湖北钟祥累托石屏蔽中子微观机理初探

汪　洋，田　键，朱艳超，邓松良

（1.湖北大学材料科学与工程学院，湖北武汉430062；2.湖北湖大天沭新能源材料工业研究设计院，湖北武汉430062；3.新疆地矿局测试中心，新疆乌鲁木齐830000）

湖北钟祥累托石屏蔽中子微观机理初探

汪洋*1，2，田键1，2，朱艳超1，2，邓松良3

（1.湖北大学材料科学与工程学院，湖北武汉430062；2.湖北湖大天沭新能源材料工业研究设计院，湖北武汉430062；3.新疆地矿局测试中心，新疆乌鲁木齐830000）

为评价中子辐射在累托石矿物介质中物理行为提供基础数据支撑；首次开展累托石在防辐射屏蔽材料方面的基础应用分析。在依据FTIR、XRD、TGA对钟祥累托石样品展开精细辨识。在设计了累托石屏蔽中子特性实验的基础上，采用长计数器和应用Cf源中子长计数器系统测量了湖北钟祥累托石中子衰减特性，考察了不同厚度的累托石材料对中子屏蔽的效果。结果表明：累托石样品对慢中子具有0.399～0.776的屏蔽效果。

累托石；中子屏蔽；防辐射

1　概述

1.1累托石的发现

累托石于1891年由E.W.Rector首次发现并命名为“Rectorite”［1］，AIPEA命名委员会最终将其定义为“二八面体云母和二八面体蒙脱石组成的1∶1规则间层矿物”。世界上已知的累托石产地约40余处，主要分布在亚洲、欧洲和北美洲；多与其他粘土矿伴生，品位较低。只有少数累托石在粘土中含量较为集中形成矿化或矿点；国外仅只有日本枥木县船生矿山、匈牙利托考伊山脉基拉伊海杰什矿山，以及美国犹他州中北部的矿床。

1.2国内外累托石的应用现状

C.斯通将阿肯色累托石粘土制成了参考物质RAr-1，匈牙利基拉伊海杰什的累托石进行了较系统的矿物学和物化工艺性能研究。国外曾做过一些开发利用工作，但仅限于作为陶瓷、耐火材料工业中低级别的矿物原料。我国对累托石的研究起步较晚，在1983年后，经地质勘查证实湖北钟祥杨榨累托石矿探明储量670×104t，品位40%～50%，是全球最具工业价值的累托石矿床。

1.3累托石在防中子辐射领域的应用尚属空白

累托石具有固化核素、不易絮凝［2-4］、防开裂性［5］，是理想的防辐射材料；其对核素Th［6］、Cs（VI）［7］、Sr（II）［1，5，7］、Eu（III）［3，6］、U（VI）［3］的固化效果优越，主要表征为pH值、离子强度、温度［2］和有机物含量［8］等。防辐射所要屏蔽的是α、β、γ、X射线及中子流［9-10］，中子具有电中性［11-12］，穿透力极强、放射性危害威胁最大。因此，制约防辐射性能的关键在于屏蔽中子射线的能力，尽管累托石具有良好力学性能以及核素固化能力；但是针对累托石屏蔽中子的研究尚属空白。

1.4钟祥累托石现状

目前钟祥累托石矿产品方案主要为低廉的水基钻井泥浆材料，由于产品应用方向过于单一、科研投入远远滞后，原钟祥累托石矿的开采和选矿于1995年被迫停产，因此在如何开发利用好钟祥累托石基础应用研究迫在眉睫。

综上，笔者拟开展中子在累托石矿物界面宏观吸附动力学行为、微观结构变化规律等相关研究（湖北省自然科学基金2014CFB172）；该研究是评价中子辐射过程在矿物介质中物理化学行为的基础；同时也为我国粘土矿物在防辐射领域应用研究做一些基础的铺垫。

2　样品分析

2.1样品采集

本次采样点于湖北省钟祥市磷矿镇和冷水镇交界处，以F2断层为标志分杨家台、尚家冲2个矿段（共6个矿体）。产于二叠系上统吴家坪组下段一套海陆交替相的粘土—黄铁矿—含煤建造中。累托石在偏光显微镜下，呈无色或淡黄色纤维状、针状；在电子显微镜下，呈不规则鳞片状、板条状和折叠条带状。

