Ngày 24/5/2024, TS. Huo Zhipeng và NCS Lu Yidong từ Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã tạo ra một loại vật liệu composite mới để che chắn chống lại bức xạ neutron và gamma. Các nhà khoa học đã sử dụng tấm micron Sm2O3, một loại chất hỗn hợp gốc đất hiếm, gia cố polyetylen chứa boron. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Khoa học và Công nghệ Composites.
Các biện pháp bảo vệ bức xạ hiện nay dựa trên 03 nguyên lý cơ bản là thời gian, khoảng cách và che chắn. Các neutron và tia gamma năng lượng cao có thể gây hại cho các mô và Gen. Vật liệu chứa chì thường được sử dụng để che chắn nhưng chúng độc hại. Samarium, một nguyên tố đất hiếm, có khả năng che chắn bức xạ vì nguyên tổ này hấp thụ cả neutron và tia gamma. Việc phát triển các chất hỗn hợp đất hiếm với các đặc tính cụ thể có thể tạo ra các vật liệu che chắn neutron-gamma tốt hơn.
Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã đưa ra nhiều loại vật liệu che chắn để làm suy giảm hoặc hấp thụ neutron và tia gamma, chẳng hạn như vật liệu dựa trên kim loại (ví dụ: vật liệu tổng hợp dựa trên chì, dựa trên nhôm, vật liệu tổng hợp của chì/oxit/vonfram/bismuth, v.v.), vật liệu composite polyme, bê tông, vật liệu tổng hợp của boron/boron oxit (ví dụ, boron cacbua, boron nitrit, axit boric, v.v.). Các thiết bị bảo vệ bức xạ tia neutron và gamma của các cơ sở hạt nhân được làm từ các vật liệu thông thường (ví dụ: bê tông, vật liệu gốc kim loại, v.v.) rất nặng và cồng kềnh. Những thiếu sót và hạn chế này đã giới hạn khả năng ứng dụng của chúng, như tàu vũ trụ có người lái, cơ sở hạt nhân di động, v.v. Vật liệu polymer có ưu điểm là nhẹ và dễ gia công so với vật liệu kim loại và bê tông. Vì những lý do này, nhu cầu về vật liệu che chắn dựa trên polymer đang dần tăng lên trong một số lĩnh vực cụ thể (ví dụ: tàu vũ trụ nhân tạo, cơ sở che chắn di động, v.v.).
Ảnh SEM của tấm micron Sm2O3 (a) và ảnh SEM bề mặt đứt gãy của composite Sm2O3/B4C/HDPE (b-c) (Nguồn: Huo Zhipeng)
Trong nghiên cứu mới đây, các nhà khoa học đã đưa ra một loạt các chất độn hỗn hợp Sm2O3 dạng tấm micron với diện tích bề mặt và phân bố kích thước hạt khác nhau, được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa đồng nhất. Họ phát hiện ra rằng việc điều chỉnh quá trình tổng hợp có thể tạo ra chất độn có kích thước đồng đều và mật độ bề mặt cao. Những chất độn này sau đó được thêm vào polyetylen chứa boron để tạo ra vật liệu tổng hợp. Vật liệu tổng hợp cho thấy độ ổn định nhiệt, độ bền cơ học và đặc tính che chắn bức xạ được cải thiện so với vật liệu không có chất độn.
Sơ đồ cơ chế tương tác của vật liệu composite với tia neutron và tia gamma (Nguồn: Huo Zhipeng)
Giản đồ XRD cho thấy pha của tổng hợp Sm2O3 là hệ tinh thể lập phương, mạng lập phương tâm khối và nhóm không gian của nó. Ảnh SEM và phân tích BET cho thấy hình thái vi mô của tổng hợp Sm2O3 là các tấm micron. Diện tích bề mặt riêng BET của chất độn Sm2O3 tăng lên khi bổ sung hàm lượng urê. Đường cong đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC) cho thấy chất độn Sm2O3 làm tăng nhiệt độ nóng chảy của vật liệu tổng hợp lên tới 138,6°C. Các kết quả phân tích bằng phương pháp đo nhiệt lượng (TGA) cho thấy nhiệt độ phân hủy nhiệt ban đầu của vật liệu tổng hợp đều trên 440°C. Các thử nghiệm che chắn bức xạ neutron và gamma cho thấy chất độn Sm2O3 có diện tích bề mặt riêng BET cao (8,20 m2/g) và kích thước đồng đều cải thiện tốc độ che chắn neutron và gamma của vật liệu tổng hợp. Hỗn hợp chứa 10 wt% Sm2O3 (R = 1:25, giá trị R biểu thị tỷ lệ mol của các nguyên tố đất hiếm trên urê)/20 wt% B4C/70 wt% HDPE có tỷ lệ che chắn bức xạ neutron là 98,7% với độ dày 15 cm dưới nguồn neutron 252Cf và tỷ lệ che chắn bức xạ gamma là 72,1% với độ dày 15 cm dưới nguồn gamma 137Cs. Những vật liệu tổng hợp không chứa chì và thân thiện với môi trường này có thể được sử dụng rộng rãi trong các trường bức xạ phức hợp neutron và gamma.
Từ khóa: tia neutron; tia gamma; che chắn bức xạ;
– CMD&DND –
