英纳能:守护生命安全 创新无铅辐射屏蔽材料
2019-07-26 23:39 访问量:9311次

来源:中国科技投资杂志

◎本刊记者  李晓娜

 

 众所周知,核工业是高技术战略产业,是国家安全重要基石。“两弹一艇”的辉煌成就曾让中国人在世界舞台上挺直了腰杆,赢得了尊重,获得了话语权。进入新时期,核工业又担当起保障能源安全、改善能源结构、提供低碳能源、服务民生的重任。

核技术的广泛使用在给人类带来巨大效益的同时,也增加了人们接触各种辐射的机会以及受到其辐射危害的影响。核技术的发展与人们的生活密切相关,工业探伤、灭菌消毒、辐照加工、医学诊断与治疗、空间探测、成影技术等都极大地推动人类社会的进步,但高能射线对人体造成不可逆的损伤和对环境、设施的破坏逐渐被人们了解,防护工作是安全运行的保障,尤其是对一些复杂环境的防护更需要新型高效的柔性辐射屏蔽材料以最大限度地降低射线的危害。为此,本刊特邀请英纳能(北京)特种材料科技有限公司董事长隗巍讲述射线防护材料发展的相关情况。

核辐射——对人体健康存在潜在影响

谈及当下核能应用越来越普遍,公众越来越关注核能辐射对人体健康的影响。隗巍介绍说,辐射的安全性要从核辐射产生的原理说起。原子核是原子的核心部分,通常呈稳态存在,整个原子不显电性。一般情况下,每种实元素都有一种可以进行放射性衰变的不稳定状态的同位素存在,当这些不稳定的原子核发生裂变或者聚变时,释放出原子核能。因此,核辐射是不稳定的原子核从一种结构或一种能量转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放所释放出来的微观粒子流。核辐射具有放射性,可以引起物质的电离或激发,故又称为电离辐射。

电离辐射根据成因的不同可以分为直接致电离辐射和间接致电离辐射,根据照射途径的不同可分为外照射和内照射。其中,外照射是辐射源在体外对人体产生的照射伤害,主要由X射线、γ射线、中子射线和β射线产生;而内照射是指辐射源通过一定途径进入人体内部而引起的照射伤害,只有当辐射源从体内或体表完全除去后,其伤害方可停止,内照射主要由α射线产生。“健康受损程度取决于暴露在辐射中的时间以及放射性物质的衰变中产生的电离辐射。它能破坏人体组织里分子和原子之间的化学键,可能对人体重要的生化结构与功能产生比较严重影响。如果人体机体不能很好地修复辐射带来的对化学键的破坏和改变,基因有可能产生突变。这些突变不但增大罹患癌症风险,还有可能影响后代,比如出现较小的头部与脑部、眼部发育缺陷、生长缓慢和严重的认知学习缺陷。”

“虽然电离辐射会对人体造成很大的危害,但不同射线的电离辐射在穿透能力和电离能力等方面不尽相同。”α和β射线的穿透能力较弱,一张薄纸可以阻挡α射线,一块砖就可以对β射线产生有效阻挡;X射线与γ射线两者类似,都是短波长的电磁波,能量较高,通常采用吸收能力强的铅板进行防护;中子具有更强的穿透力,对人体产生的危害比相同剂量的X射线、γ射线更为严重,更容易诱发肿瘤导致早期死亡。因此来说,“设计射线屏蔽防护材料时需要着重考虑减弱射线穿透物质时的强度,在辐射源与人体之间设置一定厚度的屏蔽材料,从而降低辐射强度,让穿戴的人在作业过程中受到辐射的剂量在可承受范围内,确保人身安全,达到有效防护的目的。”隗巍解释说。

现代防护的发展方向——柔性无铅辐射屏蔽材料

传统的γ射线防护材料较多,通常选用高原子序数材料和通用建筑材料作为防护材料,主要有水、土壤、铁矿石、混凝土、铁、铅、铅玻璃、稀土、钨、贫铀、砖、离子水及一些高聚物如铅硼聚乙烯、含硼聚丙烯等材料。目前γ射线防护材料中,含铅材料占主导地位,然而,铅作为辐射防护材料具有一些弊端,铅本身就是重金属污染源,在使用过程中容易造成重金属中毒,由于铅元素较高的迁移率,容易从复合材料中迁出,会对接触者和环境造成危害,尤其会对从事放射性工作的人员造成安全威胁,另外,铅材料还有二次辐射、硬度较差、结构强度差,不耐高温等缺点存在。已研制使用的辐射屏蔽材料中,虽然铅的比例可在一定程度上提高材料的吸收性能,但由于铅的密度大,以铅为主要屏蔽材料的防护服笨重不易取用,使得作业人员可操作性差,长时间穿着会消耗大量的体力,降低材料物理性能和使用性能;同时作为重金属的铅在使用过程中会对环境造成严重污染;铅材料回收,不易回收处理,容易导致二次污染。

