湖北鐘祥累托石屏蔽中子微觀機(jī)理初探

汪　洋，田　鍵，朱艷超，鄧松良

（1.湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430062；2.湖北湖大天沭新能源材料工業(yè)研究設(shè)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(jī)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430062；2.湖北湖大天沭新能源材料工業(yè)研究設(shè)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(zhì)中物理行為提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐；首次開展累托石在防輻射屏蔽材料方面的基礎(chǔ)應(yīng)用分析。在依據(jù)FTIR、XRD、TGA對鐘祥累托石樣品展開精細(xì)辨識。在設(shè)計了累托石屏蔽中子特性實驗的基礎(chǔ)上，采用長計數(shù)器和應(yīng)用Cf源中子長計數(shù)器系統(tǒng)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(jié)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(fā)現(xiàn)

累托石于1891年由E.W.Rector首次發(fā)現(xiàn)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(guī)則間層礦物”。世界上已知的累托石產(chǎn)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(shù)累托石在粘土中含量較為集中形成礦化或礦點(diǎn)；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(nèi)外累托石的應(yīng)用現(xiàn)狀

C.斯通將阿肯色累托石粘土制成了參考物質(zhì)RAr-1，匈牙利基拉伊海杰什的累托石進(jìn)行了較系統(tǒng)的礦物學(xué)和物化工藝性能研究。國外曾做過一些開發(fā)利用工作，但僅限于作為陶瓷、耐火材料工業(yè)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(jīng)地質(zhì)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(yè)價值的累托石礦床。

1.3累托石在防中子輻射領(lǐng)域的應(yīng)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(yōu)越，主要表征為pH值、離子強(qiáng)度、溫度［2］和有機(jī)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(qiáng)、放射性危害威脅最大。因此，制約防輻射性能的關(guān)鍵在于屏蔽中子射線的能力，盡管累托石具有良好力學(xué)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(xiàn)狀

目前鐘祥累托石礦產(chǎn)品方案主要為低廉的水基鉆井泥漿材料，由于產(chǎn)品應(yīng)用方向過于單一、科研投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后，原鐘祥累托石礦的開采和選礦于1995年被迫停產(chǎn)，因此在如何開發(fā)利用好鐘祥累托石基礎(chǔ)應(yīng)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(xué)行為、微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律等相關(guān)研究（湖北省自然科學(xué)基金2014CFB172）；該研究是評價中子輻射過程在礦物介質(zhì)中物理化學(xué)行為的基礎(chǔ)；同時也為我國粘土礦物在防輻射領(lǐng)域應(yīng)用研究做一些基礎(chǔ)的鋪墊。

2　樣品分析

2.1樣品采集

本次采樣點(diǎn)于湖北省鐘祥市磷礦鎮(zhèn)和冷水鎮(zhèn)交界處，以F2斷層為標(biāo)志分楊家臺、尚家沖2個礦段（共6個礦體）。產(chǎn)于二疊系上統(tǒng)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(guī)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(jī)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(tǒng)為DS=SS=1°，RS=0.3mm；步進(jìn)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(jié)果

XRD分析結(jié)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(jīng)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(jié)果（圖2）

圖2　FTIR累托石分析結(jié)果

累托石紅外吸收光譜是典型的，特點(diǎn)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(jié)果

累托石的差熱曲線圖3表明：110℃和180℃出現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(xué)研究所進(jìn)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(dāng)中，見圖4。樣品質(zhì)量和尺寸見表1。

3.1測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)設(shè)計在鋼結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(zhì)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(yīng)的長計數(shù)器測量中子源經(jīng)過不同厚度的累托石屏蔽后的中子注量，用中子劑量當(dāng)量計測量累托石樣品（不同厚度的樣品在相同時間段內(nèi)）屏蔽后中子當(dāng)量劑量隨時間變化值。測試參數(shù)包括樣品對0～5MeV中子衰減，中子當(dāng)量劑量減弱因子的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于25%。

圖3　累托石熱重分析結(jié)果

圖4　中子屏蔽測試樣品

表1　樣品尺寸和質(zhì)量

圖5　試驗測量布局示意圖

3.3中子屏蔽測試結(jié)果

采用長計數(shù)器測量系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實驗結(jié)果見表2。

表2　Cf源測量結(jié)果

據(jù)表2，加載5cm、10cm和15cm厚的樣品后，計數(shù)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(shù)率進(jìn)一步下降。

4　結(jié)論

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

（2）可對不同產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的應(yīng)用提供進(jìn)一步理論依據(jù)。

［1］江濤，劉源駿.湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，累托石［M］.湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

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1004-5716（2016）09-0115-04

2015-10-27

2015-10-27

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

汪洋（1980-），女（漢族），湖北鄂州人，講師?，F(xiàn)從事橄欖巖結(jié)構(gòu)水、防輻射材料研究，以及無機(jī)非金屬材料教學(xué)工作。