2.2分析测试

样品处理：将累托石原矿在球磨机上球磨24h后，沉降、过滤。80℃烘干，在自然条件下放置。

红外光谱法：KBr压片。测量范围400～4000cm-1，分辨率0.17cm-1。X粉晶衍射法：CuKα辐射，Ni片滤波，狭缝系统为DS=SS=1°，RS=0.3mm；步进扫描方式步长0.02°，扫描速度4°/min，2θ扫描2°到70°。热重分析法：样品称重40mg，升温速率20℃/min。

2.2.1XRD分析结果

XRD分析结果见图1。测得累托石定向样平均层厚d0012.469nm，等于钠云母层0.96nm加蒙脱石层1.5nm（双水分子层），经300℃热处理后，层厚为1.96nm，为钠云母层0.96nm加无水蒙脱石层1.0nm之和。

图1　累托石X衍射图

2.2.2FTIR分析结果（图2）

图2　FTIR累托石分析结果

累托石红外吸收光谱是典型的，特点是若干对双吸收带：417和489，504和547，635和698，913和936，1420和1623cm-1。

2.2.3TGA分析结果

累托石的差热曲线图3表明：110℃和180℃出现2脱水吸热谷，似类蒙脱石，600℃脱羟基吸热谷，似类云母；1020℃的小谷为结构分解，1065℃的放热峰属新相生成。

3　累托石中子屏蔽特性

热中子辐射测试在中国工程物理研究院核物理与化学研究所进行。采用粉磨状样品，BET法测得的比表面积15m2/g。样品均匀装在铝制盒子当中，见图4。样品质量和尺寸见表1。

3.1测试系统

测试系统设计在钢结构平台如图5所示。四周为4m2钢板，距离地面高度为H，距离墙面最短距离L。采用各向同性的中子源，点源与材料入射面距离R，材料为长柱状厚度x，中子源与材料外的介质为空气。每组样品被夹在2个面积一样的铝片中间（不考虑中子注量在样品间的衰变）。

3.2测试方法路线及手段

采用Cf做为测试中子源，采用对中子能谱基本为平响应的长计数器测量中子源经过不同厚度的累托石屏蔽后的中子注量，用中子剂量当量计测量累托石样品（不同厚度的样品在相同时间段内）屏蔽后中子当量剂量随时间变化值。测试参数包括样品对0～5MeV中子衰减，中子当量剂量减弱因子的相对标准不确定度小于25%。

图3　累托石热重分析结果

图4　中子屏蔽测试样品

表1　样品尺寸和质量

图5　试验测量布局示意图

3.3中子屏蔽测试结果

采用长计数器测量系统进行测量时，将前置放输出信号接入主放大器后，直接接入多通道分析器中，通过软件进行数据分析，实验结果见表2。

表2　Cf源测量结果

据表2，加载5cm、10cm和15cm厚的样品后，计数率分别下降了22.4%、46.4%和60.1%。在相同的测试源，增加样品的厚度对中子屏蔽效果有明显的增加。充分说明了累托石对中子具备一定的吸收能力，且随着样品的厚度增加，计数率进一步下降。

4　结论

（1）该项目设计的中子屏蔽实验是可以得到累托石防中子特性的数据，并且累托石具备一定的中子屏蔽吸收能力。

（2）可对不同产地的累托石样品中子屏蔽特性研究开展对比研究；对钟祥累托石在防辐射产业的应用提供进一步理论依据。

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1004-5716（2016）09-0115-04

2015-10-27

2015-10-27

1.湖北省自然科学基金（青年基金）钟祥累托石层间水屏蔽中子微观机理2014CFB172。2.国家自然科学基金（面上）多元屏蔽防辐射水泥配位结构及性能研究21571065。

汪洋（1980-），女（汉族），湖北鄂州人，讲师。现从事橄榄岩结构水、防辐射材料研究，以及无机非金属材料教学工作。