铅材料作为辐射屏蔽材料已不能满足现代防护理念的需求。核工业技术应用领域对屏蔽材料的要求推动着辐射屏蔽材料不断更新迭代。魏巍介绍道,“随着现代多种辐射和防护技术的发展,从我个人经验来说,核辐射防护研究和应用从大型固定传统辐射防护的重质材料转向紧凑可移动防护轻质材料;从注重核设施的辐射防护转向注重核设施的辐射防护和辐射危险人群的防护并重。因此,开发X/γ射线等多种辐射环境下轻质防护材料的结构和本体抗辐射能力对防护效应的影响显得尤为重要;开发多功能复合、轻质、高效的辐射屏蔽材料将是未来的方向。”

穿着舒适性也是辐射屏蔽材料的重要指标之一。材料的舒适性包括手感、硬挺度、悬垂性以及穿着服装过程中排出人体产生的热量和湿气的的能力。若穿着厚重的防护服,在很短的时间内会达到热负荷轻度极限,从而降低人体运动的灵活性,增加作业人员在操作过程中的事故发生率;舒适性差的防护服,不易长时间穿着。因此,在保证防护性能的前提下,尽可能控制防护材料的厚度和质量,增加作业人员的可操作性。

此外,作业人员在接触核辐射材料的过程中,某些有毒物质会从防护材料的缝隙、孔洞或其他缺陷处以非分子水平透过防护材料,从而使防护材料发生降解,导致一种或多种物理性能降低。因此,要求辐射屏蔽材料质密,材料不得有孔隙、裂痕、气泡等薄厚不匀;不得出现修补、拼接或有补丁的现象。

英纳能——具备自主知识产权的无铅辐射屏蔽材料

英纳能(北京)特种材料科技有限公司致力于新型柔性特种防护材料的设计、研究与开发。公司,跟踪国际学术前沿,注重与其它学科的交叉和渗透,自主研发并掌握特定应用场景下具有防护功能的柔性复合材料生产的新方法、新技术、新工艺。

“公司拥有一支由四位博士一位高工组成的核心研发团队,其中领衔的有天津市特聘教授、天津市千人计划专家、中国产业用纺织品行业协会特种纺织品分会秘书长、天津工业大学柔性防护材料研究中心创办人赵晓明教授和在核辐射监测方法及装备技术领域从业23年的中科院高能物理研究所特聘专家、中国辐射防护学会电离辐射计量分会常务理事、核工业标准化委员会TC30/SC1委员、北京医学会放射医学与防护学分会委员梁卫平博士。深厚的学术底蕴、过硬的技术、对市场的熟悉,目前,我们已经成功研发出无铅辐射屏蔽材料,公司具备自主知识产权,而且已经实现全流程国产化。”隗巍介绍说。

英纳能研发的无铅辐射屏蔽柔性材料在对金属材料的筛选时,使用SuperMC(蒙特卡洛运算系统)先期运算不同金属材料对射线的屏蔽效果,选择最佳的添加材料及添加比例,以确保正公差设计在任何使用场景下确定重量与防护的平衡点,与传统铅橡胶衣对比,在达到相同屏蔽效果时最高可减重75%。而且,材料为具有抗核辐射能力的功能层采用经特殊工艺制备的柔性复合材料,厚度可以随需求定制,确保全身所有部位的安全,并能有效的减轻整体重量。

无铅辐射屏蔽柔性材料产品实现无铅配方,通过门卡运算确定多种复合金属材料与高分子搭配使用,着重突出材料的环保型,专门针对防护X和γ射线研制而成的重金属复合材料,应对多种射线辐射威胁;通过多次试验筛选合适的骨架材料,结合纺织材料柔软质轻的特点,制备出环保、高效、轻质、柔软的核防护柔性复合材料,拓宽了γ射线防护材料的应用范围,可为射线防护服面料的开发提供参考。成衣复合材料还具有全天候、耐高低温、内部温度调节、易折叠、抗紫外线、灭菌自清洁等多项功能。

此外,英纳能制备出的无铅辐射屏蔽材料可有效覆盖医疗设备常用频段,在80kV-150kV区段同时达到设计屏蔽值,而且,材料易用性出众,保证面料柔软、高强度、耐高低温(70℃至-40℃)。

目前英纳能无铅辐射屏蔽材料已批量投产,日产量已达到2000延米。在核及射线的紧急事件处理、核事故救援装备、医疗人员射线防护、高空作业人员防护、工业探伤人员防护、放射源处置人员防护(轨道佳通安检)、飞机及舰船防护衬里、核设施建设等领域有着广阔的应用前景。

谈及未来发展规划,隗巍表示, “我们也正在申办国家高新技术企业及国军标19001及国标9001,准备投产建设无铅辐射屏蔽柔性复合材料生产基地,增加柔性中子射线防护材料的研发,增加辐射屏蔽纤维的研发,计划与专业职能部门联合专业行业、国家及军队标准,并在核生化一体防护材料方面加大研发及生产力度,为军、警、反恐等特殊应用场景使用做储备。安全运行是核工业之本,自主创新是核工业之魂。英纳能将始终坚持守护生命安全的使命感,为祖国的核工业发展贡献自己的力量!”

 

 

 

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