part A: Applied Science and Manufacturing.
Hình ảnh SEM của PbWO4-I hình thoi micron (a), PbWO4-II hình cầu micron (b), PbWO4-III hình cầu micron thô (c), PbWO4 thương mại (d).
Nhu cầu về vật liệu che chắn bức xạ tiên tiến đã tăng vọt khi các ứng dụng năng lượng nguyên tử ngày càng tăng trong y tế hay thám hiểm hàng không vũ trụ. Song cũng phát sinh bức xạ như neutron năng lượng cao và tia gamma có khả năng xuyên thấu lớn, gây tổn hại tế bào và đe dọa sức khỏe con người. Phơi nhiễm lâu dài có thể dẫn đến bệnh tật, ung thư hoặc tử vong. Vì vậy, phát triển vật liệu che chắn bức xạ hiệu quả là cần thiết. Các vật liệu truyền thống như bê tông, chì còn nhiều hạn chế: trọng lượng lớn, cồng kềnh và dễ nứt theo thời gian. Vật liệu đơn chất cũng khó đáp ứng các yêu cầu hiện đại. Trong khi đó, vật liệu chứa nguyên tố số nguyên tử cao (Z cao) và có tiết diện hấp thụ neutron lớn cho khả năng chắn tốt tia gamma và neutron. Do đó, các hợp chất Z cao thường được pha vào nền vật liệu khác nhau để tạo composite che chắn đa dụng, như:
- Composite gốc thủy tinh chứa chất Z cao được dùng trong phòng X-quang, CT và cửa quan sát cơ sở hạt nhân.
- Composite gốc kim loại có độ bền cơ học, nhiệt và cấu trúc cao, thích hợp cho môi trường bức xạ mạnh như lưu trữ nhiên liệu đã qua sử dụng và xử lý chất thải phóng xạ.
- Composite gốc polyme có ưu điểm nhẹ, dễ gia công, không độc và thân thiện môi trường, được dùng rộng rãi trong thiết bị bảo hộ, y học hạt nhân, lò phản ứng, tàu vũ trụ, v.v.
Vật liệu composite nền polyme, đặc biệt là polyethylene mật độ cao (HDPE), hiện là hướng nghiên cứu nổi bật trong lĩnh vực che chắn bức xạ. Alharshan đã chế tạo composite HDPE tăng cường CdO và PbO ở kích thước micro, nano và hỗn hợp của chúng. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng (XCOM) cho thấy: CdO hiệu quả hơn ở vùng năng lượng dưới 81 keV, trong khi PbO phù hợp với năng lượng trên 81 keV. Ngoài ra, vật liệu gia cố bằng chất độn nano cho hiệu suất che chắn vượt trội so với loại vi mô. Obeid chứng minh rằng kích thước hạt nhỏ giúp cải thiện cả hiệu suất chắn bức xạ và cơ tính do phân tán đồng đều hơn trong nền polyme. Composite ZnFe₂O₄/HDPE kích thước nano (hạt ~25 nm) do Alsayed et al. phát triển cho thấy tính ổn định nhiệt tăng, nhiệt độ phân hủy ban đầu nâng từ 400,33 °C lên 431,68 °C, cùng với độ cứng, độ bền kéo và ứng suất chảy được cải thiện theo hàm lượng hạt nano.
Sơ đồ cơ chế che chắn hiệp đồng của neutron và photon gamma tương tác với vật liệu composite tăng cường bằng chất độn PbWO4
HDPE là vật liệu nhẹ, dễ gia công, cơ tính tốt và chứa nhiều H – thích hợp điều tiết neutron nhanh qua va chạm đàn hồi, chuyển thành neutron nhiệt. Khi pha B₄C, chất có tiết diện hấp thụ neutron nhiệt cao, hiệu suất che chắn neutron nhiệt được nâng cao. Tuy nhiên, do mật độ thấp và hiện tượng phát tia gamma thứ cấp từ B₄C, cần bổ sung hợp chất Z cao như PbWO₄ để cải thiện khả năng chắn gamma. PbWO₄ chứa cả Pb và W – hai nguyên tố Z cao – nên là chất độn phù hợp. Hiện tại, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào cải tiến thành phần, tối ưu hóa tỉ lệ và biến tính chất độn. Tuy nhiên, còn thiếu các nghiên cứu về mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô và tính chất vật liệu. Nghiên cứu này đã điều chỉnh vi mô của PbWO₄ tổng hợp và khảo sát chi tiết ảnh hưởng của cấu trúc vi mô đến các tính chất cơ, nhiệt và hiệu suất chắn bức xạ của vật liệu composite.
Vật liệu composite PbWO4/B4C/HDPE được pha tạp với chất độn PbWO4 dạng đều có các cấu trúc vi mô khác nhau được chế tạo để che chắn neutron và tia gamma. Hiệu ứng của hình thái chất độn lên các tính chất khác nhau của vật liệu composite được các nhà khoa học tiến hành nghiên cứu rất chi tiết. Khúc xạ tia X (XRD) và Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy độ kết tinh và thứ tự ưu tiên phát triển tinh thể khác nhau của các mặt phẳng tinh thể PbWO4 tạo ra các cấu trúc vi mô khác nhau. SEM và thử nghiệm diện tích bề mặt riêng Brunauer-Emmett-Teller (BET) cho thấy chất độn PbWO4-III hình cầu micron thô có diện tích bề mặt riêng lớn hơn đáng kể (SBET = 9,99 m2/g) so với các chất độn khác do bề mặt thô của nó chứa nhiều cấu trúc hạt thứ cấp. Vật liệu composite PbWO4-III/B4C/HDPE thể hiện nhiệt độ nóng chảy (Tp = 133,8 °C) và các tính chất cơ học tốt do các vị trí hạn chế nhiệt tăng và khả năng tương thích giữa chất độn và nền do SBET cao, kích thước hạt PbWO4-III đồng nhất. Thử nghiệm lão hóa cực tím tăng tốc cho thấy vật liệu composite tăng cường PbWO4 thể hiện các tính chất lão hóa chống cực tím rất tốt và có sự cải thiện đáng kể về hiệu suất che chắn bức xạ do hiệu ứng che chắn hiệp đồng gây ra bởi PbWO4, B4C và HDPE. Vật liệu composite PbWO4 -III/B4C/HDPE cao cấp có tổng tiết diện neutron (Σ = 0,224 cm−1) và hệ số suy giảm tuyến tính (μ = 0,107 cm−1) cao.
Sự tinh chỉnh cấu trúc vi mô này đã cải thiện liên kết giao diện, dẫn đến tăng cường độ ổn định nhiệt, tính chất cơ học và khả năng chống lão hóa tia cực tím. Các nguyên tử Pb và W trong chất độn PbWO4 hấp thụ hiệu quả các photon gamma và neutron nhanh, trong khi các nguyên tử B trong chất độn B4C hấp thụ neutron nhiệt cao. Do đó, vật liệu composite thu được cung cấp khả năng che chắn hiệp đồng được tăng cường trên phổ năng lượng neutron và tia gamma rộng. Vật liệu composite PbWO4-III/B4C/HDPE được tối ưu hóa đạt tỷ lệ che chắn 97,32% đối với các neutron ²⁵²Cf và 76,43% đối với các photon gamma ¹³⁷Cs ở độ dày 15 cm. Những kết quả này thể hiện sự cải tiến đáng kể so với các vật liệu thông thường, thường thiếu sự kết hợp giữa khả năng che chắn hiệp đồng và hiệu suất cơ học.
Từ khóa: che chắn; bức xạ
– CMD –
